楊海河

(中國(guó)石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

石油化工行業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心與支柱，近年來(lái)，隨著科技水平的進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展更加趨向于自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化。自動(dòng)控制技術(shù)在石油化工企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用與推廣，煉化裝置自動(dòng)化水平的提升，不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)提質(zhì)增效，同時(shí)對(duì)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性也發(fā)揮了重要作用。

1 項(xiàng)目概況

1.1 企業(yè)基本情況及項(xiàng)目目的

中國(guó)石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司(簡(jiǎn)稱濟(jì)南煉化)經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展，由原油加工能力80 萬(wàn)噸/年的小型煉油廠，發(fā)展成為具有750 萬(wàn)噸/年原油加工能力的大型綜合性石油化工生產(chǎn)企業(yè)。

控制優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施前，裝置很多重要控制回路處于手動(dòng)控制狀態(tài)，全廠裝置整體自控率偏低，串級(jí)等復(fù)雜控制回路投用率低。全廠自控率為40%，裝置整體穩(wěn)定性較低，全廠平穩(wěn)率為80%。為解決裝置自控率水平低的問(wèn)題，公司實(shí)施裝置自控提升項(xiàng)目，旨在提高生產(chǎn)裝置自控率、平穩(wěn)率，保證裝置運(yùn)行的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”。本項(xiàng)目對(duì)濟(jì)南煉化煉油一部、煉油二部、煉油三部、煉油四部、聚丙烯部、公用工程部、潤(rùn)滑油部、瀝青車間、公用工程部、儲(chǔ)運(yùn)部10 個(gè)運(yùn)行部31 套生產(chǎn)裝置進(jìn)行控制器形式優(yōu)化、控制器參數(shù)整定及全流程自動(dòng)優(yōu)化。

1.2 原存在問(wèn)題

濟(jì)南煉化生產(chǎn)裝置整體運(yùn)行良好。但通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)裝置報(bào)警頻次、操作頻次依然很高，需要提升改造。主要存在問(wèn)題如下：

(1)部分裝置的自控水平?jīng)]有達(dá)到理想狀態(tài)，一些重要回路需要手動(dòng)頻繁調(diào)整，裝置平穩(wěn)性有待提高[1]。

部分PID 調(diào)節(jié)回路沒(méi)有投自動(dòng)，或者難以長(zhǎng)周期自動(dòng)運(yùn)行，操作人員設(shè)置的PID 參數(shù)投自動(dòng)以后裝置波動(dòng)大，保證不了生產(chǎn)的精度要求，造成裝置波動(dòng)大，操作不平穩(wěn)。而有些沒(méi)有投自動(dòng)的回路往往是非常關(guān)鍵的回路。

(2)部分裝置的復(fù)雜控制回路投用率低，很多重要的串級(jí)沒(méi)有投用自控，或者只投用了副回路，單自動(dòng)控制。

(3)部分投用了自動(dòng)或者串級(jí)的回路控制效果不佳，被控變量變化波動(dòng)較大。具體表現(xiàn)為波動(dòng)幅度大，有的甚至接近等幅振蕩。部分投入自動(dòng)運(yùn)行回路本身波動(dòng)不大，但是閥門(mén)大幅度變化，造成下游工況的惡化，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

已經(jīng)投用自動(dòng)的回路其控制效果好壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾點(diǎn)：被控參數(shù)波動(dòng)幅度是否符合工藝要求并盡可能??；被控參數(shù)測(cè)量值是否能快速達(dá)到設(shè)定值，做到無(wú)超調(diào)快速跟蹤；控制器MV 是否平穩(wěn)，被控閥門(mén)(也有可能是變頻器或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備)波動(dòng)是否符合要求并盡可能??；控制回路在保證自身控制參數(shù)穩(wěn)定的同時(shí)是否對(duì)下游回路造成干擾。

已經(jīng)投用自動(dòng)或串級(jí)的回路如果能夠做好以上幾點(diǎn)，則認(rèn)為該回路控制效果良好，否則該回路判定為需要進(jìn)行優(yōu)化的控制效果不良回路。

