王 瑞，王毅彪

（煉化公司 項目建設(shè)指揮部，陜西 洛川 727406）

08年延長石油新建延安石油化工廠，此項目是延長石油集團提高石化產(chǎn)品的深加工和新產(chǎn)品開發(fā)的能力，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)油化并舉的重要項目。此項目建有120萬噸/年重整裝置、12萬噸/年MTBE裝置等6套主要裝置。所生產(chǎn)的重整汽油、MTBE與延安煉油廠生產(chǎn)的催化汽油均輸送到延煉惠家河成品油罐區(qū)進行在線調(diào)合。

1 項目實施的必要性

在實施調(diào)合項目之前條件比較落后，采用的是手動罐調(diào)，即經(jīng)過人工運算或查表得出調(diào)合配方后，把不同的組分直接輸送到指定的成品罐，安裝在成品罐里的攪拌器進行攪拌均勻，實驗室化驗后如果不合格則再加入相關(guān)組分，然后繼續(xù)攪拌均勻，如此循環(huán)直到成品合格。這種原始的調(diào)合方式帶來的問題是：

1）罐的裝填系數(shù)低，罐存利用率低；

2）質(zhì)量過剩大；

3）高質(zhì)組分浪費現(xiàn)象較多；

4）難以同時兼顧多個質(zhì)量指標(biāo)的控制；

5）調(diào)合周期太長，能耗太大；

6）對突然加入的訂單難以快速反應(yīng)；

7）一次調(diào)合成功率低，大約50%左右。

罐區(qū)沒有控制系統(tǒng)，所有工作手動完成，基礎(chǔ)條件較差，因此要想生產(chǎn)高質(zhì)汽油，提高組分的利用價值，改善效益，進行汽油在線調(diào)合系統(tǒng)實施已經(jīng)刻不容緩。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

汽油在線調(diào)合系統(tǒng)包括在線調(diào)合控制系統(tǒng)、DCS、在線分析儀、現(xiàn)場儀表、調(diào)合頭等[1]，主要功能是根據(jù)手動輸入的組分配方及從現(xiàn)場采集到的油品分析數(shù)據(jù)等信息完成調(diào)合，使得調(diào)合好的汽油剛好合格，質(zhì)量過剩最小[2]，罐區(qū)罐存的合理分配及罐區(qū)生產(chǎn)的自動化，產(chǎn)生最大可能的經(jīng)濟效益。調(diào)合時所需要完成的泵、閥等的啟動和停止動作由DCS系統(tǒng)根據(jù)調(diào)合服務(wù)器的給定自動完成，調(diào)合服務(wù)器與DCS通過開放的OPC接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通訊。分析儀器工作站通過MODBUS通訊方式給DCS傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 汽油在線調(diào)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of on-line gasoline blending system

選型方案：

1）調(diào)合軟件包：ASPEN調(diào)合軟件包包括 InfoPlus.21、PIMS優(yōu)化器、DMC Plus多變量預(yù)估控制器、ABML調(diào)合規(guī)則模型庫和顯示執(zhí)行系統(tǒng)等。InfoPlus.21是當(dāng)前在流程行業(yè)市場占有率最大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以和任何DCS/PLC等系統(tǒng)集成。Aspen Blend的成品油罐質(zhì)量預(yù)測，罐底殘留補償?shù)扔蒔IMS優(yōu)化器來完成。調(diào)合頭質(zhì)量控制通過DMC Plus多變量預(yù)測技術(shù)來實現(xiàn)，它同時控制多個質(zhì)量指標(biāo)，保證成品油的所有質(zhì)量指標(biāo)合格。Aspen提供了完整的ABML調(diào)合規(guī)則模型庫，無需開發(fā)調(diào)合規(guī)則，為調(diào)合的精確控制及盡快建成投用提供了保證。

