張韶煜，柴昕，劉炳杰

（1.洛陽三隆安裝檢修有限公司，河南 洛陽471012；2.中國石化股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽471012；3.浙江中控軟件技術(shù)有限公司，杭州310053）

先進過程控制（APC）技術(shù)是流程企業(yè)綜合自動化的重要組成部分，也是生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗增效的主要手段之一。中國石化股份有限公司洛陽分公司氣分裝置于2011年11月采用先進控制，開展優(yōu)化工作，提升了該裝置優(yōu)化與節(jié)能應(yīng)用的水平。

1 流程特點

氣分裝置主要包括液化石油氣脫硫醇和氣體分餾兩個生產(chǎn)單元。原料由催化裂化裝置和焦化裝置分別提供，即液化石油氣脫硫醇后，作為氣體分餾裝置的進料。氣體分餾裝置利用物理分離的原理，對液化石油氣中各組分在同一壓力下具有不同的揮發(fā)度加以分離，生產(chǎn)出較高純度的丙烯、丙烷等產(chǎn)品。此次采用APC技術(shù)的氣體分餾單元，采用脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔、脫異丁烷塔四塔流程。

2 裝置現(xiàn)狀與控制方案

2.1 裝置現(xiàn)狀

氣分裝置采用CS3000集散控制系統(tǒng)（DCS）進行集中控制，具備實施APC的基礎(chǔ)平臺。目前采用的常規(guī)PID控制，通常是針對單輸入單輸出對象的單變量控制，而對于精餾塔這樣具有多變量、有約束邊界、強耦合的復(fù)雜對象，難以實現(xiàn)在大擾動和多約束條件下的品質(zhì)控制，無法滿足生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量和收率控制的要求。

目前氣分裝置存在以下3個控制問題：裝置中一部分重要回路不能投自動，需要手動調(diào)節(jié)，存在控制不及時的問題，不能達到平穩(wěn)的控制效果；裝置內(nèi)的干擾因素較多，各個目標互相制約，比如：T503A／B，無法通過人為操作實現(xiàn)最佳調(diào)優(yōu)。裝置內(nèi)部熱集成度高、耦合嚴重，無法通過常規(guī)控制實現(xiàn)單元間解耦控制。

2.2 實施范圍與控制目標

實施范圍包括脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）、脫異丁烷塔及其相關(guān)部分。

氣分裝置APC實施后，要進一步提高氣分裝置的自動化水平、抗干擾能力和關(guān)鍵工藝參數(shù)的平穩(wěn)率，并在確保裝置安全平穩(wěn)的前提下，優(yōu)化分餾塔的操作，提高目標產(chǎn)品的切割精度，提高高價位產(chǎn)品（丙烯）拔出率，降低裝置能耗和操作人員勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。具體建設(shè)目標如下：

穩(wěn)定裝置的操作，要求關(guān)鍵控制變量的標準偏差比之前降低30%以上；符合所有工藝和安全的約束條件；提高裝置的自動控制水平，降低勞動強度，在正常生產(chǎn)條件下，控制器的在線投用率達90%以上；實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制，丙烯收率提高0.5%；提高丙烯拔出率，獲得最大的產(chǎn)量；裝置總能耗降低0.3%，最大程度地提高能量利用效率。

2.3 技術(shù)路線

該項目采用了具有良好魯棒性的多變量預(yù)測控制軟件DMC plus，其可以在較寬的范圍內(nèi)，適應(yīng)由各種干擾和不確定因素所引起的控制器模型與裝置實際模型之間的誤差。同時還具有產(chǎn)品價值優(yōu)化功能，可以實現(xiàn)裝置經(jīng)濟效益的優(yōu)化目標。DMC plus控制器設(shè)計了多個子控制器。子控制器將大型單一控制器分割為邏輯過程部分，可以同時從控制器中開啟或者關(guān)閉一組有關(guān)的操作變量和被控變量。子控制器可以讓操作更簡單，但又不會改變控制器內(nèi)在的總體協(xié)調(diào)優(yōu)化的真正結(jié)構(gòu)。因此，APC系統(tǒng)將裝置的經(jīng)濟目標通過大控制器統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，再將實現(xiàn)經(jīng)濟目標的調(diào)節(jié)手段分解給子控制器來實現(xiàn)。

