（电气工程专业论文）先进控制技术在常减压装置中的应用.pdf

a b s t r a c t a t m o s p h e r i ca n dy j l c i l u md i s t i l l a t i o nu n i ti st l a ef i r s ts t e po fe t u d eo i lr e f i n i n g w i t ht h ee x t e n s i o no ft h ep r o d u c t i o ns c o p ea n dt l a cd e v e l o p m e n to ft h e8 u t o m a t i o n l e v e li np e t r o c h e m i c a lc n t e r l ) r i s e s , a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sb e c o m i n ga i m p o r t a mw a yf o rp e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e st oi n c r e a s eb e n e f i t s , o p t i m i z ep r o d u c e ， i m p r o v eq u a t i t yo f t l a ep r o d u c t s f i r s to fa l l , b a s e d0 1 1a n a l y z i n gc o n t r o ls i t u a t i o na n dp r o b l e mo fa t m o s p h e r i ca n d y a c u u l nd i s t i l l a t i o n n i ta th o m ea n da b r o a d , a n da c c o r d i n gt ot h ep r o d u c ta n de o n t r o l r e q u i r e m e n t s , a n dt e c l m o l o g yf e a t t t r c , 璐i n gt l a c r o b u s tm 1 t i v a r i a b l ep r e d i c t i v e c o n t r o lt e e l m o l o g y ( r m p c r ) ，1 1m i d - c o n t r o l l e rb a s e do nt h eb a l a n c ec o n t r o lo f a t m o s p h e r i ch e a t i n gf u r n a c e s 眈i tt e m p e r a t u r ea n daa t m o s p h e r ec o l u m nr m p c r c o n t r o l l e rw h i c ht a k e sq u a l i t yp a r a m e t e ro fa t m o s p h e r ec o l u m na si t se o t a t r o l l e d v a r i a b l ea r c ：d e s i g n e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n , b a s e d p r o c e s sc a l c u l a t i o n sa n ds o f t s c i l s o rt e c h n o l o g y , t h ea u t h o rb u i l tao n l i n ea n dr e a lt i m em e c h a n i s mm o d e l sw l a i e l a 啪c a l c u l a t et h eq u a l i t yp a r a m c t c l so fu n m e a s u r e dd i s t i l l a t e6 姗f r a e t i o n a t i n gt o w e , r ， a n d u s e d t h e m a s c o n t r o u e d v a r i a b l e o f r v l p c t c o n t r o l l e r u n d e rc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，b ys t e pt e s ta n ds y s t e m i d e n t i f i c a t i o n , t h ea u t h o ro b t a i a e ds a t i s f a c t o r ym o d e l sa n db u n tai n t e g r a t e dc o n t r o l l e r , r e a l i z