李全善，，王堃，朱連勛，陳平

（1．北京世紀(jì)隆博科技有限責(zé)任公司，北京100020；2．中國(guó)石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163711）

關(guān)鍵字：全流程 智能控制 雙烯收率 能耗

1 概述

石油化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，既是能源生產(chǎn)企業(yè)，也是能耗和污染企業(yè)。石化裝置工藝復(fù)雜，存在多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大時(shí)滯、多目標(biāo)、多約束、自干擾等難題。采用常規(guī)控制難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)常造成操作波動(dòng)，上述難題一直是國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)。為此，需采用信息化技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)石油化工生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化石油化工關(guān)鍵共性技術(shù)，對(duì)提高裝置收率，節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用。

北京世紀(jì)隆博科技有限責(zé)任公司長(zhǎng)期致力于石油化工節(jié)能降耗關(guān)鍵共性技術(shù)的研發(fā)，將石化生產(chǎn)過(guò)程與信息化技術(shù)相融合，開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵共性技術(shù)—Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)，解決了生產(chǎn)裝置上控制難題，實(shí)現(xiàn)裝置長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)智能控制，并將此共性技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，已在國(guó)內(nèi)多套石化裝置應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

2 Robust-IC 全流程智能控制系統(tǒng)

Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)是將信息化和工業(yè)化“兩化”深度融合的新一代全流程智能控制系統(tǒng)，解決了PID整定難題，實(shí)現(xiàn)全裝置所有控制回路的智能精準(zhǔn)控制；解決了生產(chǎn)裝置中多變量、非線性、強(qiáng)耦合、純滯后、間歇式和連續(xù)式控制并存、多約束和多目標(biāo)調(diào)控等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)智能控制的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)包括Robust-M智能建模、Robust IMC-PID智能內(nèi)模PID優(yōu)化控制、Robust VNLAC智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制、Robust BFC烽燧控制和Robust MIC多變量智能控制五大關(guān)鍵技術(shù)。

1）Robust-M大數(shù)據(jù)智能建模

創(chuàng)造性將大數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化方法與在線閉環(huán)建模集成，無(wú)需測(cè)試直接建立閉環(huán)系統(tǒng)中連續(xù)的對(duì)象模型方法，實(shí)現(xiàn)在線自學(xué)習(xí)智能建模，形成全工況模型庫(kù)。

2）Robust IMC-PID智能內(nèi)模PID優(yōu)化控制

Robust IMC-PID智能內(nèi)模PID優(yōu)化控制自動(dòng)采集工廠海量過(guò)程數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為有效的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，無(wú)需外加任何測(cè)試信號(hào)，在線自動(dòng)智能建模及設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全裝置全流程智能內(nèi)模PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，達(dá)到高精度無(wú)超調(diào)快速平穩(wěn)控制，適用于多種工況，可長(zhǎng)期投用，解決了現(xiàn)有參數(shù)整定方法粗放、魯棒性差、無(wú)法滿足系統(tǒng)多種工況需求等問(wèn)題，在保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，大大提升生產(chǎn)裝置自控精度，減輕操作人員負(fù)擔(dān)。

3）Robust VNLAC智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制

Robust VNLAC智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制是一種結(jié)合智能建模、模糊控制和專家系統(tǒng)的新型智能控制方法，解決了傳統(tǒng)液位—流量串級(jí)控制流量大幅波動(dòng)的控制難題，發(fā)揮液位的緩沖作用，盡可能使流量穩(wěn)定，減少對(duì)下游的影響。

4）Robust BFC烽燧控制

依據(jù)生產(chǎn)方案變更的負(fù)荷信息，基于全系統(tǒng)物料和能量的動(dòng)靜態(tài)平衡思想，對(duì)與生產(chǎn)工藝過(guò)程相關(guān)的控制回路進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)、靜態(tài)分配，減小生產(chǎn)方案變更帶來(lái)的波動(dòng)，消除相關(guān)過(guò)程間的干擾。

