SINOPEC APC December 2007.ppt

1、加快实施先进过程控制(APC)节能减排优化生产,刘裔安 中国石油化工股份有限公司总裁办公室高级顾问 美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学化工系讲席教授,2,报告重点:,1. 先进过程控制 (Advanced Process Control; APC) 的介绍 2. 应用APC的成功实例 3. APC效益的来源 4. APC项目的执行 5. 持续获取APC经济效益的周期性分析 6. 企业成功应用 APC的关键因素:领导支持，人才， 工具与策略 7. 结论,3,1. 先进过程控制 (Advanced Process Control; APC)的介绍,4,过程变量:自变量与因变量,自变量是不受过程中其它变

2、量影响，能自由变化的过程变量。 2. 自变量包括两种类型： 操作变量 (MV) 装置操作工能调节的变量 常规控制器的设定值 （*.SP） 控制阀阀位 (*.VP) 前馈/干扰变量(FF / DV) 能影响过程但不能直接调节的变量 例如：无控制的进料压力或随天气改变的冷却水温度,5,多变量动态模型预估： 因变量,1.因变量能够完全用自变量变化来描述的过程变量 2.因变量包括控制变量(CV) (*.PV) 维持在设定值 维持在上下限值之间 3.许多过程变量是因变量, 但未必被选为控制变量,6,例子:蒸馏塔变量,T,全塔压降,再沸器热负荷,侧线采出温度,侧线产品组成,侧线产品流量,塔顶产品流量,F,

3、冷凝器压降,塔顶压力阀位,T,P,塔顶温度,塔顶压力,95%,回流,进料温度,回流罐液位,DP,BTU,A,T,L,F,F,进料,F,塔底流量,L,MV(操作变量),FF(前馈变量),CV(控制变量),7,控制律(PID),过程,给定值,仪表测量,控制变量(CV),误差,操作变量(MV),干扰变量 (DV),常规控制,前馈变量 (FF),工艺计算,化验室数据,先进控制单元,CV,MV,流量、压力、温度等,在线分析仪,基本回路及仪表,CV,先进控制,变量约束范围设置,流程模拟,DV FF,对APC的认识,1. APC的投用降低了操作工的劳动强度； 是不知疲倦的高级操作员。,2. 比喻：单回路控制

4、就像一群羊，APC就像牧羊人。单回路操作，变为系统操作。 3. APC提供一个增产、增效的控制平台。 4. 从操作的角度讲，先进控制与常规控制的最大不同是常规控制多是给定点控制，而先进控制是变量约束范围(上下限值)控制，操作员的任务是设置CV和MV的约束范围，而很少是CV的给定点。,对APC的认识,5.从控制角度讲，只要CV在约束范围内，且预测值表明，在不远的未来也没有超界的可能，则控制器的动作会很小或甚至没有，以避免频繁调整或不必要的操作调整，提高了装置操作的平稳性。这点单回路常规控制无法做到。 6. 如果某MV没有自由度时（无调节余地），先进控制(多变量控制器)可以用其它的MV进行调整；而

5、采用常规控制时，若某个变量饱和，经常得降低进料量，这样就影响了装置的经济效益。,11,2. 先进过程控制(APC) 应用的成功实例,12,例1. 连续重整: Flint Hill Resources, Corpus Christi, Texas(2005年9月美国艾斯本公司用户大会报告),H1,R1,H2,H3,H4,R2,R3,R4,Separators,氢气,Depentanizer,C5-,Platformate Splitter,Toluene Column,Xylene Column,Gasoline Splitter,苯,甲苯,二甲苯,气油,LCO,处理后的石脑油,甲苯转化率,再生

6、器,进料流量,13,连续重整应用先进控制操作优化的目的,1. 进料流量增加到装置的上限 甲苯转化率的平稳控制在下限值 2. 加热炉的热负荷增加到装置的上限 燃气流量上限 空气流量上限 氧气流量上限 3. 保持各分馏产品的纯度平稳不变,14,Flint Hill Resources, Corpus Christi, Texas(2005 年9月),连续重整装置甲苯转化率(Conversion)的平稳控制,15,Flint Hill Resources, Corpus Christi, Texas(2005 年9月),连续重整装置的进料(Total Feed)增加后 甲苯转化率(Conversio

7、n)的平稳控制,16,连续重整装置应用先进控制效益,连续重整装置的进料每年可增加164,250桶(22,350吨) 甲苯转化率平稳控制在下限值,平均变化值从 0.4-0.5% 降到0.1-0.2% 加热炉的热负荷平稳的控制在上限值 在进料组成，反应器和加热炉温度改变的干扰下，能够持续平稳的控制,17,例2.九江分公司重整/芳烃装置先进控制,1. 重整装置由原料预处理和重整两部分组成，装置处理能力30万吨/年。装置以HK-180直馏汽油为原料，在双金属重整催化剂的作用下生产芳烃原料或汽油，副产品为氢气和液态烃。,18,九江分公司重整/芳烃装置先进控制,2. 芳烃装置由抽提和精馏两部分组成，设计加

