任玲兵,李 蕓
(山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司,山西 長(zhǎng)治 046200)
隨著人們對(duì)物質(zhì)生活需求的日益提高,我國(guó)石油化工和現(xiàn)代煤化工的發(fā)展方興未艾,化工項(xiàng)目體量和規(guī)模隨著市場(chǎng)需求不斷增加,我國(guó)石油對(duì)外依存度也高達(dá)65%且不斷在上升,國(guó)內(nèi)煤化工蓬勃發(fā)展,這對(duì)國(guó)內(nèi)化工裝置加工能力和安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。
在當(dāng)今化工加工過(guò)程控制中,PID 是集成最多的儀表控制方法。除此以外,預(yù)測(cè)控制或稱為模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是僅有的成功應(yīng)用于工業(yè)控制中的先進(jìn)控制方法之一,其應(yīng)用占有率也在不斷提高,據(jù)統(tǒng)計(jì)其占有率達(dá)到10%。模型預(yù)測(cè)控制因具有控制效果好、魯棒性強(qiáng),可有效地克服過(guò)程的不確定性、非線性和關(guān)聯(lián)性,并能方便處理過(guò)程被控變量和操縱變量中各種約束的優(yōu)點(diǎn),在石油煉化、現(xiàn)代煤化工、冶金和電力等復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制中得到廣泛的應(yīng)用。
MPC 作用機(jī)理是在每一個(gè)采用時(shí)刻,根據(jù)獲得當(dāng)前測(cè)量信息,在線求解一個(gè)有限時(shí)間開(kāi)環(huán)優(yōu)化問(wèn)題,并將得到的控制序列的第一個(gè)元素作用于被控對(duì)象。在下一個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)上述過(guò)程,將新測(cè)量值作為此時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)動(dòng)態(tài)初始條件,刷新優(yōu)化問(wèn)題并重新求解。
該裝置原設(shè)計(jì)PID 自動(dòng)控制投用控制加熱爐溫度不能滿足加氫反應(yīng)器、分離塔等關(guān)鍵設(shè)備的精細(xì)化控制要求。測(cè)試投用MPC 以取代原設(shè)計(jì)PID 自動(dòng)控制,以期使加氫反應(yīng)器入口溫度、分離塔進(jìn)料溫度波幅減弱,反應(yīng)分離效果更佳。
本文測(cè)試對(duì)象為裝置4 臺(tái)進(jìn)料加熱爐F001、F002、F003、F004,DCS 控制監(jiān)控畫面,如圖1 所示。通過(guò)MPC 智能控制觀察T195518 或TI95508A/B 變化軌跡。
圖1 加熱爐F001 DCS 控制監(jiān)控畫面
如第145 頁(yè)圖2 所示。
圖2 加熱爐F001 出口溫度DCS 監(jiān)控趨勢(shì)
投用前F001 加熱爐出口溫度波動(dòng)范圍在上下10 ℃區(qū)間(318 ℃~328 ℃),投用后出口溫度波動(dòng)范圍在上下3 ℃區(qū)間(320 ℃~323 ℃),且無(wú)尖峰出現(xiàn),曲線軌跡更為平整。加熱爐燃料氣流量調(diào)節(jié)閥動(dòng)作更加及時(shí),能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)燃料氣組分波動(dòng)情況,對(duì)燃料氣組分變化引起的波動(dòng)也起到一定的補(bǔ)償緩解作用。
如第145 頁(yè)圖3 所示。
圖3 加熱爐F002 出口溫度DCS 監(jiān)控趨勢(shì)
投用前F002 加熱爐出口溫度波動(dòng)范圍在上下12℃區(qū)間(257℃~269℃),投用后出口溫度波動(dòng)范圍在上下2℃區(qū)間(264℃~266℃),且無(wú)尖峰出現(xiàn),曲線軌跡更為平整。加熱爐燃料氣流量調(diào)節(jié)閥動(dòng)作更加及時(shí),能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)燃料氣組分波動(dòng)情況,對(duì)燃料氣組分變化引起的波動(dòng)也起到一定的補(bǔ)償緩解作用。
如圖4 所示。
圖4 加熱爐F003 出口溫度DCS 監(jiān)控趨勢(shì)
投用前F002 加熱爐出口溫度波動(dòng)范圍在上下22℃區(qū)間(350℃~372℃),投用后出口溫度波動(dòng)范圍在上下5℃區(qū)間(363℃~368℃),且無(wú)尖峰出現(xiàn),曲線軌跡更為平整。加熱爐燃料氣流量調(diào)節(jié)閥動(dòng)作更加及時(shí),能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)燃料氣組分波動(dòng)情況,對(duì)燃料氣組分變化引起的波動(dòng)也起到一定的補(bǔ)償緩解作用。
如圖5 所示。
圖5 加熱爐F004 出口溫度DCS 監(jiān)控趨勢(shì)
投用前F002 加熱爐出口溫度波動(dòng)范圍在上下19 ℃區(qū)間(375 ℃~394 ℃),投用后出口溫度波動(dòng)范圍在上下5 ℃區(qū)間(387 ℃~392 ℃),且無(wú)突出的尖峰出現(xiàn)。加熱爐燃料氣流量調(diào)節(jié)閥動(dòng)作更加及時(shí),能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)燃料氣組分波動(dòng)情況,對(duì)燃料氣組分變化引起的波動(dòng)也起到一定的補(bǔ)償緩解作用。
本文通過(guò)探討60 萬(wàn)噸/年煤化工裝置投用MPC模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)化工爐溫度控制的影響,成果概括總結(jié)如下:
1)進(jìn)一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)實(shí)施MPC 控制,多變量預(yù)測(cè)控制器充分利用模型預(yù)測(cè)和多變量協(xié)調(diào)的優(yōu)點(diǎn),克服和抵御外部干擾,保證F001、F002、F003、F004 出口溫度更加精確,大幅減弱了對(duì)下游流程分離塔工況的擾動(dòng),提高了反應(yīng)分離效果,保障了工藝指標(biāo)合格率和產(chǎn)品品質(zhì)。
2)提高了裝置的自動(dòng)化程度。通過(guò)MPC 控制的實(shí)施,提高了裝置的自控率,有效提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度,有效減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在正常生產(chǎn)情況下基本不需要人工操作就能夠平穩(wěn)運(yùn)行,操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,同時(shí)對(duì)于前系統(tǒng)燃料氣組分波動(dòng)所造成的干擾具有一定的克服能力。
3)增加了設(shè)備的安全性。MPC 控制的實(shí)施,相當(dāng)于在原有DCS 的基礎(chǔ)上又增加一道安全防線。通過(guò)設(shè)定操作變量的上下限,限定了閥門動(dòng)作范圍,有效降低了人員的誤操作可能,增加了安全性。同時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定后,反應(yīng)器更為穩(wěn)定,有利于催化劑及設(shè)備的壽命。
4)有利于進(jìn)一步節(jié)能降耗。在提高了裝置的產(chǎn)量和質(zhì)量的同時(shí),裝置的操作更加穩(wěn)定,減少了因產(chǎn)品不合格切至不合格罐區(qū)的風(fēng)險(xiǎn),降低了再由不合格罐區(qū)返回二次反應(yīng)及分餾的能量消耗。MPC 控制投用后,加熱爐出口的溫度更加精準(zhǔn),減少了不必要的燃料氣浪費(fèi),消耗進(jìn)一步降低,裝置的生產(chǎn)更加高效。