（机械电子工程专业论文）常减压装置加热炉物料温度控制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 常减压装置是原油进入炼油厂后必须经过的第一道工序，是炼油厂 的龙头装置。本文就炼油厂常减压装鼍中加热炉物料出口的温度控制问 题进行了探讨，文中介绍了石油的加工过程，分析了加热炉的工艺机理： 给出了加热炉物料出口温度控制的静态优化控制模型；根据加热炉的热 平衡方程，推导出了用于加热炉物料温度控制问题的静态最优化方 法一一分流控制算法。以此算法为核心，结合加热炉的工艺机理阻及实 际中的一些具体情况设计出了常减压装置加热炉物料出口温度计算机 监控系统。经工程试验证明：该系统的数学模型建立正确，优化算法简 捷、有效、实用，接个系统运行稳定、可靠，并具有一定的抗干扰能力。 在炼油装置中，加热炉占总建设费用的1 5 左右，总设备制造费用 的3 0 以上。常减压装置加热炉物料出口温度计算机监控系统是常减压 装置优化控制系统中的一个重要的组成部分。因此，提高加热炉的控制 水平无论从提高产品质量和经济效益上，还是节约能源方面都有十分重 要的意义。 关键词：温度控制：常减压装置；静态优化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r u d eu n i ti st h ef i r s tp r o c e d u r eo ft h eo i lr e f i n e r i n g ，w h i c hi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tu n i ti nt h er e f i n e r y o i lo u t l e tt e m p e r a t u r ec o n t r o lo f f u r n a c ef o rc r u d eu n i ti sd i s c u s s e d p e t r o l e u mp r o c e s s i n gi si n t r o d u c e da n d t h ep r i n c i p l eo ft h ef u r n a c ei sa n a l y z e s t h et h e s i ss e tu pas t a t i cm o d e lo f o p t i m a lc o n t r o lf o ro i lo u t l e tt e m p e r a t u r eo ff u r n a c e ，f r o mt h i sm o d e la n d h e a t e q u i l i b r i u me q u a t i o no ft h ef u r n a c e ，t h eo p t i m a la l g o r i t h m s o fo i l o u t l e tt e m p e r a t u r ec o n t r o lo ff u r n a c ei sd e r i v e d ac o m p u t e r i z e ds u p e r v i s e a n dc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n to fp u t t i n gt h i ss y s t e mi n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g s h o w st h a tt h e p r o p o s e d m a t h e m a t i c a lm o d e li s c o r r e c t ，t h ed e r i v e do p t i m a la l g o r i t h m sa r eh i g he f f i c i e n ta n dt h ew h o l e s y s t e mw o r k s r e l i a b l ea n df r e ef r o mm o d e r a t ei n t e r f e r e n c e t h ef u r n a c ei st a k e nu pa b o u t15 o fg e n e r a lc o n s t r u c t i o nc o s to r m o r et h a no ft h ec o s tt h eg e n e r a le q u i p m e n t si nt h er e f i n e r y su n i t s a sa s u b s y s t e mo fo p t i m i z e dc o n t r o ls y s t e mf o rw h o l ep l a n t ，i t sv e r yi m p o r t a n t t h a tt h el e v e lo ft h ef u r n a c ec o n t r o li st h a ti m p o r t a n tp r o d u c tq u a l i t ya n d e c o n o m i ce f f e c t i v e n e s sa n ds a v i n ge n e r g y k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r e c o n t r o l ；c r u d eu n i t ；a s t a t i cm o d e lo fo p t i m a l c o n t r o i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、背景及意义 本课题来源于生产实践。 