e dt h ea p p l i c a t i o no fp r e d i c t i v ec o n t r o la n ds o f ts 朗1 s o fi na t m o s p h e r i ca n d v a c u l l l nd i s t i l l a t i o nu n i t 皿ee l r o rc o r r e c t i o ns y s t e mt h a tc o n t a i n sam u l t i p l e c o r r e c t i o nm o d eh a sb e e nb u i l tb a s e do nt e e l m o l o g ym e c h a n i s m , t h ed e v i c ef e a t u r e a n dd i f f e r e n tt c a , q o l l st h a to n o ra l o f r o mt l a cs o f tm c a s u r c m e l tm e t e r s i th a s i m p r o v e dt h ep r e c i s i o no fs o f tm o a s u r c m c n ti n c t c r sa n dq u a l i t yo fr m p c t c o n t r o l l e r t oe n s u r l ei m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n di n c r e a s et h ee c o n o m i cr e c o v e r y r a t o a tl a s t ，t l a r o u 曲a a y z i n gt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fa d v a n c e de o n t r o u c r ，t h i s c o n t r o l l e rn o to n l yi m p r o v e dt l a eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，t h eo p e r a t i n gs t a b i l i z a t i o n , a n d i n c r e m a a to fe x p e e t e ( 1r e c o v e r y 曲，b u ta l s oe n l a a n e c dt h es a f e t yo fe q u i p m e n t s k e yw o r d s ：a d v a n c e dc o n u o t , a u n o s p h e r i ca n dv a c u u md i s t i l l a t i o nu n i t , r m p c t ( r o b u s tm u l t i v a r i a b l cp r e d i c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ) ，s o f ts c n s o r , c o n t r o l l e dv a r i a b l e , m a n i p u l a t e dv a r i a b l e , d i s m f o i n gv a r i a b l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；堙5 青嘉 签字日期：2 ” 年f 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘空可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蒜 签字日期：z o z 年f 月i i ) 日 导师签名： 签字日期：日p节旧 化 年 五 “ 第一章绪论 第一章绪论 石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及 国有控股企业总利润的i 4 左右但是，面临国际市场激烈的竞争和国内需求的 不稳定，我国各石油化工企业均面临严重的挑战，与国际上发达国家的石化企业 相比，我国的石化企业在质量、成本、规模、效益等方面尚存在较大的差距 随着国内外市场竞争日趋激烈，要求石油化工企业对市场和生产环境的变化 做出快速而有效的响应，以获得最大的经济效益随着我国加入w t o 的日益临 近，深化改革企业的运行机制和管理体制，运用信息技术改造和提升传统产业， 使其保持可持续发展，对于增强企业在国内、外市场的竞争能力具有十分重要的 意义世界各国的经验表明，先进控制技术是提高企业的经济效益、降低生产成 本、提高其在国际市场中的创新力、应变力、适应力和综合竞争力的主要技术手 段之一 i i 国内外常减压装置控制技术发展现状与趋势 随着d c s 的广泛应用，石化行业的生产过程控制水平有了很大的提高。