控制產(chǎn)品質(zhì)量是裝置優(yōu)化控制的基礎(chǔ)，只有在產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，才能追求產(chǎn)品的產(chǎn)量最大和生產(chǎn)的消耗最小。在產(chǎn)品的質(zhì)量控制中，實時在線質(zhì)量分析數(shù)據(jù)是十分重要的。

2.4 總體結(jié)構(gòu)

氣分裝置的APC系統(tǒng)包括脫丙烷塔控制器、脫乙烷塔控制器、丙烯精餾塔（A／B）控制器、丙烯精餾塔（C／D）控制器及脫異丁烷塔控制器。各控制器相互獨立，又有一定的內(nèi)在聯(lián)系，共同保證了裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

同時，通過丙烯精餾塔塔頂在線分析儀表，以丙烯純度為控制目標之一，融合于APC系統(tǒng)中，指導(dǎo)氣分裝置的日常生產(chǎn)與優(yōu)化，實現(xiàn)“卡邊控制”，提高丙烯產(chǎn)品的收率，降低裝置生產(chǎn)能耗，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟價值。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 先進控制系統(tǒng)總體框架示意

2.5 軟硬件平臺

氣分裝置APC系統(tǒng)通過OPC Server與CS3000系統(tǒng)進行雙向數(shù)據(jù)通信，在APC服務(wù)器上實現(xiàn)控制器運行，在CS3000系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和具體調(diào)節(jié)，共同實現(xiàn)氣分裝置平穩(wěn)控制和“卡邊”優(yōu)化。APC軟件運行在APC服務(wù)器上，APC服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows 2003Sever SP2。APC軟件為AspenTech的DMC Plus多變量預(yù)測控制系統(tǒng)，其主要包括：AspenTech DMC Plus，AspenTech IQ，CIMIO for OPC等組件。

3 APC系統(tǒng)方案實施

3.1 控制器設(shè)計

從統(tǒng)一整體考慮，通過物料平衡和能量平衡兩大方面實現(xiàn)控制策略：

1）物料平衡。引入脫丙烷塔進料作為主要前饋變量，充分發(fā)揮脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯精餾塔（A／B）、丙烯精餾塔（C／D）和脫異丁烷塔塔底液位及相關(guān)緩沖罐的緩沖作用，實現(xiàn)5塔之間物料傳遞平衡，繼而實現(xiàn)整個氣分裝置物料平衡。

2）能量平衡。能量平衡主要體現(xiàn)在冷熱媒部分，策略實現(xiàn)也主要包括兩方面：對于單個精餾塔而言，實現(xiàn)提餾段與精餾段之間供熱和取熱平衡，保證該塔內(nèi)部組分分布；對于單元間供熱和取熱而言，特別是塔頂取熱系統(tǒng)（主要是循環(huán)冷卻水），實現(xiàn)供熱介質(zhì)或取熱介質(zhì)平衡過渡，消除由于單元間某一股介質(zhì)調(diào)整幅度大對整個單元的影響，實現(xiàn)整個供熱或取熱系統(tǒng)內(nèi)部變量的解耦。

3.2 基礎(chǔ)控制的完善

對APC涉及的變送器、調(diào)節(jié)閥重新進行校驗，并重新整定相關(guān)回路的PID參數(shù)。更新在線分析儀，便于實現(xiàn)控制器對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