随着科学技术的发展，人们对能源的需求日益增加。特别是对石油 产品的需求量成倍的增长。我国是一个人口众多，资源匮乏的国家。随 着大规模的石油开发，石油储量日益减少，开采成本大幅度提高。随着 海湾战事不断，石油这一重要的战略物资日益显出其重要性来。所以， 降低原油炼制成本，提高石油的拔出率降低能源消耗已成为企业的一个 重要考核目标。 大庆石油化工总厂炼油厂年处理能力为2 5 0 万吨，平均日加工量在 7 0 0 0 吨左右，主要产品有汽油、煤油、柴油、润滑油和航空煤油等，产 品合格率一般不低于9 9 ，全装置年平均总拔出率为6 1 ，从恩氏蒸馏 的结果来看，大庆原油的拔出率为6 4 ，因此，充分发挥设备的效力， 进一步提高油品拔出率和产品合格率。将会带来显著的经济效益。 同时，加热炉在炼油厂建设和生产上都占有熏要地位。一般用作炼 厂加热炉的自用燃料约占全厂原油加工量的3 - 8 。在炼油装置中，加热 炉约占总建设费用的1 5 左右，总设备制造费用的3 0 以上。因此，提高 加热炉的控制水平无论从提高产品质量和经济效益上，还是从节约能源 方面考虑都有十分重要的意义。 近年来，随着计算机技术和自动化技术的发展，人们在各项生产实 践中不断摸索、实践用现代技术来提高劳动生产率；改进产品质量；降 低生产成本。将现代控制理论应用于石油化工生j 2 成为企业提高效益， 将成为低成本的突破口。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 常减压装置过程控制技术国内外应用现状 1 2 1 国外应用情况 在石化装置中使用先进的过程控制技术可以提高控制的平稳度，更 好的实现卡边控制，同时能提高生产的灵活性，从而增加企业的经济效 益。自2 0 世纪8 0 年代以来，过程控制技术在国外发展迅速，近百家公司 推出了四百多项先进控制软件，并在装置中得到应用。 比较典型的有美国c o m oo i l 公司s a k a i 炼油厂1 9 8 8 年在其常减压装 置上成功地应用了s e t p o i n t 公司开发的多变量模型预估控制器( m v m p c ) ， 其技术要点是：通过阶跃响应辨识过程模型；产品质量指标是煤油5 点、 9 5 点和轻柴油浊点( 用分析仪表在线检测产品质量) ；产品质量与切割 点( 石脑油煤油，煤油轻柴油，轻柴油重柴油) 之间的模型为关联模 型；操作变量取塔顶温度、煤油抽出景、轻柴油抽出量、重柴油抽出量 和加热炉出口温度。据称经济效益可观，仅需一年就能收回投资。 s e 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，关键技术是推 理模型技术，用于计算产品质量( 5 点、9 5 点或干点) 和其他特性( 黏度、 闪点、浊点等) ，产品特性模型通过辨识得到，产品质量与主要操作变 量的测量值关联，被控变量为产品质量与过汽化率，操作变量为塔顶温 度、塔顶压力、炉出口温度、侧线抽出量、循环回流量和原油进料量。 其他控制包括加热炉分支出口温度平衡控制、汽提蒸汽控制等。在线优 化部分能够优化操作变量的设定值( 其o p t c o m 软件包使用严格过程仿真 器，包括a s p e n 技术) ，该先进控制技术已在1 8 0 多个分馏塔应用，在线 优化技术已在6 个装置上应用，投资回收期不到一年。 a p p l l e da u t o m a t i o n 公司的常压塔控制软件包( a t c p ) ，可在线计算 a s t m 干点、沸点，用于快速和精确的反馈控制，能实施循环回流控制、 加热炉分支出口温度平衡控制，能进行节能优化。其技术已在1 4 个蒸馏 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 塔上应用。 s i g a p o r e r e f i n i n g 公司1 9 9 4 年在其常减压装置上成功地应用了自 行开发的先进控制软件，采用的是关联过程模型和推理控制算法，主要 内容为产品质量控制，包括煤油5 点和9 0 点、煤油闪点、柴油闪点和 柴油凝固点( 用分析仪表在线检测产品质量) ，据报导处理量为1 3 0 0 0 0 桶 天时的经济效益为8 0 0 万美元年。 1 2 2 国内应用情况 国内应用情况尽管比国外落后许多，但国内很多炼油企业对了常减 压装置的过程控制和在线优化进行了研究与应用如： 茂名石化公司第一套常减压装置1 9 9 6 年成功地应用了上海高维系 统优化公司开发的先进控制和优化软件。