5）Robust MIC多變量智能控制

Robust MIC多變量智能控制是一種針對(duì)復(fù)雜過(guò)程的國(guó)際領(lǐng)先的智能控制方法，其融合了多變量理論、智能建模、自適應(yīng)控制、協(xié)調(diào)控制、解耦控制、非線性控制、模糊控制、推理控制等多項(xiàng)技術(shù)，解決生產(chǎn)裝置中多變量、非線性、強(qiáng)耦合、純滯后、間歇式和連續(xù)式控制并存、多約束和多目標(biāo)調(diào)控等技術(shù)難題，突破了傳統(tǒng)先進(jìn)控制（多變量預(yù)測(cè)控制、動(dòng)態(tài)矩陣控制、多變量自適應(yīng)控制等）在國(guó)內(nèi)難以長(zhǎng)期應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 應(yīng)用案例

目前，Robust-IC全流程智能控制的關(guān)鍵共性技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多套生產(chǎn)裝置應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，以大慶石化60萬(wàn)噸/年乙烯裝置為例，該裝置采用的是中國(guó)寰球工程公司與大慶石化公司共同開(kāi)發(fā)的首套大型乙烯裝置國(guó)產(chǎn)化工藝包，共有7臺(tái)裂解爐，6臺(tái)引進(jìn)TECHNIP Stone & Webster（德西尼布石韋）工藝包，1臺(tái)采用寰球國(guó)產(chǎn)化工藝包，單臺(tái)裂解爐有2個(gè)爐膛，192根爐管，4路烴進(jìn)料，每路進(jìn)料配有稀釋蒸汽。分離系統(tǒng)采用五段壓縮，雙塔前脫丙烷前加氫分離工藝。全裝置設(shè)備共計(jì)692臺(tái)，共有652個(gè)控制回路，測(cè)量點(diǎn)15 520個(gè)。

為進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)化乙烯裝置控制水平，優(yōu)化生產(chǎn)操作條件，實(shí)現(xiàn)全裝置整體平穩(wěn)運(yùn)行，大慶石化2014年引進(jìn)了Robust-IC全流程智能控制的關(guān)鍵共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全裝置智能化平穩(wěn)運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)在大慶石化國(guó)產(chǎn)化乙烯裝置投用后，石腦油和乙烷爐雙烯收率分別提高0.52%和1.99%，能耗降低40.12千克標(biāo)油/噸，累計(jì)增加經(jīng)濟(jì)效益6.88億元。

3.1 Robust-M 智能建模

在乙烯裝置上應(yīng)用后，近3年累計(jì)采集了裝置百億級(jí)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，建立了全流程652個(gè)對(duì)象模型庫(kù)，每個(gè)模型庫(kù)平均包含864個(gè)模型，共計(jì)563 328個(gè)模型，模型精度達(dá)95%。

3.2 Robust IMC-PID 智能內(nèi)模 PID 優(yōu)化控制

以脫丁烷塔為例，基于Robust-M智能建模技術(shù)，對(duì)脫丁烷塔全部控制回路建立過(guò)程對(duì)象傳遞函數(shù)模型，形成覆蓋全部工況模型庫(kù)，針對(duì)每個(gè)模型，在線自動(dòng)設(shè)計(jì)內(nèi)模PID控制器及參數(shù)。并基于PSO等優(yōu)化算法，選取最優(yōu)智能內(nèi)模PID優(yōu)化控制器參數(shù)，該參數(shù)可適用于多種工況，達(dá)到高精度無(wú)超調(diào)快速平穩(wěn)控制，可長(zhǎng)期投用，解決了現(xiàn)有參數(shù)整定方法粗放、魯棒性差、無(wú)法滿足系統(tǒng)多種工況需求等問(wèn)題，將基礎(chǔ)PID控制改造為智能控制，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)控制回路的快速平穩(wěn)控制，達(dá)到分離系統(tǒng)平穩(wěn)控制的要求，提高分離效果。實(shí)施后，靈敏板溫度均方差由2.39℃降至0.19℃，塔釜液位均方差從9.62%降至0.81%，回流罐壓力均方差從0.004 1 MPa降至0.000 2 MPa，脫丁烷塔整體被控參數(shù)均方差降低了91.49%，控制精度提高，運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能3%。脫丁烷塔控制點(diǎn)流程見(jiàn)圖1，優(yōu)化控制前后參數(shù)控制曲線對(duì)比見(jiàn)圖2。