但 是，多数d c s 的生产过程控制水平仍停留在维持生产的一般正常运行上，绝大多 数d c s 的作用只是取代常规仪表的单回路p m 控制_ j 没有充分发挥其功能，基 于模型计算的先进控制与优化生产远未实现，生产的某些技术经济指标及生产质 量指标同国外先进水平相比还存在差距。因此，将先进过程控制a p c ( a d v a n c e d p l o c c s sc o n t r 0 1 ) 作为石化行业挖潜增效、消除生产“瓶颈”的重要手段之一 用d c s 改造常规仪表投资大约占总投资的7 0 ，取得的经济效益约占总效 益的1 0 ；利用d c s 实现常规的复杂控制，得到的效益和投资大约各占总的1 0 ；在d c s 基础上实现先进控制( a p c ) ，增加约1 0 的成本，可取得约4 0 的效益。因此，实施a p c 的作用和意义是显而易见的。 先进过程控制的基本思路是通过模型计算技术，建立生产过程的模型，计算 出一些常规测量和简单计算无法测试的质量指标，并预报其在未来一段时间内的 第一章绪论 变化情况，为生产操作提供指导，从而提高生产过程的可操作性；在模型计算的 基础上，采用多变量控制技术或其它先进控制手段，对生产关心的物化参数或质 量指标直接或间接地监控，提高整个生产的操作和管理水平，得到更大效益 自2 0 世纪年代以来，先进控制技术在国外发展迅速，先后出现了近百家 先进控制软件开发公司，推出了四百多项先进控制和优化软件，并得到了广泛的 应用，在美国，9 0 的常减压装置已采用了a p c 技术d m c 公司开发的先进控 制软件，其控制策略采用d m c 算法，其先进控制和在线优化技术已在数十套常 减压装置上得到应用。s c t p o i n t 公司开发的d m c 及s m c a 技术，采用m p c 算 法，已在1 多个常减压装置 尽管比国外落后许多，但国内也有不少单位开展了常减压装置的先进控制技 术的研究与应用例如上海高维系统优化公司开发的先进控制和优化软件、清华 大学的在线优化技术，已在中石化得到应用另外，中石化与h o n e y w c u 公司合 作，在中石化系统内开展先进控制技术应用试点项目，在大庆石化总厂、兰州炼 油化工总厂、燕山石化公司等单位的常减压装置进行了试点0 1 国内的常减压装置先进控制中存在的问题： 1 系统设计存在缺陷：表现在控制目标和控制策略不合理，不能满足装置 需要，或者控制器设计范围有缺陷，仅局部覆盖被控变量，这些都导致先进控制 的实际结果与期望相差甚远。 2 在线工艺计算及软测量模型不精确：在先进控制与优化控制项目中，一 些无法或难以用传感器直接测量的变量，对提高产品质量和保证安全生产有重要 作用，由于在线质量仪表存在投资大、维护保养复杂、且有较大的测量滞后，不 利于控制，需要通过在线工艺计算或软测量模型获得，如果在线工艺计算或软测 量模型不能很好地与装置实际情况相吻合，将直接影响控制器的投用效果 3 控制器鲁棒性较差：当原料性质、操作条件等发生变化时，控制器因自 身鲁棒性差不能充分发挥作用。1 2 1 【3 】【4 】 目前，先进控制技术的研究与应用是石油化工过程的一个重要方面，开发具 有我国自主知识产权先进控制和过程优化技术及其产品不仅具有广阔的市场前 景和巨大的经济效益，而且可以打破国外产品在技术和市场上的垄断局面，对于 我国石油化工信息技术的健康发展具有十分重要的意义这项工作的大力开展， 有可能最终形成我国自主先进控制和过程优化技术产业，成为石化工业新的经济 增长点嘲网7 l 第一章绪论 1 2 本文研究的重点内容 1 针对天津石化公司炼油厂常减压装置，在分析装置的生产和控制要求的 基础上，根据其工艺过程的特点，运用鲁棒多变量预估控制技术，设计了以常压 塔的质量指标为被控变量的常压塔多变量预估控制器 2 利用软测量技术，在工艺计算的基础上建立机理模型，在线、实时地计 算出不可测的分馏塔各馏分油产品的质量指标。并从工艺原理和装置的生产特点 入手，根据软测量仪表误差产生原因不同，建立了一个含有多重校正模型的误差 校正系统。 3 在相应的硬件和软件平台上，通过阶跃测试和系统辨识出满意的模型， 建立起一个完整的控制器，并分析了先进控制器的投运效果 第二章常减压装置的工艺简介 第二章常减压装置的工艺简介 常减压装置是炼油厂进行原油提炼的第一道工序，它的作用是从原油中提炼 出各种燃料、润滑油、化工原料等产品其基本原理主要是利用加热、分馏等物 理方法分割不同沸点范围的汽油、柴油、溶剂油、航空煤油和重油等二次加工原 料和产品其特点是加工方法简单、成本低因此，在保证产品质量的前提下， 其一次拔出率的高低将直接影响到炼油厂的整体经济效益 常减压装置主要由原油电脱盐系统、原油换热系统、原油精馏系统和产品 冷凝、冷却系统等几部分组成，其核心为原油精馏系统。嘲 原 2 1 工艺原理 图2 - 1 常减压装置原则流程 油 生产上利用原油中各组分的沸点不同，将原油加热到一定温度，送入常压 精馏塔，在塔的迸料段进行一次汽化。汽化后，气相部分上升至塔的精馏段，液 相部分下降至塔的提馏段。 