主要进行了常压炉、减压炉的 支路温度平衡控制。采用带自适应增益因子的s m i t h 预估器控制策略。 被控对象的特性用c a r m a 模型描述：常压塔顶、常压二线和常压三线馏 出口温度控制。采用基于二阶c a r m a 模型的单步预测控制算法；在线优 化，基于化学模式识别理论的多重判别矢量( m d v ) 的在线优化方法。 福建炼油厂常压蒸馏装置1 9 9 6 年成功应用了清华大学的在线优化 技术，主要内容包括稳态优化器的设计和在线优化的实施、常减压炉出 口温度与常压蒸馏轻油收率的在线优化。主要技术包括：严格的稳态机 理模型：以坐标轮换法与直接搜索法相结合的寻优算法：以v a x 3 4 0 0 为 上位机实现在线优化；目标函数包括轻油产品价值、相应的进料成本和 相应的能耗等。 兰州炼油化工总厂常减压装置也是中石化的第一批试点项目，该装 置是一套典型的燃料润滑油型装置，产品种类多，质量要求比较严格。 在装置的初馏塔、常压塔、减压塔和减压炉实施先进控制后，操作控制 水平明显改善，目的产品收率、产品质量稳定性及合格率均有显著提高， 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 据测算年增加经济效益在6 0 0 万元以上。该项目于1 9 9 8 年7 月通过了中石 化鉴定。在先进控制技术的应用中，该厂还自行开发了利用在线仪表测 量值对产品质鼍计算值进行修正的软件，充分发挥了在线产品质量仪表 的作用，提高了计算精度。 1 3 基本情况介绍 所谓自动控制，就是采用控制装置，使被控制的对象( 如机器设备 或生产过程) 自动地按照给定的规律运行，使被控制对象的一个或数个 物理量( 如电压、电流、速度、位置、温度、流量、化学成分等) 能够 在一定的精度范围内，按照给定的规律变化。 在石油化工生产方面生产过程的自动化主要针对六大参数，及温 度、压力、流量、物位、成分和物性等参数的控制问题。工业生产过程 对过程控制主要有三项要求，即安全性、经济性、稳定性。自动控制的 任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础 上，根据上述三项要求，应用控制理论对控制系统进行分析总和，最后 采用适当的技术手段加以实现。 生产过程自动化最早为常规控制，常规控制室把各自独立的控制器 集中在控制室中，实行集中管理。最初使用的控制以表是气动p i d 调节 器，后来发展为气动单元组合仪表，5 0 年代以后，出现电动单元组合仪 表。近2 0 年来，很多工厂引进了集散型控制系统( d c s ) 。由于控制技 术的发展，以及计算给予过程控制的结合，逐步建立起先进控制、过程 优化控制和计算机集成系统的，使流程行业的过程控制进入新的发展阶 段。 取热平衡控制是石油化工过程中一种重要的控制手段，目的在于控 制装簧的热平衡以维持装置的稳定操作。众所周知，热平衡是石油化工 工艺的四大平衡之一，热平衡与其它平衡起决定过程的工艺水平与经 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 济效益。取热平衡控制的原理就是通过调节装置某处的温度、压力以及 流量来保证装置的总焓及其焓分布。 有多路进料的加热炉控制的目标是保证各进料混合后的温度是工 艺所要求的，并是各进料之出口温度尽可能的接近或相同。但工业实践 表明，对于高温位的加热炉，由于炉膛内火力不均匀以及油品结焦与气 化等导致炉管内油品的流动状态与传热不匀，从而使油品局部过热并导 致各支路油品出口温度相差较大，严重者还将导致炉管变形、结焦堵塞 赢至停工，影响设备的使用寿命。 1 4 本课题的主要工作和目标 本课题的主要工作是总结装置现有操作经验的基础上，在理论上探 讨一种新的数学模型，将新的数学模型应用于生产实践，用以指导生产， 使生产过程更趋于平稳，并在提高产品质量的同时，提高原油的拔出率， 降低单位产品的能源消耗。 原油通过蒸馏得到的各馏分油的总和与原油处理量之比叫做总拔 出率。各馏分油包括汽油、煤油、柴油、裂化原料、润滑油原料等( 不 包括减压渣油) 。 原油拔出率与原油的性质有着直接的关系，不同的原油，其拔出率 是不同的。其次，原油蒸馏的技术条件也影响原油拔出率。 本课题的具体目标为：实现全装置产品质量和产量的优化控制，将 总拔出率提高0 5 ，产品馏出合格率高- 于9 9 il l z 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章石油加工基础 2 1 石油加工的基本概念及工艺流程简介 2 1 1 石油的基本性质 石油通常是一种流动或半流动状的粘稠液体。世界各地所产的石油 在外观性质上有不同程度的差别。从颜色看，大部分石油是黑色，也有 暗绿或暗褐色，少数显赤揭、浅黄色，甚至无色。相对密度一般都小于 】，绝大多数石油的相对密度在o 8 0 0 9 8 之间，但也有个别的高达1 0 2 和低到o 7 1 。我国主要油f 日的原油相对密度都在o 8 5 以上。不同石油 的流动性差别也很大，有的石油其5 0 0 c 调运动粘度为1 4 6 毫米2 秒， 有的却高达2 0 0 0 0 毫米2 秒。