Aspen Blend可以與MBO（多周期調(diào)合優(yōu)化）軟件集成自動接收生產(chǎn)方案和配方，或手動設(shè)置初始配方，其內(nèi)置的PIMS優(yōu)化器對罐存進行考慮，對整罐汽油的質(zhì)量進行全程跟蹤和優(yōu)化，利用ABML提供的調(diào)合規(guī)則對各個質(zhì)量指標(biāo)進行計算，采用多變量預(yù)估控制技術(shù)同時對各個質(zhì)量指標(biāo)進行實時控制，完成對不同質(zhì)量指標(biāo)的不同方向的卡邊生產(chǎn)。ASPEN BLEND調(diào)合軟件系統(tǒng)具備很好的集成能力，方便實現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的對接，不受DCS系統(tǒng)的限制和制約。Aspen Blend通過現(xiàn)場DCS系統(tǒng)的OPC接口，經(jīng)過InfoPlus.21實時數(shù)據(jù)庫獲得實時數(shù)據(jù)。

2）分析儀使用GW（guided wave）的M412型NIR近紅外分析儀。近紅外光譜分析技術(shù)能在幾秒內(nèi)，僅通過對樣品的一次近紅外光譜的簡單測量，就可以同時測定一個樣品的幾種至幾十種性質(zhì)數(shù)據(jù)或濃度數(shù)據(jù)，而且對被測樣品無破壞和無污染，因此具有高效快速成本低和綠色的特點，近紅外測量光學(xué)探頭直接安裝在所要測量的工藝管線上，同時配有在線維護裝置。近紅外測量探頭與分析儀器之間的連接采用的是廠家專用的信號光纖?？梢詼y定如油品的辛烷值、烯烴、苯、餾程、密度、凝固點、十六烷值、閃點、冰點 、PIONA組成、MTBE含量等。

3）過程控制系統(tǒng)：DCS系統(tǒng)采用橫河的CS3000過程控制系統(tǒng)[3-4]?？刂葡到y(tǒng)采用冗余系統(tǒng)，CPU、通訊卡、電源卡、完全冗余，保證調(diào)合過程控制需要。為與調(diào)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換需要，設(shè)置了單獨的OPC服務(wù)器。為保證調(diào)合系統(tǒng)正常投用，DCS需要實現(xiàn)的功能主要有以下：

①順控功能：設(shè)置、選泵、預(yù)啟動、啟動、漸升、運行、預(yù)停車、漸降、滴流、停車。

②操作功能：提量、降量、中斷、恢復(fù)、同步化。

③調(diào)合功能：初始配方、人工配方、微調(diào)配方。

④報警功能：事故報警、配方設(shè)置錯誤報警（正?；瘓缶⒐薮鎴缶?。

⑤預(yù)測功能：緩沖罐“高報和低報”時間。

⑥數(shù)據(jù)庫功能：時間、流量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)形成歷史記錄。

4）現(xiàn)場儀表：①調(diào)節(jié)閥采用無錫工裝KOSO調(diào)節(jié)閥。KOSO調(diào)節(jié)閥控制范圍大，可以在大范圍內(nèi)進行準(zhǔn)確控制，適合調(diào)合項目大范圍變化。②采用E+H質(zhì)量流量計，精度選用0.1%。

3 調(diào)合技術(shù)方案

Aspen Blend接到調(diào)合訂單，會根據(jù)當(dāng)前的情況對調(diào)合配方等進行進一步的驗證、自動調(diào)整，找出當(dāng)前最佳的配方，自動實現(xiàn)汽油的在線優(yōu)化調(diào)合動作，確保調(diào)合出的產(chǎn)品過剩最小、組分利用最合理、經(jīng)濟效益最好。

汽油調(diào)合組分共有4種：催化汽油、重整汽油、重整輕汽油、MTBE，年產(chǎn)汽油總量預(yù)計300多萬噸/年。采用兩個調(diào)合頭，可以同時調(diào)合兩個不同辛烷值的產(chǎn)品。