在精馏段，上升的气相与从塔顶打入的与之平衡的液相回流在塔板( 或填 第二章常减压装置的工艺简介 料) 上逆向接触，使液相中的轻组分不断多次汽化，汽相中的重组分不断多次冷 凝，最后从塔顶和侧线分别得到轻重不同的组分。 在提馏段( 对于各侧线而言为气提塔各段) ，从塔底吹入的过热水蒸汽使下 降液相的油气分压减小，液相中的轻组分被充分蒸出，同时液相被提浓，从而保 证了轻组分的收率。 原油所含3 6 0 c 以上的高沸点组分，如蜡油、润滑油组分等。如果再提高温 度油品就会发生裂解，因而为使其汽化只能在减压条件下，将常题重油进行分馏， 使这些油品在较低的温度下汽化，从而精馏分离在现代技术条件下，通过减压 蒸馏可以从常压重油中蒸馏出小于5 5 0 c 的馏分油，减压蒸馏的核心是减压精馏 塔和抽真空系统i g l 1 e l 2 2 流程说明 2 2 1 原油预处理及换热系统 原油自原油罐区输入本装置先经换热器进入电脱盐罐。在电脱盐罐入口管 线上有注破乳剂点，脱钙剂点，注水点，静态混合器和混合阀，使得原油、水和 破乳剂能充分地混合电脱盐罐中的原油，在强电场的作用下分离出盐和水，脱 盐后的原油换热后进入初馏塔汽化段。 2 2 2 初塔系统 换热后的原油在初馏塔内进行汽液传质传热，塔顶油气自塔顶馏出，经 空冷冷凝后进行油水分离，分离出的不凝气，作为常压炉的燃料，液体的一部分 油品作铂料或汽油产品直接出装置，另一部分作为顶回流返回塔顶。初塔侧线从 塔第1 3 层抽出与常一中回流油品并入常塔。这样，一方面可以提高初馏塔的拔 出率，另一方面使常压塔全塔的气液相负荷趋于均匀，从而实现最大限度的提高 常压系统的拔出率。初底油由泵抽出经换热后又分四路进入常压炉，并在其中被 加热至3 6 5 后经转油线进入常压塔汽化段 2 2 3 常压系统 进入常压塔的初底油在塔内进行汽一液传质传热，使汽油、煤油、柴油馏 第二章常减压装置的工艺简介 分得以分离 塔顶油气自常压塔顶馏出，经空冷冷凝后进行油水分离，一部分油品返回 常压塔顶，作为塔顶回流；另一部分油品及气体再经水冷，分离出的不凝气，作 为常压炉的燃料，油品再由泵送出装置作铂料或汽油产品 常一线油自常压塔第3 5 层塔盘上馏出经汽提塔上段汽提，汽提后的油品再 由泵抽出经水冷和空冷送出装置。根据生产方案的不同可分别抽出轻柴油、溶剂 油和航空煤油等成品油 常二线油自常压塔第2 3 层塔盘上馏出经汽提塔中段汽提，汽提后的油品再 由泵抽出经换热，再水冷至送出装置作为柴油产品 常三线油自常压塔第9 层或1 3 层塔盘上馏出经汽提塔下段汽提，汽提后的 油品再由泵抽出经换热至1 4 0 进入蜡油系统，或换热后再经空冷冷却至9 0 送 出装置作为农柴产品。 常四线油( 过汽化油) 自常压塔第7 层塔盘抽出直接送至减压塔或作为催 化裂化原料。 为使常压塔全塔汽液负荷分布均匀有效地利用热能，全塔设有三个循环回 流常顶循环回流自常压塔第4 3 层或4 5 层塔盘上由泵抽出，换热至6 0 左右 再返回常压塔第4 6 层或4 8 层塔盘上常一中回流自常压塔第3 1 层塔盘上由泵 1 1 1 抽出，换熟至1 4 0 左右再返回常压塔第3 4 层塔盘上。常二中回流自常压塔 第1 9 层塔盘上由泵抽出，换热至1 8 6 左右再返回常压塔第2 2 层塔盘上 常底油由泵抽出，分四路直接进入减压炉，并被加热至3 8 0 经转油线送至减压 塔汽化段。 棠磺气 轧，l 乳 - j ： 型瓦 - l 书。a “人 赢 常顶回蠹 仇 一 初 硼蝴b 吾常 t羹1 压 1 塔 1 弓p 叼上t l t 。 扫目 吒 ， 镥 需肼吒叁= _ 塔 l 、。 r 一 ， 图2 - 2 常压蒸馏系统工艺流程示意图 第二章常减压装置的工艺简介 2 2 4 减压系统 进入减压塔的常压重油在汽化段分为汽液两相，气相进入上部填料层与不 同部位打入的回流进行传质与传热，最终得到不同馏分的蜡油产品。 减顶油气自减压塔顶馏出，经增压机及水冷冷却后，并分离出不凝气作为 减炉的燃料在减顶油气经过冷凝冷却后进行油水分离，油品作为农柴产品送出 装置 减一线油自减压塔的第1 段填料下部集油箱由泵抽出，一部分蜡油直接进 入蜡油分配器；另一部分要经过空冷和水冷冷至5 0 再返回减压塔顶，作为塔 顶回流。 减二线油自减压塔的第段填料下部集油箱由泵抽出，并换热至1 2 0 ，一 部分蜡油进入蜡油分配器；另一部分作为减一中回流再返回减压塔段填料上。 减三线油自减压塔的第段填料下部集油箱由泵抽出。一小部分作为轻洗 油直接返回减压塔减三集油箱下；其余很大部分与常四线一起经换热至1 9 5 左 右一都分作为减二中回流再返回减压塔段填辩上 另一部分蜡油也进入蜡油分 配器，并与减一、减二等蜡油混合，一部分1 8 0 左右的蜡油直接去催化或冷却 至1 0 0 c 以下送出装置作为蜡油产品 减四线油( 过汽化油) 自减压塔的第段填料下部集油箱由泵抽出，一部 分返回减塔底或去常压塔一层作为循环油；另一部分作为重洗油又返回重洗段。 