许多石油都有程度不同的臭味，这是因 为含有硫化物的缘故。石油外观性质的差异反映了其化学组成的不同。 2 1 2 石油加工初步 在炼油厂旱，石油加工的第步是初馏初步的分馏。石油是一 个多组分的复杂混合物每个组分有其各自不同的沸点。分馏就是按照 组分沸点的差别，使混合物得以分离的方法在加热时，通常是把石油 “切割”成几个“馏分”。例如分成 2 0 0 ”c 的馏分、2 0 0 3 0 0 “c 的馏分 等等。“馏分”意即蒸馏出的部分，它还是一个混合物，只不过包含的 组分数目比原油少多了。 馏分常冠以汽油、煤油、柴油、润滑油等石油产品的名称但必须 区别，馏分并不就是石油产品，石油产品要满足油品规格的要求，还必 须将馏分进行进一步加工，才能变成石油产品。同一沸点范围的馏分也 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可以因目的不同而加工成不同产品，例加航空煤油( 1 5 0 一2 8 0 。c ) ；灯用 煤油( 2 0 0 3 0 0 “c ) ，以及轻柴油( 2 0 0 2 5 0 “c ) 都包含着一段2 0 0 一2 8 0 “c 的 共同馏分范围。减压塔馏出的馏分既可加工成润滑油产品，也可作为催 化裂化原料油。为了统一称呼，称 5 0 0 。c 称为渣油。 石油炼制( 简称炼油) 就是以原油为基本原料，通过一系列炼制工艺 ( 或过程) ，例如常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、延迟焦化、炼厂气 加工及产品精制等，把原油加工成各种石油产品如各种牌号的汽油、 煤油、柴油、润滑油、溶剂油、重油、蜡油、沥清和石油焦，以及生产 各种石油化工基本原料。 原油通过常减压蒸馏可分割成汽油、煤油、( 轻) 柴油等轻质馏分油。 各种润滑油馏分、裂化原料( 即减压馏分油或蜡油) 等重质馏分油及减压 渣油。其中除渣油外其余又叫直馏馏分油。从我国主要油阳的原油中可 获得2 0 3 0 的轻质馏分油，4 0 6 0 的直馏馏分油，个别原油可达8 0 9 0 。 从原油中直接得到的轻馏分是有限的，是满足不了国民经济对轻质 油品的需求的。因此实际中是将重馏分和渣油进行进一步的加工，即重 质油的轻质化，以得到更多的轻质油品。通常将常减压蒸馏称为原油的 一次加工过程，而将以轻馏分改质与重馏分和渣油的轻质化为主的加工 过程称为二次加工过程。 属于石蜡基原油的大庆原油，其减压馏分油是催化裂化的好原料， 更是生产润滑油的好原料，用其生产的润滑油质量好，收率高，同时得 到的石蜡质量也很好。但是由于大庆原油中含胶质和沥清质较少，用其 减压渣油很难制得高质量的沥清产品。因此大庆这类原油首先考虑生产 润滑油和石蜡，同时生产一部分轻质燃料。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 根据原油性质不同，炼制采用的工艺方案不同，生产的主要方向有 所区别。所以，一般石油炼制工艺分为燃料型、燃料一化工型、燃料澜一 滑油型、燃料一润滑油一化工型四大类。大庆石油化工总厂炼油厂以大庆 原油为主要原料。所以，其炼油工艺方案考虑的是燃料一润滑油型。其 工艺流程见图2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 警 r _ 图2 1 燃料一润滑油型 嚣嚷q 舟l 耋 ohl：，l 11o， _“，； ：_1 ii。，。111 ，_；“；：， 。1 ji|： ， $日，i【 ； lc；*， 参兰蟊，il； #*#|11 *口， _ii?ill 一日 凄 掣r 一：叫 ，一驾 i 1_j； 苎 一 。1ld 卜i十，一_孝蔓叫 一 ，鼍糕蔷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 常减压装置工艺简介 2 2 1 蒸馏原理 蒸馏是通过加热、汽化、分馏、冷凝和冷却等过程将液体混合物分 离成一定纯度的组分的方法。它是按液体混合物中所含组分的沸点或蒸 汽压不同而实现分离的一种加工手段。液体混合物中各组分沸点不同， 加热时低沸点组分优先于高沸点组分而大量汽化。因此，蒸汽中含有较 多的低沸点组分，丽剩余的混合液中含有较多的高沸点组分。原油通常 经加热炉和分馏塔进行多次部分汽化和部分冷凝，使汽液两相进行充分 的热量交换和质量交换，使沸点不同的组分得以充分的分离。这个过程 即称为精馏。生产中通过精馏将原油按沸点范围分成几个馏分，这种生 产过程叫原油的蒸馏。 一般原油的蒸馏在常压下进行。即蒸馏的压力和大气压相同，这种 蒸馏塔称为常压塔。在常压条件下主要可以分割出沸点较低的馏分，如 汽油、煤油和柴油等。常压蒸馏剩下的重油组分分子量大、沸点高、且 在高温下易分解，使馏出的油品变质并生成焦炭，破坏正常生产。因此， 为了提取更多的轻质组分，往往通过降低蒸馏压力，使被蒸馏的原料油 拂点范围降低。这一在减压下进行的蒸馏过程叫减压蒸馏。 2 2 2 常减压装置 常减压蒸馏是原油进入炼油厂后必须经过的第一道工序。原油的第 一个加工装置就是蒸馏装置。借助于蒸馏过程可以将原油分割成相应 的汽油、煤油、柴油等燃料。