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    先進(jìn)控制技術(shù)在常壓蒸餾裝置的應(yīng)用

    2019-11-20 22:17:38劉建周雷紅星
    中國信息化 2019年10期
    關(guān)鍵詞:常壓塔常壓加熱爐

    劉建周 雷紅星

    一 引言

    石油化工裝置一般具有時變性、非線性、耦合性及外部擾動的隨機(jī)性和不可檢測等特性,因而,流程工業(yè)過程的控制系統(tǒng)設(shè)計存在著極大的困難,而傳統(tǒng)的PID控制算法則難以滿足其控制質(zhì)量和效益要求。積極開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)控制和實時優(yōu)化,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,進(jìn)而增強(qiáng)自身的競爭力是煉化行業(yè)迎接挑戰(zhàn)的重要對策。

    慶陽石化公司通過實施先進(jìn)控制系統(tǒng),采用具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的多變量預(yù)測控制軟件PACROS在常壓爐和常壓塔兩個單元應(yīng)用,增強(qiáng)了裝置運行平穩(wěn)性,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制,提高目標(biāo)產(chǎn)品收率,同時減輕操作人員勞動強(qiáng)度,解決了裝置控制難點,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

    二 工藝介紹

    慶陽石化常壓蒸餾裝置為燃料型常壓蒸餾裝置,目前年處理量為370萬噸,原料以長慶混合油為主,裝置包括常壓爐和常壓塔兩部分,主要產(chǎn)品有常頂油、常一線油、常二線油、常三線油和常壓渣油。

    原油分兩路經(jīng)脫前換熱器進(jìn)行換熱,隨后合并進(jìn)入一級電脫鹽罐D(zhuǎn)-101A和二級電脫鹽罐D(zhuǎn)-101B,脫后原油分兩路分別換熱至177℃和183℃,混合后進(jìn)入閃蒸塔C-101。閃蒸塔頂油氣進(jìn)入常壓塔的第20塊塔板,閃蒸塔底油經(jīng)經(jīng)常壓爐加熱至365℃后進(jìn)入常壓塔C-102進(jìn)行分離。常壓塔設(shè)三條側(cè)線,一個頂回流,一個頂循和兩個中段回流,常一、常二和常三線都設(shè)計了汽提塔,采用過熱蒸汽汽提。常頂汽油作為后續(xù)汽油加氫裝置原料,常一線航煤作為后續(xù)航煤加氫原料,常二、常三柴油作為后續(xù)柴油加氫原料。塔底渣油作為催化原料出裝置。

    三 過程控制問題分析

    常壓蒸餾裝置整體控制效果比較理想,原料性質(zhì)平穩(wěn),裝置運行相對穩(wěn)定,生產(chǎn)工藝和設(shè)備運行正常,現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)良好,采用ABB AC800F控制系統(tǒng),PID控制回路自控率高,達(dá)到95%以上。但在控制方面主要仍存在可提升的空間:

    (一)加熱爐未實現(xiàn)支路平衡控制,存在各支路出口溫度不均衡,偏差過大,影響爐管壽命,嚴(yán)重時影響爐子壽命;

    從圖表中可以看出,出口溫度最高達(dá)365.7℃,最低359.7℃,偏差達(dá)6℃,具有一定的優(yōu)化空間。

    (二)常規(guī)PID控制抗干擾能力有限,常規(guī)PID控制屬于偏差控制,只有存在偏差時才會進(jìn)行調(diào)節(jié),如進(jìn)料量或瓦斯壓力波動導(dǎo)致爐出口溫度發(fā)生波動,當(dāng)該溫度產(chǎn)生波動時PID控制器才會進(jìn)行調(diào)整,存在調(diào)整不及時的缺點。

    (三)裝置存在部分變量為非PID點,如氧含量、負(fù)壓等,該類變量通常需要操作人員手動調(diào)節(jié)相關(guān)變量來實現(xiàn)控制,本文中氧含量和負(fù)壓需要調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)前蝶閥和煙道擋板來控制,存在調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)量無法準(zhǔn)確確定的問題,并且會增加操作人員的勞動強(qiáng)度。