减底油自减压塔底由泵抽出，经换热至1 5 0 左右一般作为延迟焦化等装 置热进料，或冷却至1 0 0 以下送出装置作为渣油产品 不凝气 图2 3 减压蒸馏系统工艺流程示意图 第二章常减压装置的工艺简介 2 3 生产方案及产品 2 3 1 常减压装置的生产方案 磐 轻柴油方案溶剂油方案航空煤油方案 参数、 常一线流量 唔h - t 3 1 0 8 3 7 6 0 0 常一线馏出温度， 1 4 91 4 01 6 4 常二线馏出温度， z m2 1 72 4 7 常二线流量，蚝h i 5 2 5 5 9 4 车姗 常压塔顶温度， 1 1 01 1 51 1 9 6 表2 - 1 不同方案时常压塔部分操作参数数据 常减压装置的生产方案有三种：轻柴油方案、溶剂油方案和航空煤油方案 其主要手段是调节常压塔上部的气液相负荷分配，控制常一线产品的抽出温度， 使常一线馏出馏程不同的轻柴油、溶剂油和航空煤油不同生产方案时常压塔上 部部分关键操作参数的数据见表2 - 1 2 3 2 常减压装置的产品及其质量控制指标 常减压装置的产品主要出自常压塔，初馏塔和减压塔分别只有初顶油( 重 整料) 和减一线馏分( 柴油) ，而常压塔的产品馏出口分别有常顶、常一线、常 二线和常三线，其中常一线的产品根据生产方案的不同而不同。但总的来说只有 直馏汽油、直馏柴油、溶剂油和航空煤油( 其冰点 舶时为航空煤油，大于4 8 小于- 3 0 时为灯油) 各种产品的质量控制指标是根据市场对其使用特性的要求而定的在实际 生产过程中，常减压装置各产品的主要控制指标如表2 - 2 所示 汽油；控制其恩氏蒸馏的于点以控制产品中的重组分含量，保证其在气缸 中蒸发的完全程度 柴油：控制其凝固点和闪点。市场对作燃料用的柴油的恩氏蒸馏馏程的要 求较宽，对其低温流动性能( 保证柴油的输送和过滤性的指标用凝固点来表示) 和储存安全性( 用闪点表示) 要求较高。 第二章常减压装置的工艺简介 溶剂油：控制其恩氏蒸馏的初馏点、9 8 点和闪点。溶剂油主要用于油漆 中，应具有适当的挥发速度( 用初馏点和9 8 点控制) 和较高的安全性( 用闪点 控制) 航空煤油：控制其恩氏蒸馏的1 0 点、终馏点、冰点和密度航空煤油的 馏程( 1 0 点、终馏点) 对飞机的启动、燃烧区宽窄、低温性能的好坏、密度的 大小和蒸发损失等都有直接的关系。灯用煤油为确保其安全性还要控制其闪点。 质量指标 韧慵 凝固 1 0 9 8 干点冰点内点3 6 5 0 含量密度 产品名弋点 点 汽油l 常一线柴油4 s7 9 0 常一线溶剂油1 4 21 9 8 3 4 7 7 5 2 8 常一线航空煤油2 2 粥档 常一线灯油 2 0 32 蚺3 0 4 2 常二线柴油5 5 常三线柴油1 6( v ) 减一线柴油1 69 0 ( v ) 注：表中质量指标的单位除密度为k g c m 3，其他质量指标均为 表2 - 2 常减压装置生产的产品品种及其质量指标 第三章常减压装置先进控制的开发 第三章常减压装置先进控制技术的开发 3 1 常减压装置的控制方案 常减压装置控制系统的应用目的是平稳工艺操作，保证产品产量和质量。 要达到此目的就必须保证装置的物料、气液相和热量的三大平衡 3 1 1 常规控制方案 常规控制方案是在经典控制理论的基础上形成的，如图3 - 1 所示，在实际 生产过程中，一般的常规控制回路主要由测量单元、以p i d 为基础建立的常规调 节器、调节阀、检测元件和工艺对象等几部分组成。从其结构来分，主要有单回 路、串级控制回路和复杂控制回路等几种；其控制模式主要有手动、自动和串级 控制等；控制对象一般为压力、温度、流量和液位四大参数该方案能基本满足 系统对三大平衡的控制但由于控制作用的预知性差、抗干扰能力不强，从而不 能达到使产品的产量和质量最优的效果。但其有实施简单、控制直接的优点，特 别是随着计算机技术的发展及d e s 在工业生产中的广泛应用，常规调节器从以 调节仪表为主的硬p i d 成功地演变为以软件模块为主的软p i d 控制器后者由 于只是一种由计算机语言编程而建立的控制模块，操作人员能根据需要方便地选 用所需要的控制器功能，从而为常规控制质量的提高和先进控制的大规模应用打 下坚实的基础。 ， 图3 - 1 常规控制方案示意图 3 1 2 先进控制方案 随着现代控制理论发展，应用现代控制理论以优化生产为目的的先进控制 第三章常减压装置先进控制的开发 方案在工业生产中已得到了越来越广泛的应用，甚至成为企业提高产品质量、优 化产品的最有效的手段之一。其系统结构如图3 2 所示它是软测量仪表、先进 控制器和常规控制回路的集成正是由于有了软测量仪表和先进控制器的应用， 一方面使得先进控制方案可直接控制产品质量；另一方面由于先进控制器的预知 能力强、控制手段先进、使系统的抗干扰能力和鲁棒性均得以加强。系统大小可 以根据需要，选用s i s o ( 单入单出系统) 、m i s 0 ( 多入单出系统) 或m i m o ( 多 入多出系统) 等，它的控制对象可以是四大参数，也可以是通过工艺计算和先进 的数据处理方法单独或结合使用，以相应的四大参数及物料的密度、特性因素等 物性参数为基础而计算出的关键工艺参数和产品质量控制指标可用于建立先进 控制器的方法很多，如解耦控制、自适应控制，鲁棒控制和基于模型的预测控制 等，但在实际应用中则以实施简单、功能实用为主。