还可以得到供其它炼油装置加工的原料。 常咸压蒸馏也称为原油的一次加工。常减压蒸馏得到的成品和半成品叫 做直馏产品。常减压蒸馏装置在炼油厂占有重要地位，被称为炼油厂的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 龙头。 常减压装置是由初馏塔、常压炉、常压塔、减压炉和减压塔等主要 设备所组成，其工艺流程见图2 2 所示。该装置以生产润滑油为主要加 工方案。 原油经脱盐后首先进入初馏塔，一部分从塔顶出去，经处理后产生 气油。从初馏塔底得到的油叫拔项油。用泵将其送人常压炉并加热到 3 6 0 3 7 0 ”c 后进入常压塔。自塔顶分出的油汽，经换热、冷凝和冷却至 3 0 一4 0 。c ，其中一部分作塔顶回流，一部分作汽油产品；侧线则馏出煤 油、柴油等。一般中部设1 2 个中段回流。 常压塔底重油温度约3 5 0 ”c 。用热油泵将其抽出送到减压炉，加热至 4 1 0 。c 左右再送人减压塔。减压塔顶用蒸汽喷射泵抽真空，使塔顶保持约 4 0i n m 汞柱的残压，即塔顶真空度约为7 2 0m t l 汞校。通常减压塔除塔顶 回流外，还设中段回流。减压侧线的馏出物以及塔底渣油均作为其它装 置( 如催化裂化、焦化等) 产品的原料。这种将一次加工得到的馏分再加 工变成产品的工艺叫二次加工或深度加工。 原油中所含的轻质油品是有限的。如前所述，我国主要油f ；同的原油 中含汽油、煤油、柴油等轻质油品的量一般为2 0 3 0 。为了蒸出更多 的馏分油作为二次加工的原料，原油的常压蒸馏和减压蒸馏一般是联接 在一起而构成常减压蒸馏。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 常减压装景流程图 缸 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 加热炉简介 为了把原油加热到一定的温度，使油品气化或为油品进行反应提供 足够的热量和反应空间，都需采用加热设备，常用的是管式加热炉。 管式加热炉是炼油厂主要的工艺设备之一，其作用是将油料( 求其 它介质) 加热至工艺所需要的温度。加热炉所用燃料一般是炼厂气或燃 料油。 管式加热炉一般由三个主要部分组成：辐射室、对流室及烟囱，图 是一典型的圆筒炉示意图图2 3 。 管式炉四周有炉墙( 由耐火层、保温层等组成) ，里面排有炉管，原 料油或油品从对流室的炉管( 称对流管) 进入，经辐射室的炉管( 辐射管) 加热到要求的温度后离开炉子。燃料油和( 或) 燃料气在炉膛罩燃烧，以 辐射方式直接加热原料油。燃烧产生的高温烟气进入对流室，以对流方 式把热量信给原料，最后从烟囱中排出。在加热炉罩7 0 - 8 0 的加热任 务是在辐射室罩完成的。对流室除用以加热油品以外，有时还有部分沪 管用来生产过热蒸汽供装置内用。 加热炉在炼油厂建设和生产上都占有重要地位。一般用作炼厂加热 炉的自用燃料约占全厂原油加工量的3 8 。在炼油装罱中，加热炉约占 总建设费用的1 5 左右，总设备制造费用的3 0 以上。 加热炉作为整个常减压装簧的组成部分之一，它工作的f 常与否以 及控制质量的好坏，将直接影响全局优化控制的优劣。以往，m 于对整 个装置控制的水平要求不很高，因此对加热炉控制的要求也比较低。但 随着优化技术在生产过程控制中的应用，对加热炉的控制水平也提出了 更高的要求。如何从理论上和实践上实现对加热炉的高质量控制已成为 急待解决的问题。 加热炉在实际使用过程中，常因炉常温度不均匀等因素影响，而使 哈尔滨工程大学硕十学位论文 四路分支出口温度不均匀，有时甚至很大，如工艺要求不均衡程度，即 分支中最高温度与最低温度之差一股不应超过2 5 c ，而实际上这一指 标很难达到，图2 4 和图2 5 两炉在某段时间内的实际温度曲线，从图中 可以看出，两炉的分支出口平均温度极差均超过5 ，由于装置的控制 方案中没有温度均衡控制环节，实际操作中，主要是靠操作人员根掘分 支出口温度极差情况，手动调整炉堂温度以期达到均衡。但这种调节不 仅粗糙，而且也不及时，远远不能满足控制指标的要求，更不能使全装 置优化控制系统达到预期目标。为此，工厂提出了加热炉分支出口温度 均衡控制的要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 加热炉结构简图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 常压炉控制趋势圈 图2 4 常压炉分支出口温度曲线 壤鞲1 妒控斜魑势髓 糍蠡黧薹7 麓翼：嚣嚣羔露：囊薹麟埔i 簟韩 6 伯， 帕b 1 1p l 西z ，o 一3 3 2 4 本章小结 图2 5 减压炉分支出口温度曲线 本章介绍了石油加工的过程和基本原理，特别起常减压装置的工艺 流程和加热炉的结构作了较详细的介绍。对课题中涉及到的一些问题进 1 6 哈尔滨 = 程大学硕+ 学位论文 簟_ i 宣i i i 覃i i 置宣- _ _ i i i i i i i 宣宣薯i i i 了简单的阐述。 哈尔滨一i ：程火学硕士学位论文 第3 章加热炉优化控制原理及技术分析 3 1 实现加热炉出口温度均衡的技术分析 加热炉支路平衡控制的目的是基本达到各胶物料的出口温度尽可 能的接近或相同。