    (四)常壓塔各產(chǎn)品質(zhì)量需化驗室分析得出結(jié)果,不僅無法進(jìn)行實時控制,并且存在產(chǎn)品質(zhì)量過剩問題,影響生產(chǎn)裝置輕油收率。

    綜上所述,在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上,通過應(yīng)用先進(jìn)控制軟件PACROS,選擇合適的控制策略,通過實施先進(jìn)控制技術(shù),可有效解決上述問題。

    四 狀態(tài)反饋模型預(yù)測算法

    被控過程的數(shù)學(xué)模型可由如下狀態(tài)控制方程描述。

    五 先進(jìn)控制器設(shè)計

    常壓蒸餾裝置采用ABB AC800F控制系統(tǒng),采用多變量預(yù)估控制技術(shù),并結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的在線計算,對各關(guān)鍵設(shè)備或單元實施先進(jìn)控制。

    (一)系統(tǒng)部署

    常壓蒸餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)通過兩臺高性能計算機(jī)分別作為先進(jìn)控制系統(tǒng)運行平臺及系統(tǒng)性能監(jiān)控平臺。先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS的連接通訊通過OPC接口實現(xiàn),這種連接方式可以保證先進(jìn)控制系統(tǒng)有一個高性能的通用平臺,同時又確保整個系統(tǒng)的安全性和可靠性,如圖1所示。

    (二)功能設(shè)計

    先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計了加熱爐單元、常壓塔單元兩個控制器以及加熱爐支路平衡控制系統(tǒng),相應(yīng)的工藝計算及產(chǎn)品質(zhì)量計算由軟儀表系統(tǒng)提供。

    1、工藝指標(biāo)計算

    生產(chǎn)的目的是獲得合格的產(chǎn)品,產(chǎn)品質(zhì)量實驗室分析數(shù)據(jù)往往存在長時間滯后的問題,無法滿足在線實時控制和優(yōu)化操作的要求。為解決這類問題,軟測量技術(shù)隨之發(fā)展起來。軟測量技術(shù)就是利用易測的過程變量(常稱為輔助變量),依據(jù)這些易測變量與難以直接測量的待測過程變量(常稱為主導(dǎo)變量)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(軟測量模型),通過各種數(shù)學(xué)計算和估計方法,從而實現(xiàn)對待測過程變量的在線估計。

    常壓裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)主要產(chǎn)品質(zhì)量計算指標(biāo)如下:

    2、加熱爐控制器

    加熱爐為裝置提供熱量,是一個多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。爐出口溫度的變化直接影響過氣化率,進(jìn)而影響產(chǎn)品分布;爐膛負(fù)壓是保證加熱爐安全燃燒的一個重要指標(biāo);氧含量和排煙溫度則是提高熱效率,降低能耗的主要指標(biāo)。針對加熱爐單元,采取如下控制策略:

    (1)采用預(yù)測控制算法,利用狀態(tài)反饋、多變量協(xié)調(diào)和多周期控制,對常壓爐單元各關(guān)鍵變量進(jìn)行控制,提高裝置運行平穩(wěn)率,并實時監(jiān)測生產(chǎn)運行狀態(tài),及時調(diào)節(jié),確保生產(chǎn)參數(shù)不超報警限,保證裝置的生產(chǎn)安全。

    (2)利用先進(jìn)控制算法,平穩(wěn)控制煙氣氧含量和排煙溫度,并避免預(yù)熱器、煙囪出現(xiàn)露點腐蝕的前提下,降低氧含量及排煙溫度,進(jìn)而提高加熱爐熱效率。

    (3)將瓦斯壓力、進(jìn)料量作為前饋變量,根據(jù)前饋變量對被控變量的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)影響關(guān)系,實現(xiàn)多變量預(yù)測控制,提高抗干擾能力。

    (4)將煙氣氧含量、排煙溫度與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等變量納入系統(tǒng)中,實現(xiàn)兩者間的閉環(huán)控制,統(tǒng)一操作手法,減輕了操作人員勞動強(qiáng)度,取得良好社會效益。

    加熱爐控制器變量列表如下:

    3、常壓塔控制器

    常壓蒸餾的主要任務(wù)是按產(chǎn)品方案將原油切割成符合質(zhì)量要求的半成品,為煉油廠二次加工裝置、化工裝置提供優(yōu)質(zhì)原料。常壓塔是蒸餾裝置的核心設(shè)備之一,常壓塔的工藝技術(shù)條件、運行狀況直接影響裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率、裝置能耗、經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備運行周期。針對常壓塔單元,采取如下控制策略:

    (1)通過軟測量技術(shù),實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的實時計算,并在滿足控制精度的前提下,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的閉環(huán)控制,確保產(chǎn)品質(zhì)量合格。

    (2)實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的卡邊控制,提高輕質(zhì)油收率。

    (3)在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下,優(yōu)化中段回流取熱比例,降低過汽化率,減少燃料消耗,實現(xiàn)節(jié)能降耗。

    (4)充分考慮裝置存在的干擾,作為前饋變量納入先進(jìn)控制系統(tǒng)。前饋變量能預(yù)測各事件對被控變量的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)影響,多變量控制器據(jù)此作出相應(yīng)的前饋補(bǔ)償控制以平穩(wěn)生產(chǎn),提供抗干擾能力。

    4、加熱爐支路平衡系統(tǒng)

    加熱爐支路平衡系統(tǒng)在保持總進(jìn)料不變的前提下,通過對四路支路流量進(jìn)行優(yōu)化分配,以實現(xiàn)各支路出口溫度相近的目的。

    常壓爐為東西爐膛布局,每側(cè)各分兩支進(jìn)料,先進(jìn)控制策略為首先判斷東西側(cè)爐膛支路偏差,若東側(cè)或西側(cè)支路偏差為有差,則單獨調(diào)整各側(cè)的支路流量;若東側(cè)或西側(cè)支路偏差為無差范圍,則再判定東西兩側(cè)平均溫度的偏差。

    同時加熱爐支路平衡系統(tǒng)設(shè)定了提降量操作,操作人員改變總進(jìn)料目標(biāo)值,則系統(tǒng)自動實現(xiàn)提量或降量。

    為防止各支路流量偏差過大,將支路流量偏差作為約束變量,當(dāng)達(dá)到約束上限或下限時,則停止對流量的再分配。

    六 應(yīng)用效果

    先進(jìn)控制應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在提高裝置運行平穩(wěn)性,減少各支路溫度偏差,增加高價值產(chǎn)品收率等方面。

    (一)提高裝置運行平穩(wěn)性

    先進(jìn)控制系統(tǒng)充分發(fā)揮模型預(yù)測與多變量控制的特點,提高裝置抗干擾能力,通過定量計算,重要變量波動的均方差降低20%以上,提高了裝置的平穩(wěn)率,減輕操作人員勞動強(qiáng)度。下面結(jié)果為72小時對比統(tǒng)計結(jié)果。

    (二)降低各支路溫度偏差

    支路平衡的目的是解決各支路出口溫度偏差過大,影響加熱爐安全運行的問題,通過實際運行,各支路溫度偏差圍繞零點上下波動,無明顯偏差過大現(xiàn)象發(fā)生。

    (三)提高輕油收率

    在平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上通過對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行卡邊操作,實現(xiàn)了提高高價值產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

    1、原油性質(zhì)統(tǒng)計

    對標(biāo)定期間原油性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計,表明原油性質(zhì)穩(wěn)定,滿足有效對比的條件。

    2、輕油收率統(tǒng)計

    輕油收率統(tǒng)計包括常頂汽油、常一線航煤、常二及常三柴油。

    在原料性質(zhì)、處理量及產(chǎn)品指標(biāo)基本一致的情況下,先進(jìn)控制系統(tǒng)相對于常規(guī)控制輕油收率提高 0.3%,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

    七 結(jié)論

    通過實施先進(jìn)控制,可以改善過程動態(tài)控制的性能,減少過程變量的波動幅度,使之能更接近其優(yōu)化目標(biāo)值,從而將生產(chǎn)裝置推至更接近其約束邊界條件下運行,最終達(dá)到增強(qiáng)裝置運行的穩(wěn)定性和安全性,保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性,提高目標(biāo)產(chǎn)品收率,增加裝置處理量,降低運行成本,推動企業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。

    作者單位:中國石油天然氣股份有限公司慶陽石化分公司

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