一些參與APC的測量值無法滿足APC的要求，項目組利用DCS的濾波器模塊對測量值進行濾波處理，改善先進控制器的實施條件。

3.3 安全策略

1）中間點的建立。為實現(xiàn)APC和優(yōu)化系統(tǒng)與常規(guī)控制之間的切換，需要在DCS中建立中間位號。這些中間位號包括：DCS通信保護程序相關(guān)位號，控制器開關(guān)、報警位號，APC和優(yōu)化系統(tǒng)位號。

2）通信監(jiān)控程序。為保障系統(tǒng)安全，在APC上位機和DCS之間的通信中斷、APC上位機發(fā)生死機等異常狀況時，需要切除APC和優(yōu)化系統(tǒng)，并給出報警提示便于操作人員進行處理。這些功能是通過在DCS上建立通信監(jiān)控程序來實現(xiàn)的。

3）安全切換程序。安全切換程序包括控制器安全的投運和摘除、設(shè)定值和操作變量的上下限保護與報警。安全切換程序的主要目的是實現(xiàn)APC系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)的切換工作。為了讓APC系統(tǒng)具有良好的靈活性，APC系統(tǒng)每一回路均可以自由切換。

3.4 建立APC界面

為滿足APC操作的需要，對DCS進行在線下裝，組態(tài)了APC的操作畫面、切換和保護邏輯，在滿足APC控制器操作和裝置安全需求的同時，也考慮到操作人員的使用習(xí)慣，并且盡量減少DCS控制站的工作負荷和ACG數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摵?，使DCS既能充分滿足APC的要求，又能保證裝置的安全穩(wěn)定運行。

4 運行效果

4.1 提升控制品質(zhì)

該項目實施之后，主要工藝參數(shù)的控制效果得到明顯改善，實現(xiàn)了平穩(wěn)控制，達到了預(yù)期控制效果，各精餾塔關(guān)鍵工藝指標數(shù)據(jù)比APC投運前有了較大程度的改善，波動幅度減小?，F(xiàn)選取具有代表性的回路進行比較，如圖2～圖5所示。

圖2 脫乙烷塔塔底溫度

圖3 丙烯精餾塔（A／B）塔頂回流罐液位

圖4 丙烯精餾塔（C／D）丙烯體積分數(shù)

圖5 丙烯精餾塔（C／D）塔頂回流罐液位

4.2 效益估算

氣分裝置APC投用以后，對氣分裝置操作參數(shù)、指標逐步進行優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能和質(zhì)量的卡邊操作，提高了丙烯產(chǎn)量，降低了丙烷中丙烯體積分數(shù)，最終達到實現(xiàn)裝置效益最大化的目的。

4.2.1 裝置能耗分析

氣分裝置從2012年4月APC投入運行之后，經(jīng)過近半年的運行、優(yōu)化，裝置平均能耗降低見表1所列，節(jié)能效果明顯。

表1 氣分裝置能耗數(shù)據(jù) kJ／t

4.2.2 經(jīng)濟效益分析

投用APC后，通過質(zhì)量“卡邊”操作，指標得到優(yōu)化，降低了丙烯塔塔底丙烯攜帶量，2012年與2013年1～4月同期對比見表2所列，丙烷中丙烯體積分數(shù)由0.420%降至0.056%。

表2 氣分裝置2012年與2013年1～4月丙烷中丙烯體積分數(shù)對比 %

按目前產(chǎn)量計算，月可多產(chǎn)丙烯約15.5t，如果丙烯按9 000元／t、原料液化石油氣按平均價6 000元／t計算，則每月可多創(chuàng)效益約4.65萬元。

5 結(jié)束語

該公司氣分裝置APC系統(tǒng)各單元控制器已經(jīng)投入連續(xù)運行，明顯降低了操作人員的勞動強度，可以實現(xiàn)丙烯質(zhì)量的卡邊操作，降低丙烷中的丙烯體積分數(shù)和裝置能耗，并提高了丙烯產(chǎn)量和裝置的綜合經(jīng)濟效益。

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