从加热炉的工作原理上来看，加热炉的支路平衡控制 可分为两类；第一类通过调节各支路的进料流量使各股进料的出口温度 接近，而出口混合后温度仍然由炉的燃料流量控制。另一类则保持各支 路进料流量不变而通过调节各路燃气流量来达到各支路原料油出口温 度接近的目的。 目前。加热炉支路平衡控制通常采用的方法是在保证加热炉总迸料 不变的条件下，以温度均衡为原则通过重新分配支路流量，使支路出 门温度的极差最小，从而提高操作的平稳性，延长炉瞥的使用寿命。同 时，根据人工输入的处理量的目标值，在支路流量有调节余地的条件下， 按照一定的算法逐步提高总进料量，使其最终达到目标值。 在石油化工生产过程中，除常压塔、减压塔的加热炉，其他如乙烯 裂解等依靠燃料直接加热为热源的工艺，支路平衡均有广泛的应用价 值。 3 1 1 加热炉出口温度指标及要求 工艺要求加热炉支路温度控制达到以下三个方面： 1 支路出口温度尽可能均衡，且最大温度极差能控制在下面的 指标范围内： 常压炉牛5 ： 减压炉牛2 ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 在微调各支流量时，要保证总进料量不发生改变； 3 调节过程中，不能使总出口温度产生过大的波动。 3 1 2 加热炉出口温度均衡控制方案分析 从工艺对温度均衡控制的要求来看，这是一个以最小温差为目标， 以总流量不变为约束条件的优化控制问题。从调节手段来看，可以采用 的方式有调节燃烧器燃料的量，使炉堂各处的温度达到比较均匀的情况 下，再微调各支路进料量，直到均匀为止。这样可能是最好的调节方案。 但原装置上各燃烧器的燃料量没有自动调节环节因此，仅能用微调进 料量的方法来实现加热炉出口温度均衡控制。 本方案采用由计算机依据分支出口温度极差的情况计算出能使分 支出口温度均衡的迸料量，然后将这一控制量送给分支进料流量调节器 的外给定上，构成s p c 计算机监督优化控制系统。本课题的任务就是用 现代控制理论的观点、方法，在充分分析加热炉工艺机理的基础上，运 用计算机控制技术设计出计算机优化控制算法并给予工程实现。 3 2 优化控制原理 四十年代建立起来的控制理论，称之为古典控制理论。由于它仅限 于线性非时变的单输入一单输出系统，因此，六十年代初期诞生了现代 控制理论，它是以贝尔曼的动态规划，庞特罩雅会的最大值原理和卡尔 曼的滤波方法为基础，立足于状态变量法，研究复杂的系统，要求系统 达到最优的指标。随着生产技术的发展，系统的复杂性日益增加，特别 是在石油化工过程控制中，对控制理论提出了更高的要求，从而出现了 智能控制等系统和相应的理论。同时，计算机技术的发展也为控制理论 在工业过程控制的应用提供了极有效的手段。目前，计算机在工业过程 哈尔滨一脚翟大学硕十学位论文 控制中应用的主要类型有：顺序控制系统、直接数字控制( d d c ) 系统、 计算机监督控制系统和递阶控制系统。这些技术的应用极大地提高了工 业自动化水平。 3 2 1 优化控制问题川8 所谓优化控制问题，是当控制作用或工艺参数在定的约束条件 下，从已给定的初始状态出发来确定控制作用的数值或函数式，使目标 函数达到极大值( 或极小值) 。优化控制理论在石油化工过程控制中的应 用，一般归结为下面两个命题： 1 为保证工艺过程中的某个指标处于最优状态，决定有关控制手段 的最优设定值，即静态优化控制，它是一个寻找生产过程中的最优工况 问题。 2 设计一个最优控制器，以满足一个控制系统特定的最优指标，这 类最优指标往往反应了控制系统的动态精度，因此称为动态优化控制。 3 ，21 1 静态优化控制 静态优化控制是石油化工过程中应用较为广泛的一种优化控制方 式，带有最优目标函数的设定值控制( s c c ) 就是一种静态优化控制方法。 静态优化控制的命题是按照对象的静态数学模型： j _ f ( u l ，u 2 ，m l ，m 2 ，)( 3 1 ) 式巾j 一目标甬数： u 一控制变量； m 扰动变萤。 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 及约束条件： g k ( u l ，u 2 ，) = 0 ，k = i ，2 ，k ( 3 2 ) 由表征工况的扰动变量m ，在约束条件下，求解控制变罱u 的最优值 u ，以保证目标函数j 处于最佳的极值( 极大值或极小值) 。由于上式是对 象的静态方程，因此，它仅描述了对象在稳定工况下各参数的关系。求 解这类命题的方法主要有解析法和搜索法两种方法，前者需要建立一个 静念数学模型，然后运用条件极值的方法求解，如l a g r a n g e 乘数法。后 者则可以通过在线搜索的方法寻找最优工况，如爬山法等。另外，数学 规划也是实现静态优化的重要方法。 3 2 1 2 动态优化控制 动念优化控制是以过程的动态模型为依据，按照对控制系统的要 求，选择。个袭征过程动念性能的指标作为目标函数，在特定的约束条 件下，求解使目标函数为极大值( 或极小值) 所必须的控制变量轨迹。 