(4)裝置操作頻繁，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

(5)個(gè)別裝置控制方案不完善，部分重要參數(shù)沒(méi)有控制。

(6)由于裝置平穩(wěn)率不高，造成裝置產(chǎn)品的收率波動(dòng)較大。

由于裝置經(jīng)?？坎僮魅藛T手工操作，而每個(gè)操作人員的操作方式和手法存在較大分散性和差異性，造成裝置操作的不穩(wěn)定，引起裝置產(chǎn)品的收率波動(dòng)較大。

為解決上述問(wèn)題對(duì)裝置運(yùn)行造成的影響，需要應(yīng)用內(nèi)模控制和全流程自動(dòng)技術(shù)對(duì)裝置控制回路進(jìn)行全面優(yōu)化。

2 內(nèi)?？刂萍叭鞒套詣?dòng)

2.1 內(nèi)?？刂?/h3>

2.1.1 內(nèi)?？刂聘攀?/p>

內(nèi) 模 控 制(internal model control，IMC) 方 法 是設(shè)計(jì)控制器的一種新型控制策略。內(nèi)?？刂聘鶕?jù)工藝流程和控制原理，建立控制過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行研究分析計(jì)算，從而設(shè)計(jì)出內(nèi)模控制器。內(nèi)模控制不需要非常精確的對(duì)象數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)參數(shù)少，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。內(nèi)模控制的跟蹤性能好，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)模型失配有一定的魯棒性[2]，在異常情況下具備一定維護(hù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的能力，使其在工業(yè)過(guò)程控制中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

內(nèi)?？刂茖?shí)際上就是將對(duì)象模型與實(shí)際對(duì)象相并聯(lián)，控制器逼近模型的動(dòng)態(tài)逆，它的一般結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖

圖1 中，R為設(shè)定值；U(s)為輸入變量；D(s)為干擾變量；Yp為對(duì)象輸出，Ym為內(nèi)部模型輸出；Gc(s)為內(nèi)模控制器；Gp(s)為被控對(duì)象，Gm(s)為內(nèi)部模型；Gf(s)為反饋濾波器。根據(jù)內(nèi)模PID 控制的結(jié)構(gòu)圖，可以得出其閉環(huán)輸出公式為：

當(dāng)Gf=1 時(shí)，控制系統(tǒng)不存在反饋值，為1 自由度系統(tǒng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)?？刂破鱃c(s)來(lái)改善系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性；當(dāng)Gf≠1 時(shí)，控制系統(tǒng)為2 自由度系統(tǒng)，除了內(nèi)模控制器Gc(s)外，還可以通過(guò)反饋濾波器Gf(s)來(lái)幫助調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)平衡，更好地提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

2.1.2 內(nèi)模控制系統(tǒng)性質(zhì)

(1)對(duì)偶穩(wěn)定性：當(dāng)模型精確匹配時(shí)(Gp(s)=Gm(s))，內(nèi)?？刂频慕Y(jié)構(gòu)可以等效為開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，即控制器和被控對(duì)象同時(shí)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定。內(nèi)?？刂频膶?duì)偶穩(wěn)定性可以大大簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)的分析計(jì)算過(guò)程，對(duì)大滯后、非線性等復(fù)雜對(duì)象的研究非常友好。

(2)理想控制性：假設(shè)Gp(s)=Gm(s)且Gp(s)穩(wěn)定，如果內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)為GC(s)=Gm-1(s)，并且對(duì)象模型的逆物理可以實(shí)現(xiàn)時(shí)，無(wú)論外界因素對(duì)控制系統(tǒng)是否有干擾，內(nèi)?？刂凭梢韵蓴_，穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)理想控制[3]。

(3)零穩(wěn)態(tài)偏差性：當(dāng)控制系統(tǒng)閉環(huán)且穩(wěn)定時(shí)，只要控制器和模型的穩(wěn)態(tài)增益乘積為1，那么不管對(duì)象與模型是否匹配，都可以保證控制系統(tǒng)不受常值干擾和階躍干擾的影響，輸出值最終穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)偏差控制。

2.1.3 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)

要采用內(nèi)?？刂频姆椒▽?shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，先要進(jìn)行內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)。首先，按照理想化情況設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的內(nèi)?？刂破?，使控制系統(tǒng)能夠在閉環(huán)情況下保持穩(wěn)定；然后，在控制系統(tǒng)中加入反饋濾波器，反饋值與設(shè)定值共同作用于內(nèi)?？刂破?；最后，根據(jù)被控對(duì)象的期望特性和控制效果設(shè)置內(nèi)模控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，保證控制系統(tǒng)的控制效果。