8、工能力为10万吨/年，以生产BTX产品为主，但未随重整装置扩能进行相应的改造，两装置存在处理能力不匹配的现象。,19,九江分公司重整/芳烃装置先进控制,3. 项目目标 控制变量的投用率不低于90%； 平稳操作，主要工艺参数被动偏差减少20-50%； 提高芳烃抽提原料中的BTX含量； 协调重整装置与芳烃抽提装置间的物料平衡关系； 节能降耗.,20,投运效果,1.操作平稳度提高 先进控制器的首要任务就是充分利用其模型预测和多变量协调的特点，保证装置的平稳操作。先进控制器投用后，各重要CV的波动明显减小，大大减少人工干预。 2.提高产品质量 控制器投用以后，降低了芳烃抽提原料中的芳烃浓度波动，在满足

9、工艺条件的前提下提高芳烃抽提原料中的BTX含量，为芳烃抽提的优化操作提供了基础。 3.节能降耗 在工艺范围内卡下限控制，能够极大地降低能耗物耗。,21,投运效果 提高产品质量,22,投运效果 - 节能降耗,23,齐鲁胜利炼油厂先进控制系统的效益,效益数据来源：齐鲁胜利炼油厂信息所标定结果,投资回收期一年,24,炼油厂APC效益估算,来源: William M. Canney, “The Future of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas Journal, April 21, 2003.,25,例3. 齐

10、鲁石化(HDPE)装置APC投用前后, 氢气控制平稳度比较,26,例3. 齐鲁石化(HDPE)装置APC投用前后熔融指数波动幅度减少28%,27,例3. 齐鲁石化(HDPE)装置APC投用前后密度波动幅度减少26%,28,实施APC的各种效益,提高加工 能力30%,改善控制 性能20%,提高回收率15%,提高装置生产平稳与安全性15%,产品质量提高10%,降低能耗10%,来源: William M. Canney, “The Future of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas Journal, Apri

11、l 21, 2003.,29,3. APC效益的来源,30,上限值,目标值,= 利润,APC减 少波动,减少波动卡边平稳操作,无APC,操作范围,APC效益的来源:(1)模型预估,1. 减少关键控制变量的波动变化至少30%: 产品质量改进 多生产高价值的产品 保持装置的平稳操作,31,MV1,MV2,CV1,-,CV1,MV1,MV2,响应曲线,阶跃变化,(0.2),(0.1),0,0.1,0.2,稳态增益: 0.170,-,到达稳态时间,多变量动态模型预估：单位阶跃测试(Unit-Step Test)的响应曲线与到达稳态时间,MV1,CV1,APC效益的来源: (1)模型预估 多变量动态模型

12、预估,并按测量值反馈在线校正,使控制变量误差最小化,32,例子:蒸馏塔变量,T,全塔压降,再沸器热负荷,侧线采出温度,侧线产品组成,侧线产品流量,塔顶产品流量,F,冷凝器压降,塔顶压力阀位,T,P,塔顶温度,塔顶压力,95%,回流,进料温度,回流罐液位,DP,BTU,A,T,L,F,F,进料,F,塔底流量,L,MV(操作变量),FF(前馈变量),CV(控制变量),33,多变量动态模型： 蒸馏塔 (5 个操作变量, 7个控制变量和 2 个前馈变量),34,APC效益的来源(1)多变量动态模型预估,并按测量值反馈在线校正,使控制变量误差最小化,2个自变量 热负荷 (Q) 进料温度 (Tinlet)

13、 1个因变量 加热炉出口温度 (COT),Q,Tinlet,COT,加热炉的例子,35,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,649.5,650,650.5,651,651.5,652,652.5,650,650,650,650.5,651,651.5,652,652,652,652,652,652,0,1,2,3,4,5,6,0,1,3,4,5,5,COT,Tin,+1,0,0.5,1,1.5,2,2.5,0,0.5,1,1.5,2,2,Q to COT,Tinlet to COT,T,加热炉单位阶跃测试的响应曲线,36,695,700,705,710,695,700,705,

14、710,初始预估,预估值更新,695,700,705,710,按测量值反馈在线校正,当前时间,12:01,当前测量值,移动更新的预估值到测量值,预估的例子: 12:00 to 12:01,37,在12：01的预估值,更新的预估值,695,700,705,710,按测量值反馈在线校正(APC鲁棒性的来源),12:01,实际的过程,690,695,700,705,690,695,700,705,12:02,移动更新的预估值到测量值,当前测量值,当前时间,预估的例子: 12:01 to 12:02,38,真实经济效益最优操作范围,控制阀阀位,操作温度,压缩机速率,全塔压降,操作压力,产品纯度,操作工