设一过程的状态方程为 设初始状态为 设控制作用的约束条件为 x ( t 0 ) = x 0 u u c r r 在终端时刻t = t f 时，状态向量要求满足 2 1 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目标函数为 式中x = x 1 为n 维欧式空间； u = u lu 2 式空问； g t x ( t f ) ，t f 】_ 0 j = g x ( t f ) ，t f 】+ x 2 x n t ( 3 6 ) ( 3 7 ) r n u r t为r 1 控制向量，即u r r ，r r 为r 维欧 u 为u ( t ) 的控制域，是r r 中的某个给定的子集： f = f 1f 2 f n t为l - i x l 函数向量，f 对于x 和u 是连续的， 且对x 是可微的： g 足p x 函数向量1 p n 。 要求在容许控制作用( 式2 5 ) 中，找出满足式3 3 ，式3 4 及式3 6 ， 使目标函数式3 7 为极大值( 或极小值) 的控制作用u ( t ) 。u ( t ) 即是最 优控制作用。用u ( t ) 代入式3 3 ，则满足初始条件式3 4 和终端条件式 3 6 的解，称为最优轨迹x ( t ) 。 式3 6 的关系，确定了r n 空间中的一个集合，称为目标集合，它意 味菥对控制的最终要求，即为要求把系统从初始状态转移到满足式3 6 的终端状态去。它表示了对n 个状态变量x i ( t f ) 的p 个要求。 只标函数一般是根据各种t 程问题的不同要求提出的。如要求整个控 制过程的时间最短，可取式3 7 中 则有 g = 0 妒= 1 哈尔浜j 二程人学硕十学位论文 j = ( f f - t o 、 这种控制就称为时间最短控制。 如要求燃料最节省或能量消耗最少的这样一类问题，可取 g = 0 ，妒= lu ( t 11kk = 1 或k = 2 ， 总之，最优控制问题，就是在容许控制作用中，选择一组最优控制 作用u ( t ) ，使被控系统从初始状态式3 4 转移到终端时刻为t f 时，满足 式3 6 条件的终端状态x ( t f ) ，并使目标函数j 为极大或极小。 在最优控制系统中，目标函数是状态向量和控制向量的函数，即是 一个泛函数。所以，动态最优化问题，就是泛函数求极值问题。其经典 的解法是变分法。这种方法是由目标函数的一次变分求出泛函取极值的 必要条件，即欧拉一拉格朗日( e u l e r l a g r a n g e ) 微分方程：由目标函数 的二次变分求出泛函( 取极值) 的充分条件。但是，经典变分法在解最优 摔制问题时，有较大的局限性。因为它规定最优控制作用是无约束的， 即在某一个开域取值。但在实际工程问题中，最优控制作用却常常是有 约束的，是属于某一个闭域。庞特罩雅会( l s p o n t r y a g in ) 的极小值原 理，弥补了经典变分法的这个缺陷，使实际最优控制问题的求解变为可 能。动态规划方法是从离散系统出发，解决了经典变分法存在的问题， 它在最优控制中也有广泛的应用。但实际的工程系统往往比较复杂，用 解析的方法束寻找最优控制作用常常是不可能的，而必须应用适合计算 机汁算的数值方法柬求解。寻找动态最优控制作用的数值方法可分为两 类：一类称为间接法，是从最优控制作用所要满足的必要条件出发，寻 找满足必要条件的解。从这样的解中，根据问题的实际意义或充分条件 找出最优控制变量。 另一类方法称为直接法，它是从已得到的控制向量u ( t ) 出发，直接 根据目标函数值j ( u ) 变化的性质以及前面寻找向量过程中得到的信息 米构造出一新的控制向量值。这样重复进行，【叮以得到一。个控制序列 哈尔滨t 稃火学硕十学忙论文 t l ： l l ( 0 ) ，u ( 1 ) ，u ( k ) ，希望这个序列能使j ( u ) 收敛( 即使j ( u ) 为极大值或极小值) ，这时称为最优控制序列，它是在静态最优化数值 方法的基础上改进得到的，如梯度法、共轭梯度法、二阶变分法等均属 于这一类。 3 3 数学模型和参数估计 3 3 1 数学模型 用于控制的数学模型是一个过程的输入向量、状态向量与输出向量 之问的数学描述式。如果仅考虑静态工况下这些向量之问的关系，即为 静态数学模型。而动念模型是表示在稳定工况下输出向量在输入向量作 用下的响应。 建立数学模型的方法主要有分析法、实验测试法和混合法三种。分 机法是通过对生产过程的工艺机理分析，以物料平衡、能量平衡和化学 反应动力学为基础，建立对象的机理模型。实验测试法是通过改变过程 的输入参数，同时记录相应的输出参数，由输出参数与输入参数通过数 据建立对象的测试模型，这一过程称为系统辩识。混合法是前两种方法 的综合，是由工艺机理分析建立一个机理模型然后在此基础上通过测 试水修i i i 和简化模型。 3 3 2 参数估计及其基本方法 在模型机构确定之后，由测试或观察数据来确定方程式中的参数的 问题，称为参数估计。 方程的类型不同，参数的估计方法也不完全一样。最常用的是下面 的代数力程组模型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z = h o + v( 3 8 ) 式中z = z l z 2 1a l i口i2 h = 口l 口2 口= 口1 8 2 v = v 1 v 2 型 z m 】t，m 维输出向量： ：”l 口一m i ，m n 矩阵，元素a 为量测变量 口n t ，n 维待定参数向量： v m t ，m 维随机干扰向量。 