目前，在炼油化工行业应用 最广且效果最好的应属基于模型的预测控制方法。 图3 - 2 先进控制方案示意图 3 1 3 常减压装置的常规控制方案 常规控制的主要目的和任务是维持装置的平稳生产和产品质量的合格。随 着d c s 系统在炼油化工行业中的广泛应用，为常规控制功能的提高提供了强大 的技术支持。从装置的角度来看，其主要参数的测量信号均送至中央控制室，由 d c s 系统进行控制操作。表3 - 1 中列出了常减压装置关键参数的常规控制方案及 常规控制中难以解决的问题。【1 1 】 可以看出，在常减压装置的控制中串级控制是较复杂的常规控制，而常减 压装置是过程变量高度耦合的工艺过程，以往都是靠操作人员凭经验实施干预控 制，精度不高，劳动强度大，常规控制不能达到最佳效果。如果采用先进控制， 能较好的解决这些问题。 第三章常减压装置先进控制的开发 表3 - 1 常减压装置关键参数的常规控制方案 签 常规控制方案 存在的问题 常压炉出口温度炉出口温度与炉膛温度串级，然后再进料温度波动时各支路的流量及 控制燃料阀的开度以控制燃料流量的其出口温度不平衡，影响炉子的使 大小温度高时降燃料流量，低时提 用寿命，严重时影响安全生产 燃料流量。 初馏塔项温度塔顶温度和顶回流流量串级温度高 手动控制直馏汽油的质量不利于 时提顶回流流量，低时降顶回流流量。产品合格率的提高。 常压塔项温度塔顶温度和顶回流流量串级温度高手动控制直馏汽油的质量不利于 时提顶回流流量，低时降顶回流流量。产品合格率的提高 常一、二和三线抽出由温度直接控制侧线产品抽出阀以控手动控制侧线产品的质量不利于 温度制侧线出品的抽出量中段回流的流 产品合格率的提高和全塔操作的 量分别由独立的流量控制阀控制，返平衡。 塔温度分别由控制一、二中取热量的 三通阀控制。 目前，国内外在常减压装置开发和应用的先进控制技术很多，针对本套装 置，作者主要应用了鲁棒多变量预估控制技术和软测量技术。 3 2 鲁棒多变量预估控制技术的开发 3 2 1 模型预估控制基本原理 a p c 的核心内容是模型预估控制i 也】l 切，代表性的软件有d m c p l u s 和鲁棒 多变量预估控制技术，基本思想是采用过程模型预测未来时刻的输出，用对象实 际输出与模型预测输出的差值修正过程模型，同时实现最优控制。其结构如图 3 3 所示。 1 预测控制的基本特征【1 4 1 1 5 】 1 6 1 p v l ( 1 ) 预测模型 用来描述过程动态特性的模型称为预测模型，它能根据系统当前时刻的控 第三章常减压装置先进控制的开发 制输入和过程的历史数据，通过预测模型来预测过程未来的输出值。 图3 - 3 预测控制结构示意图 由于利用模型预测未来时刻被控对象的变化和误差( 被控变量和其给定值 的误差) ，作为确定当前控制作用的依据，使之适应动态系统所具有的储存性和 因果性，得到比p i d 控制( 利用当前的误差确定当前的控制效果) 更好的控制效 果。对常见的有纯滞后的生产过程，可以得到较好的控制效果，并具有较好的对 信号的滤波作用和鲁棒性。 ( 2 ) 反馈校正 在实际过程中，由于存在非线性时变、模型失配和干扰等不确定性因素， 预测模型与过程之间有误差存在。因此通过输出的测量值与模型的预估值进行比 较，得出模型的预测误差，再利用该误差校正模型的预测值，从而得到更为准确 的、将来输出的预测值。正是这种模型预测加反馈校正的过程，使预测控制具有 很强的抗干扰和克服系统不准确性的能力。 ( 3 ) 滚动优化 优化策略不是一次离线完成的，而是反复在线进行的，即在每一采样时刻， 优化性能指标只涉及从该时刻起到未来的有限时间段，而到下一个采样时刻，这 一优化时段会同时向前推移。因此预测控制不是用一个对全局相同的优化指标， 而是在每一个时刻有一个相对于该时刻的局部优化性能指标。不同时刻优化性能 指标的形式是相同的，但其包含的时间区域是不同的，这就是滚动优化的含义。 预测控制的上述特点：预测模型、滚动优化和反馈校正，正好对应于一般 控制理论中模型、控制、反馈概念。但是，由于预测控制对模型结构的不唯一性， 使它可以根据过程的特点和控制要求，以最方便的方法在系统的输入输出信息 中，建立起预测模型。由于预测控制的优化模式和预测模式的非经典性，使它可 以把实际系统中的不确定因素体现在优化过程中，形成动态优化控制，并可以处 理约束和多种形式的优化目标。因此，可以认为预测控制的预测和优化模式是对 传统最优控制的修正，它建模简化，并考虑了不确定性及其他复杂性因素，从而 第三章常减压装置先进控制的开发 使预测控制能适合复杂工业过程的控制，这也正是预测控制首先广泛应用于过程 控制领域的原因 3 2 2 鲁棒多变量预估控制技术的概念 1 鲁棒多变量预估控制技术1 1 2 11 1 司，简称r m p c r ( r o b u s tm u l t i v a r i a b l e p r e d i c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ) ，为变量之间相互关联的过程提供控制和优化它 属于基于模型的预测控制技术领域，其控制器由阶跃相应测试数据辨识而来的传 递函数动态矩阵模型( 预测模型) 、反馈校正和滚动优化三部分组成。