3.3 Robust VNLAC 智能變參數(shù)非線性區(qū)域控制

圖1 大慶石化脫丁烷塔控制點(diǎn)流程

圖2 脫丁烷塔各參數(shù)優(yōu)化控制前后曲線對(duì)比

以脫丁烷塔靈敏板溫度串級(jí)控制為例，結(jié)合智能建模、模糊控制和專家系統(tǒng)，針對(duì)液位測(cè)量值與設(shè)計(jì)值偏差與約束條件，實(shí)時(shí)調(diào)整液位控制器的比例、積分參數(shù)，發(fā)揮溫度的緩沖作用，盡可能使流量穩(wěn)定，減少對(duì)下游的影響。實(shí)施后，溫度及流量波動(dòng)范圍大大降低，溫度均方差由1.55℃降低至0.72℃，流量均方差由2.17 t/h降低至1.50 t/h。大慶石化乙烯裝置脫丁烷塔ET3461的靈敏板溫度串級(jí)控制曲線優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 脫丁烷塔ET3461的靈敏板溫度串級(jí)控制優(yōu)化前后曲線對(duì)比

3.4 Robust BFC 烽燧控制

以裂解爐EF3160為例，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷變更時(shí)，基于全系統(tǒng)物料和能量的動(dòng)靜態(tài)平衡，自動(dòng)分配負(fù)荷，實(shí)時(shí)調(diào)整兩個(gè)爐膛進(jìn)料量，實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)、靜態(tài)分配，減小負(fù)荷變化帶來(lái)的波動(dòng)，降低負(fù)荷變化對(duì)

COT溫度的影響。實(shí)施后，A、B爐膛均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降負(fù)荷，提降負(fù)荷過(guò)程中的裂解爐COT溫度平穩(wěn)控制，支路溫差、支路進(jìn)料、稀釋蒸汽均在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，有效確保全裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。優(yōu)化后大慶石化裂解爐自動(dòng)提降負(fù)荷控制曲線見(jiàn)圖4。

圖4 裂解爐自動(dòng)提降負(fù)荷控制曲線

3.5 Robust MIC 多變量智能控制

建立了7臺(tái)裂解爐的多變量模型，包含42個(gè)模型庫(kù)、240個(gè)全工況模型，模型涵蓋裂解爐COT、支路溫度、支路進(jìn)料量、稀釋蒸汽等關(guān)鍵工藝參數(shù)，針對(duì)裂解爐復(fù)雜的多變量對(duì)象，設(shè)計(jì)具有多約束和多目標(biāo)調(diào)控的多變量智能控制器，定制開(kāi)發(fā)多變量一體化解決方案，只要簡(jiǎn)單設(shè)定運(yùn)行參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜單元智能控制，控制精度高，安全可靠，長(zhǎng)期穩(wěn)定投用，適用于開(kāi)、停工等多種工況。實(shí)施后，COT波動(dòng)范圍降至±0.73℃，均方差降至0.43℃，原料切換、開(kāi)爐、停爐等多種工況均可穩(wěn)定控制，裂解爐始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了裂解爐智能控制技術(shù)應(yīng)用的重大突破。大慶石化裂解爐實(shí)施優(yōu)化控制前后運(yùn)行效果見(jiàn)表1。

表1 大慶石化裂解爐實(shí)施優(yōu)化控制前后運(yùn)行效果

4 結(jié)論

為推進(jìn)石油石化行業(yè)綠色發(fā)展，采用高新信息技術(shù)與石油化工生產(chǎn)過(guò)程結(jié)合，開(kāi)發(fā)了Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)，可有效減少裝置能源消耗，推動(dòng)我國(guó)石油石化行業(yè)過(guò)程控制的進(jìn)步，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)石油石化行業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展。