参数估计的任务，是在已知z 和 | 之后，求取口的估计值臼，以建立模 z ：h 占。0 式中，臼为目的估计值，0 为残差。要求使某种误差函数为最小值。 因此，参数估计也是一个最优化问题。 参数估计的基本方法主要有：最小二乘估计、贝叶斯( b a y e s ) 估计、 极大似然估计和线性最小方差估计。估计的算法又分为非递推的和递推 的两类。非递推算法是在搜索到全部数据后，一次求出口；递推算法是 随着数据的积累，由初始值口o 丌始，进而到口1 ，最后得到口m。递 卡f ? 竹泣：的优点足便于计算机在线进行。在卜述的四种经典算法中，最常 用的是最小二二乘法。 3 3 2 1 最小二乘估计( l s l e a s ts q u ar e s ) 对于模型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z ：h 曰。j 最小二乘估计是使二次型指标 j ( 目) = 2 ( z h 0 ) tr t ( z h 0 ) 成为最小值。 如果最小二乘估计量臼m 存在，则有 0 j ( 曰) a 6 1 0 = e | x ：0 由此可得到最小二乘估计值口”为 ；p h t r 1 z p = ( h t r 1 h ) ，1 以上各式中的r - 1 是权系数矩阵，用以对各个参数的误差乘积 占- 。，作加权处理，它是一个对称矩阵，n r ：i 时，就是基本最小二乘法。 3 3 2 2 1 , b - - 乘递推算法( r l s r e c u r s iv el e a s ts q u a r e s ) 实际使用中，为了能够进行在线辩识，往往采用递推算法。最小二 乘递推算法是在最小二乘法的基础上推导得出的，递推算法如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 只+ ，= 吼十k k + - ( 五+ 一吼) ( 3 9 ) k 。= r + n i d 只。= 只+ p , h x + ( 。+ + 。只 ：+ 1 ) h k + 1 只 式( 3 9 ) 的意义是：新估值= i h 估值+ 校i f 因子 预报误差。 3 3 2 3 自适应算法一指数加权最, j 、- - 乘递推算法 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 当模型参数随时间变化时，随着量测数据的增加，用普通最小 二乘估计参数的误差往往变大，这是因为新数据被旧数据淹没所致。 为了体现过程的时变性，应强调新近数据的作用，而渐渐遗忘陈旧 数掘的影响，这就是加权最小二乘法的思想。 对于模型 z = h0 + v 法 l 在性能指标j ( 口) = 2 ( z h o ) tr - l ( z h a ) 中，令 r 一= o 0丑一+ 则t ，l = 将虬代入最小二乘递推算法q - , 即得到指数加权最小_ _ 乘递推算 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 幺+ l = 0 k + k ( z 一h k + l 吼) k 。= & + 。 ；+ 。( a + h k + 只 ：j ) 。 + 只】 式中八称为遗忘因子，0 l ，当0 j 约束条件：擎5 包 ( ： ) l t i t ii j ( 4 7 4 ) g i l g i 、 b 则取y n 1 式中y n 为本次输入信号； y n - l 为前一次输入信号： b 为给定值。它的选取通常是按照输入信号最大可能的变化速度v y 4 8 哈尔滨工程大学硕+ 学 j l ：论文 及采样周期t s 来决定，即b = v yx t s 。 5 3 2 一阶滞后滤波 这种滤波主要是用来消除测量噪声，它是用计算机的算式来实现动 态r c 滤波，其算法为： y n = b y n - 1 + n 一1 3 ) x n 式中y n 为本次滤波输出值 y n 一1 为前一次滤波输出值 x n 为本次采样值 b 为滤波系数o b 1 5 4 控制功能的实现 本控制系统的核心是分流控制算法，在应用这两种算法时应考虑下 面几个主要问题： 5 4 1 回控周期 由于过程最优化模型是静态的，所以它只适于生产比较平稳时的工 况，当计算机改变第一级控制回路中调节器的给定值时，系统由原来的 给定值过渡到新的给定值需要一个过渡时间，因此，最优化计算的周期 即回控周期应大于过渡时间。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 4 2 输出限幅 1 输出增量限幅 在分流控制算法中，计算结果是以增量形式表示的，即 a g , = g 一g ? = w f ，g o g f 工艺操作中要求分支进料量的改变量每次不应超过2 吨小 时，因此，应对增量值g i 限幅，同时要保证g i = o ，实现输出 增量限幅的方法是在输出前，检验各增量g i 是否超过限幅定值 g m a x ，如超过，则按下式进行修