因此，它 可以预估过程的未来变化趋势并确定控制器的输出，同时用对象的实际输出与模 型预测输出的差值校正过程模型，使过程的所有相应变量保持在设点值或约束区 闯内，从而优化控制。鲁棒性是软件的独特功能，它能很好地对有严重关联的过 程加以控制，即使是在预测模型有很大误差的时候达到预期的控制效果。 2 r m p c t 的相关参数；r m p c t 的输入和输出交量有被控变量、操作变 量和扰动变量，是一个多变量输入与多变量输出控制系统，各种变量数的多少由 过程控制的难易程度而定。其对象可以是整个过程装置，如一个常减压装置，也 可以是一个操作单元，如反应器、精馏塔，总之它可以是任何变量相互之间关联 的系统。过程的总体模型【如式3 - 1 所示】是由多个子模型( 每一个子模型描述的 是一个作为自变量的操作变量和扰动变量对被控变量的关联程度) 构成的一个矩 阵下面是模型的相关参数。 c n o ) c q ) c k j o ) c 碥o ) 9 1 1 争- o ) g l t g m d ) m y i m v q + j ”o ) ： ，o ) j l m j - o ) d v t d k ( 3 1 ) 式中，露、t n 和g 分别为控制器中o ，、肘y 和d v 的维数；喇和心分别为 m v 和d y 对c v 的子模型传递函数。 ( 1 ) c y ( c o n 咖l v a r i a b l e ) 是被控变量，它是r m p c t 所要控制的目标， 在控制器的运行过程中既可以是给定值控制，也可以是区域控制。它主要是关键 产品的工艺质量指标、工艺过程的安全保护和设备保护限幅及关键的工艺操作参 数等。 。 ( 2 ) m v ( m a n i p u l a t e dv a r i a b l e ) 操作变量，它是被控变量c v 实施控制的 操作手段。一般情况下，其为基本p i d 控制回路或较为复杂的串级控制回路，也 第三章常减压装置先进控制的开发 可以是自动手动操作站之类的常规控制器。m v 主要是对相关的c v 起主要影响 作用的关键的可操作变量。 ( 3 ) d v ( d i s t u r b a n c ev a r i a b l e ) 是扰动变量。它是对c v 有影响但是不可 操作的，其波动又对c v 的控制产生一定的干扰作用，且其干扰作用是可测的工 艺变量。控制器应用r m p c t 技术，将此类变量以前馈信号的方式引入控制系统 的扰动通道，以便控制系统能很好地克服扰动，使被控变量能得到更好的控制。 3 r m p c t 的特点 ( 1 ) 适应性和鲁棒性强。r m p c t 是基于m i n - m a x 算法设计的多变量预 估控制器，即使在装置的操作条件发生较大变化时，也能满足区域控制算法，即 最优的区域控制，以最小的控制作用来获得最优的控制响应。同时由于采用了漏 斗控制的特殊算法，从而使其预估控制模型对多变量过程的适应性即鲁棒性更 强。因此，在实际生产中对c v 的控制可以根据需要在定值控制和区域控制之间 进行选择 ( 2 ) 具有静态优化功能。r m p c t 提供了线性优化和二次型优化功能用 户可根据优化目标( 如经济指标) 的不同决定各变量的优化加权因子。 ( 3 ) 良好的协调控制功能。运行中的r m p c t 控制器是使用m v 的调节功 能使c v 保持在设定值上或某一区间内一个控制器含有多个c v 和m v 9 并不 是特定的m v 对应于特定的c v , 而是将控制器中的所有变量看作一个系统，只 要m 矿对c v 有影响，即其对应的子模型非零，当c v 要求调节时，相应的m v 就会按模型的预估输出进行调节因此，无论是关联程度多强的一组m v 和c v , r 珊c r 均能较好地进行控制。 4 r m p c t 的软件组成【1 9 1 ；r m p c f 原理如图3 - 4 所示。r m p c t 软件由六 个部分组成，其中包括： s p 值，s p 范围及理想设定值 图3 - 4r m f c t 软件的基本结构 第三章常减压装置先进控制的开发 数据采集器，采集指定的c v m v 和d v 数据并将它们储存在一个指定的 文件中； 模型辨识器，利用数据采集器产生的文件( 或其他格式的数据) 来识别过 程模型； 控制器建立器，利用过程模型建立控制器： 仿真设施，根据指定的仿真方案在仿真过程上运用控制器； 在线控制器，利用控制器对过程实施在线控制； 在线过程仿真器，利用传递函数表示的予模型模拟一个真实的过程，此模 型可挂在控制器上并当作真实的过程，不管被控制的是一个真实过程或仿真过 程，界面与操作员界面相同。 3 2 3 方案设计 整个设计过程分为系统功能设计、初步设计、装置测试和模型辨识、系统 详细设计等几个主要阶段。 功能设计；主要以稳定操作、安全生产和挖潜增效为原则，根据装置的生 产要求确定产品的质量指标、装置的经济指标、优化产品分布和收率提高幅度、 平稳工艺操作指标及在线显示控制变量的数据和趋势。 初步设计：确定控制对象、控制器大小及相关参数，确定软硬件平台，以 合理选用a p c 软件及版本。 