Aspen Blend根據(jù)手動輸入的組分配方和調(diào)合牌號等信息，首先使用帶有非線性調(diào)合模型的優(yōu)化工具，根據(jù)滿足最終成品罐質(zhì)量規(guī)格的要求和經(jīng)濟利益最大化的約束來優(yōu)化設(shè)定調(diào)合頭質(zhì)量范圍和最優(yōu)配方，然后將配方和質(zhì)量設(shè)定范圍送到Aspen Blend調(diào)合質(zhì)量控制，質(zhì)量控制采用Aspen DMC Plus多變量預(yù)測控制器技術(shù)來實現(xiàn)，DMC Plus通過預(yù)測模型對調(diào)合頭多個質(zhì)量指標(biāo)進行預(yù)測，并可以提前預(yù)測到各個質(zhì)量指標(biāo)的趨勢是否偏離，從而自動提前采取控制措施來達到卡邊控制各個質(zhì)量指標(biāo)的目的。DMC Plus根據(jù)預(yù)測的結(jié)果，提前微幅自動修改DCS系統(tǒng)中相關(guān)控制回路的設(shè)定值，從而可以使得整個調(diào)合過程平穩(wěn)進行，各個質(zhì)量指標(biāo)在考慮經(jīng)濟利益最大化的前提下達到卡邊控制。結(jié)合考慮罐底情況，使得一罐汽油生產(chǎn)完成時，汽油剛好合格，質(zhì)量過剩最小，使得調(diào)合產(chǎn)生最大可能的經(jīng)濟效益。從而以最優(yōu)化的方案進行各個牌號的成品汽油的調(diào)合。具體調(diào)合技術(shù)方案如圖2所示。

調(diào)合時所需要完成的泵、閥等的啟動和停止動作由DCS系統(tǒng)自動完成。

成品油罐可以指定用途，比如，指定存放90#、93#或97#汽油，也可以設(shè)計成動態(tài)使用，即成品罐的使用隨實際情況而定，每個成品油罐都可以能夠存放所有汽油成品。

設(shè)計時還充分考慮到系統(tǒng)故障時的手工管道調(diào)合功能，確保無論在什么情況下，調(diào)合都能順利進行。

4 軟件程序設(shè)計

以下部分對AspenBlend的兩個主要模塊（Blend-QC和Blend-Opti）、項目測量單位（UOM）和一般工作流程進行了綜述。

4.1 Blend-QC調(diào)合質(zhì)量控制器（DMCPlus）

調(diào)合質(zhì)量控制器是指DMCPlus多變量預(yù)估控制器，每個調(diào)合頭需要定義被控變量（CV）和操作變量（MV）。操作變量是指可以通過DMCplus控制器進行調(diào)整的變量。被控變量是指受到操作變量的影響而改變的變量，通常指的是關(guān)鍵操作目標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)等。

4.1.1 控制器目標(biāo)

控制器需要實現(xiàn)以下操作目標(biāo)：

1）使調(diào)合處于他們指定的動態(tài)質(zhì)量目標(biāo)范圍內(nèi)。

2）使配方始終與他們的外部配方目標(biāo)接近。

3）考慮工藝和設(shè)備限制。

注意：外部配方目標(biāo)可以通過手工、在線優(yōu)化器或者其他應(yīng)用程序進行設(shè)置。

4.1.2 基本設(shè)計

圖2 調(diào)合技術(shù)方案Fig.2 Scheme of blending technology

調(diào)合頭質(zhì)量控制分為兩個主要部分，調(diào)合控制器預(yù)運算和DMCplus控制器。調(diào)合頭控制器的預(yù)運算將更新增益和操作變量約束。增益計算采用與控制變量、組分和現(xiàn)有調(diào)合數(shù)據(jù)相關(guān)的增益進行計算。標(biāo)準(zhǔn)增益計算是基于為調(diào)合頭所選的屬性計算方法。操作變量的限制計算則考慮現(xiàn)有的操作條件、定義的訂單限制和控制器的操作范圍。

4.1.3 控制器結(jié)構(gòu)和控制策略

1）每個調(diào)合頭都需要定義操作變量（MV）和被控變量（CV），典型的MV包括組分配方。典型的CV包括產(chǎn)品更新?lián)Q代油的各種質(zhì)量指標(biāo)等。

2）在建模之前，還將進行一系列階躍測試。這些階躍測試的目的在于獲取動態(tài)過程模型。MV-CV模型增益實質(zhì)上是動態(tài)的，可以通過預(yù)運算功能進行計算。

3）在模型中使用的數(shù)據(jù)是在DMCplus配置文件（CCF文件）中定義的。數(shù)據(jù)源包括IP.21記錄、DMCplus控制變量和常量。

4）調(diào)合質(zhì)量控制器會在滿足所調(diào)汽油各個指標(biāo)和各個約束的條件下，實現(xiàn)各個指標(biāo)的卡邊控制，以減少質(zhì)量過剩。通常情況下，調(diào)合質(zhì)量控制器會每分鐘下載一個微調(diào)配方，保證調(diào)合汽油的質(zhì)量均勻和穩(wěn)定。