2.2 全流程自動(dòng)控制

全流程自動(dòng)控制以PID 優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，在每個(gè)回路都實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制之后，完善控制策略，實(shí)現(xiàn)上下游生產(chǎn)裝置全流程的自動(dòng)化控制。濟(jì)南煉化生產(chǎn)裝置全流程自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中，采用多崗位分單元優(yōu)化，多回路聯(lián)動(dòng)優(yōu)化，再通過(guò)上下游綜合優(yōu)化的方式，實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)控制[4]。

從總體上看，裝置全流程自動(dòng)化優(yōu)化的目的在于：提高裝置的自動(dòng)化水平，改善工藝參數(shù)的控制效果，降低原材料消耗和能耗，提高產(chǎn)品收率，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升企業(yè)的資源利用率和管理水平。全流程自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)步驟大致可以分為三步：(1)模塊優(yōu)化，單元穩(wěn)態(tài)；(2)結(jié)合工藝的全流程自動(dòng)梳理；(3)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)品收率優(yōu)化。

2.2.1 模塊優(yōu)化

裝置模塊優(yōu)化主要包括控制回路優(yōu)化和表閥性能測(cè)試與攻關(guān)兩部分。項(xiàng)目開(kāi)展后首先進(jìn)行控制回路全面優(yōu)化，針對(duì)當(dāng)前DCS 上控制效果不佳，自動(dòng)投用率低的回路，解決未能投用自動(dòng)回路和投用自動(dòng)波動(dòng)較大回路的問(wèn)題，然后進(jìn)行控制方案優(yōu)化，在已有條件下，實(shí)現(xiàn)部分回路聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)控制。儀表閥門(mén)性能測(cè)試攻關(guān)主要是確定儀表的可靠性和閥門(mén)的運(yùn)行特性。儀表的準(zhǔn)確性可以避免因測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差導(dǎo)致控制系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差，閥門(mén)的運(yùn)行特性可以提高控制響應(yīng)目標(biāo)，從而保證系統(tǒng)的控制質(zhì)量，避免引起不必要的后果。

2.2.2 結(jié)合工藝的全流程自動(dòng)梳理

裝置全流程自動(dòng)梳理主要包括控制方案優(yōu)化和多變量解耦兩部分。部分裝置的控制難點(diǎn)在于進(jìn)料組分流量比值控制和爐內(nèi)負(fù)荷分配問(wèn)題，上游工序會(huì)直接影響下游工序的平穩(wěn)操作，上下游裝置之間需要緊密配合，調(diào)整不及時(shí)會(huì)有裝置停車甚至設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)自動(dòng)控制進(jìn)料流量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)進(jìn)料組分流量的比值控制，需要完善上下游控制程序，解決其變化相互影響的問(wèn)題。進(jìn)料組分的控制，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。裝置的控制方案優(yōu)化和多變量解耦同步進(jìn)行，才能達(dá)到理想的優(yōu)化效果。

2.2.3 產(chǎn)品質(zhì)量與收率優(yōu)化

裝置物料和能量平衡主要依靠全流程上下游的協(xié)調(diào)一致來(lái)實(shí)現(xiàn)，以原料波動(dòng)為例。在石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，要面臨的問(wèn)題就是原料的變化波動(dòng)。原油混合了烷烴、芳香烴和烯烴等多種液態(tài)烴，不僅原油的進(jìn)料量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，原油的組分情況也在實(shí)時(shí)變化，進(jìn)而實(shí)時(shí)影響著后續(xù)裝置進(jìn)料的變化。因此，要實(shí)現(xiàn)裝置的全流程自動(dòng)，要克服原料變化的影響，且能夠在下游負(fù)荷變化后，上游工序能夠及時(shí)自動(dòng)平穩(wěn)的響應(yīng)。

通過(guò)物料平衡與能量平衡的控制優(yōu)化，提升裝置自動(dòng)控制平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)裝置工藝參數(shù)接近臨界點(diǎn)的“卡邊操作”，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃提升裝置產(chǎn)品質(zhì)量及收率，發(fā)揮全流程自動(dòng)控制帶來(lái)的最大價(jià)值。