15、喜欢的操作区域,操作变量与控制变量在约束上下限内选择经济效益最大的稳态优化操作区域,APC效益的来源: (2)稳态优化,39,控制变量动态误差最小化: 控制变量误差与操作变量调节量大小的优化 (维持相同的控制变量稳态目标值),99,100,101,102,103,104,105,0,5,10,15,CV,MV,操作变量下限,操作变量调节量大使控制变量误差最小 或 操作变量调节量小使控制变量误差最大,APC效益的来源: (3)动态控制,40,APC效益的来源: (3)动态控制,根据动态过程模型求解控制方案 APC调整严格算出操作变量每一步应有的调整值,-4,-4,-2,+4,+2,-4,-2,+

16、1,tss/2,到达稳态时间(tss),41,通用APC系统,1. RMPCT(Robust Multivariable Predictive Control Technology ，鲁棒性多变量预估控制技术) ，Honeywell, Inc. 2. DMCplus (Dynamic Matrix Control Plus,动态矩阵控制) 和Aspen Apollo(非线性模型预估控制)，Aspen Technology,Inc. 3. SMOC (Shell Multivariable Optimizing Control,壳牌多变量优化控制器),Shell Global Solution,

17、Inc.,42,经济效益优化：操作变量的操作费用,稳态经济 效益优化,动态控制模型,数据接口平台(Cim-IO),DCS集散控制系统 / 过程信息系统,因变量数值,自变量数值,调节变量数值,设定点输出值,变量约束与目标值,控制器调节参数,动态预估,MV 目标值,稳态预估值,CV 目标值,操作工,控制工程师,预估模型,APC控制结构的例子：DMCplus,43,动态矩阵控制(DMC)概述,示范演示 (DMCplus Model),44,蒸馏塔,45,4. APC项目的执行,46,APC项目的执行与通常的人力时间分配,10% 项目效益分析 15% 初步过程测试 (包括完善常规控制) 30% 过程测

18、试 10% 动态模型辨识 10% 控制器设计与离线模拟(仿真) 20% 控制器投用 5% 控制器投用后的维护,47,5. 持续获取APC经济效益 的周期性分析,48,持续获取APC经济效益周期性分析,APC 效益降级期,效益损失期,APC恢复期,APC控制器开,过程变化后 模型重新辨识,维护和性能改进,APC控制应用 获取最大效益,控制器性能减弱 效益降低,发现问题 提出解决方案,改进APC,49,6. 企业成功应用 APC的关键因素: 领导支持,人才,工具与策略,50,齐鲁胜利炼油厂成功应用先进过程控制的经验,1. 厂领导和主管处室及开发维护部门重视先进控制，设置了先进控制工程师岗位，制定了

19、胜利炼油厂先进控制运行考核办法,保证先进控制的正常投用和投用率。对先进控制在投用过程中存在的问题,及时与开发和维护部门进行沟通和交流，在最快的时间内将问题解决。 2. 车间领导和技术人员高度重视先进控制，熟悉先进控制的原理和控制方法，充分认识到先进控制投用之后，平稳操作和产品质量卡边控制等所带来的经济效益和劳动强度的降低以及操作水平的提高 。 3. 针对不同的生产方案和生产优化指标，制定优化方案，以指导岗位操作员更好地使用先进控制，搞好安全、平稳生产。,51,齐鲁胜利炼油厂成功应用先进过程控制的经验,4. 不断加大培训力度，使操作人员熟练地掌握和应用先进控制；纠正传统的操作习惯，转变操作理念，

20、养成先进控制在线调节和全局操作的习惯，减少一些不必要的重复劳动，提高操作效率。 5. 坚持不懈做好先进控制产品质量数据校正工作的考核，确保软仪表计算的准确性和可靠性。例如APC质量数据的化验室校正必须每班根据化验数据按时校正，没有按时校正或者没有校正的，就要对当班责任人进行考核。 6. 加强对运行仪表的维护，确保各控制仪表灵活好用，控制仪表的处理做到事不过夜，避免因控制仪表动作不到位给先进控制带来的负面影响而造成的波动。,52,壳牌公司 APC 经验,自从 1985年以来, 已经投用600多套 APC 系统(全球约有2500套) 领导支持,大力投资: 每年2.5百万美元 (折合每年2000万人民币) 维护和开发 APC 技术 。例如, SMOC. ”Shell Multivariable Optimizing Controller”（壳牌多变量优化控制器）; RQE, “Robust Quality Estimation”（鲁棒质量预估）。 效益:每年5亿美元（折合每年40亿人民币) (1) APC 可以增加工厂生产利润