4.2 Blend-Opti調(diào)合優(yōu)化器

Blend-Opti利用PIMS對整罐成品汽油進行優(yōu)化。

4.2.1 優(yōu)化器目標(biāo)

在線優(yōu)化的目標(biāo)是在遵循調(diào)合指標(biāo)和現(xiàn)有操作條件的情況下確定最佳配方。然后將優(yōu)化配方送到質(zhì)量控制器進行實施。通常優(yōu)化器會每小時下載一次優(yōu)化配方給質(zhì)量控制器。優(yōu)化器可以部署幾種“優(yōu)化目標(biāo)”。這些包括：利潤最大化、配方偏差最小化以及組分成本最小化。

4.2.2 基本設(shè)計

在線優(yōu)化器利用PIMS來作為解算器。在設(shè)計中，它考慮了成品罐底油并利用了Aspen調(diào)合模型庫（Aspen Blend Model Library，簡稱ABML）。該優(yōu)化器有3個部分：設(shè)置、解算器和輸出。優(yōu)化器設(shè)置負責(zé)收集解算器所必需的數(shù)據(jù)和格式。優(yōu)化器利用PIMS來作為解算器。優(yōu)化器輸出負責(zé)讀取來自PIMS解算器的輸出結(jié)果，并將該值調(diào)整為能被質(zhì)量控制器實施的格式。

4.2.3 優(yōu)化過程的一般約束范圍

優(yōu)化器是用來考慮組分庫存（包括產(chǎn)品）和屬性、調(diào)合規(guī)則、調(diào)合配方、成品罐底油（體積和屬性）以及設(shè)備限制。

4.3 項目測量單位

ASPEN對用于項目的所有非屬性數(shù)據(jù)的測量單位做了嚴(yán)格要求，具體如表1所示。

表1 項目測量單位Tab.1 The units of project measurement

4.4 工作流程

為了啟動，必須在AspenBlend訂單管理軟件上創(chuàng)建調(diào)合訂單。這可以通過手工輸入完成。一旦該訂單被定義好并且所有數(shù)據(jù)都已輸入，操作員（或者班長）將把狀態(tài)設(shè)定為“準(zhǔn)備就緒”，標(biāo)志著所有相關(guān)的數(shù)據(jù)都已輸入，調(diào)合可以進行下載和啟動了。接著，操作員將把訂單下載到DCS和BRC上[5]。在成功下載后，調(diào)合可以在調(diào)整控制應(yīng)用程序中啟動。該事件將被AspenBlend識別，而該調(diào)合也將變?yōu)榧せ顮顟B(tài)。當(dāng)調(diào)合處于激活狀態(tài)時，AspenBlend將執(zhí)行控制和優(yōu)化應(yīng)用程序來調(diào)整組分配方以保證調(diào)合滿足規(guī)格要求。一旦調(diào)合達到目標(biāo)調(diào)合量，調(diào)合將由BRC程序停止。該事件將被AspenBlend識別，而該調(diào)合也將結(jié)束。

5 投用效果

目前調(diào)合系統(tǒng)已經(jīng)建成，DCS的BRC已經(jīng)正常投用并能調(diào)出所要求的合格產(chǎn)品[6]。ASPEN BLEND和分析儀的建模工作完成后，整個系統(tǒng)已經(jīng)投用。通過本改造項目實施可以達到以下效果：

1）通過調(diào)合系統(tǒng)的使用，可以節(jié)約高辛烷值組分2%～3%，節(jié)約辛烷值平均約0.2；

2）一次調(diào)成率提高，罐存儲量增加。過去一次調(diào)成率低，成品油罐收油留有一定的余量，現(xiàn)在在安全空高允許的前提下，平均可以提高罐存500M3，共計可以增加罐存8500M3；

3）調(diào)合周期縮短，節(jié)約了時間；

4）操作自動化程度提高，大大降低了勞動強度，方便了操作；

5）同時調(diào)合兩個不同辛烷值的產(chǎn)品。

汽油在線調(diào)合系統(tǒng)的建成投產(chǎn)，極大地提高了油品調(diào)合的自動化程度，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益，值得推廣應(yīng)用。

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