3 實(shí)施效果

采用先進(jìn)的PID 優(yōu)化技術(shù)和全流程自動(dòng)控制技術(shù)，能夠大大提高裝置自控水平。對(duì)單個(gè)回路而言，原本需要操作人員手動(dòng)控制的回路投用自動(dòng)，且達(dá)到較好的控制效果，能大大減輕操作人員工作負(fù)擔(dān)；回路控制平穩(wěn)，其對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度波動(dòng)減小，可以延長(zhǎng)閥門(mén)使用壽命，降低更換閥門(mén)等設(shè)備的成本。對(duì)煉化企業(yè)而言，生產(chǎn)裝置的自控率和平穩(wěn)率提升，裝置穩(wěn)定運(yùn)行，能夠有效減小產(chǎn)品產(chǎn)率、組分等的波動(dòng)，提高生產(chǎn)安全性，進(jìn)而帶動(dòng)煉化企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升[5]。

3.1 裝置自控率提升

控制優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施后，濟(jì)南煉化全廠生產(chǎn)裝置自控率顯著提升，典型裝置的自控率前后對(duì)比如表1所示。

表1 典型裝置的自控率前后對(duì)比

全廠裝置的自控率平均水平由40.56% 提高至98.00%以上。裝置自動(dòng)化水平明顯提升，控制回路的控制質(zhì)量也得到大幅度改善，為生產(chǎn)運(yùn)行的平穩(wěn)高效創(chuàng)造有利條件。自控率是衡量石化生產(chǎn)裝置自動(dòng)化程度的重要指標(biāo)，在總控制回路數(shù)和不參與統(tǒng)計(jì)的控制回路數(shù)保持一定時(shí)，投自動(dòng)的控制回路數(shù)越多，裝置自控率就越高。裝置自控率的提升意味著一定數(shù)量的控制回路從手動(dòng)狀態(tài)調(diào)整為自動(dòng)狀態(tài)，從單個(gè)回路的角度來(lái)看，回路的控制效果大大提升，單回路控制更加穩(wěn)定；從全廠裝置的角度來(lái)看，可以大大提高全廠裝置控制的自動(dòng)化程度，減少操作人員工作量，同時(shí)降低因人工操作失誤導(dǎo)致報(bào)警的概率。

3.2 裝置平穩(wěn)率提升

項(xiàng)目實(shí)施前，濟(jì)南煉化裝置平穩(wěn)率較低，通過(guò)控制器參數(shù)優(yōu)化、控制方案修改等工作，裝置平穩(wěn)率大大提高，典型裝置的平穩(wěn)率前后對(duì)比如表2 所示。

表2 典型裝置的平穩(wěn)率前后對(duì)比

全廠裝置的平穩(wěn)率平均水平由原來(lái)的82%提高至98%以上。裝置平穩(wěn)率的提高可以減小閥門(mén)波動(dòng)以及液位、流量、壓力等的波動(dòng)，增強(qiáng)裝置的抗干擾能力，提高生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。

3.3 回路控制效果改善

控制優(yōu)化項(xiàng)目以全流程自動(dòng)的思想整定PID 參數(shù)，各回路控制效果得到明顯改善。圖2 所示為酮苯裝置蠟下油液加熱器蒸汽流量FIC452 優(yōu)化前后控制效果圖。優(yōu)化前為手動(dòng)控制，用原參數(shù)投用自動(dòng)后，流量出現(xiàn)近似等幅振蕩，波動(dòng)幅度占量程的25%，控制器參數(shù)優(yōu)化后，流量控制非常穩(wěn)定，參數(shù)圖形近似一條直線。

圖2 FIC452 優(yōu)化前后控制效果

3.4 節(jié)能降耗

在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，項(xiàng)目通過(guò)優(yōu)化壓力控制、溫度控制等，減少了生產(chǎn)過(guò)程中熱源和電源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)；優(yōu)化人工操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝置的平穩(wěn)性，提升裝置干擾發(fā)生時(shí)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行的“安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)”。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)全流程自動(dòng)控制優(yōu)化項(xiàng)目的實(shí)施，生產(chǎn)裝置的自控率有了較大提升，目的產(chǎn)品收率的波動(dòng)顯著降低，裝置平穩(wěn)率和產(chǎn)品合格率得到提高，從而為裝置增產(chǎn)增效、節(jié)能降耗提供了有力保障。同時(shí)，裝置自動(dòng)化水平的提升也間接提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，助力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。