装置阶跃测试和模型辨识：对初步设计确定的参数进行阶跃测试，测试时 应注意参数的阶跃幅度和装置的安全生产，并采集测试所得的数据，然后对数据 进行模型辨识。应注意的是在模型辨识前，必须对测试数据进行分析，以删除不 合理的数据，确保辨识所得模型的准确。 详细设计：是对初步设计的验证和补充，确定好常规控制、中间控制和a p c 之间的内容和关系。其中中间控制层是常减压炉温度支路平衡控制、比值控制、 热负荷控制、非线性液位控制等采用特殊控制算法的或较复杂的控制回路。然后 用r m p c r 的范围控制算法和滚动优化等控制算法，按m i n - m a x 准则优化控制 参数，通过多步预测和多步控制进行多输入多输出控制。以上步骤完成以后，控 制器的设计及软件开发业已完成，先进控制器即可试投，在线调试稳定后即可正 式投入使用。闭 3 2 4 常压塔控制器的功能设计 1 常压塔的热量平，衡【1 1 】 第三章常减压装置先进控制的开发 由于在常压塔内不存在化学反应，物理反映本身并不吸收和产生热量，因 此可以写出如下的热量平衡式( 热损失忽略不计) ： 珐铂f g j 勖+ 锄舷2 聃+ 钿加c o z kc s - 2 ) q o = q m o l c o l t o l + q m z c o z t o z + + 鼋_ m z 艄 ( 3 3 ) q = q o( 3 - 4 ) 其中q 广输入常压塔的总热量； q r _ - 常压塔输出的总热量； q , , a l ，纰，钿旷喵入常压塔流体的质量流量； c 矗，c b ，g 广落入常压塔流体的热焓； 勋，砀，z k 进入常压塔流体的温度； 嘻耐，口j 蝴，铂嘲一常压塔输出流体的质量流量； c 0 ，c 矗，c 。i i 广- 常压塔输出流体的热焓； z 矗，z 幻，z 赢常压塔输出流体的温度 常压塔产品质量的变化主要体现在产品抽出温度和热焓变化上温度的变 化是热量传递过程，热焓的变化是物料传质过程，而控制这些变化的手段多为流 量控制。由于常压塔侧线馏出温度可以在相当程度上反映产品组分的轻重，可以 分析出各侧线流量对各侧线产品质量的影响。这样，根据工艺过程可以确定各个 变量在控制器中的位置，作用以及相互关系。 2 控制目标 常压塔的控制目标主要有：稳定操作；控制常压塔产品质量；提高目标产 品收率：降低能耗。 3 被控变量【2 1 l 阎 根据控制目标，很容易确定常压蒸馏系统的c v 主要为质量指标。在实际 操作中由于不具备使用在线分析仪直接测量质量指标的条件，因此采用控制温度 指标调节产品质量。但产品质量并非是产品抽出温度的单值函数，用温度指标作 为预测模型控制器的被控变量效果不好。所以采用软测量技术获得实时的质量指 标，并作为控制器的被控变量。常压塔控制器的被控变量有初顶油干点、常顶油 干点、常一线闪点、常一线冰点、常一线9 8 点、常二线闪点、常三线9 0 点、 常三线凝固点、过汽化率 4 操作变量 对常压蒸馏系统有影响的可控变量有：初馏塔顶回流、常压塔顶回流、常 压塔顶循回流量、常一中回流量、常二中回流量、常一线温度、常二线温度、常 三线温度、常压炉出口温度。 下面分析这些变量是如何对受控变量起作用的。 第三章常减压装置先进控制的开发 ( 1 ) 常压炉出口温度：常压炉出口温度对于常压塔的控制和质量指标的影 响是最直接也是最大的，它几乎对所有的受控变量都有影响在有条件测得常压 塔过汽化率时，可以把出口温度作为过汽化率的操作变量，在保证产品拔出率的 同时尽可能降低能耗。 ( 2 ) 塔顶回流t 塔顶温度是塔顶油气分压下的露点温度。塔顶分压一定， 塔顶温度升高，油品将变重，反之油品交轻，同时影响到侧线温度和质量。塔顶 温度是通过塔顶回流量进行控制的。当塔顶回流量发生变化时，首先影响到塔顶 温度，并向下影响各个侧线的产品质量。因此，可以通过调节塔顶回流量控制各 个侧线的质量指标 常压塔顶循环回流的作用与常压塔顶回流作用相似，但是常压塔顶循环回 流的热量可以通过换熟来回收，因此，在实际控制过程中，应尽可能多利用常压 塔顶循环回流进行控制，可以达到节能的目的。 ( 3 ) 常压塔中段回流：常一中回流和常二中回流都属于常压塔的中段回流。 它们的主要作用是带走塔内的多余热量，维持全塔热平衡同样，中段回流也能 起到控制产品质量，调节塔顶温度的作用从节能的角度出发，高温位中段回流 的流量越大，装置的热回收率越高。 ( 4 ) 常压塔侧线流量t 常压塔侧线产品的流量不但会影响本侧线和下方侧 线产品的初馏点，本身还体现了产品的收率，它既是常压塔控制器的重要调节手 段也是控制器的控制目标之一，因此是控制其中重要的操作变量 5 干扰交量：对常压塔被控变量有影响的可控变量很多，在设定干扰变量 时要考虑到其独立性和可实施性。对相互关联的变量，只取其中起初始作用的一 个变量作为干扰变量。设计中把常压塔总进料量、常压塔顶压力、初馏塔侧一线 流量、初馏塔侧二线流量、初馏塔顶压力作为干扰变量。 表3 2r m p c t 先进控制器参数表 c 、，m v d v e p l 2 1 7 ( 初顶油干点)f i a 2 1 7 ( 初馏塔顶回流)s u m f e e d ( 常压塔总