多變量預(yù)測(cè)控制在異構(gòu)脫蠟裝置加熱爐中的應(yīng)用

潘利鵬， 樊君誼

(1.山西潞安煤基清潔能源有限公司，山西 襄垣 046200；2.山西星楓智控科技有限公司，山西 太原 030000)

引 言

潞安高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項(xiàng)目是一個(gè)煤炭高端轉(zhuǎn)化、深度轉(zhuǎn)化的示范項(xiàng)目，也是“技術(shù)創(chuàng)新+產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新+商業(yè)模式創(chuàng)新”的一個(gè)示范。基礎(chǔ)油分廠異構(gòu)脫蠟裝置作為潞安清潔能源的關(guān)鍵裝置之一，是全球首套以煤基費(fèi)托蠟為原料，采用美國雪佛龍公司的最先進(jìn)的異構(gòu)脫蠟(IDW)技術(shù)，生產(chǎn)35萬t/a優(yōu)質(zhì)的API III+類潤滑油基礎(chǔ)油，其產(chǎn)品品質(zhì)與目前市場(chǎng)主流的三類油在黏度指數(shù)、低溫性能及蒸發(fā)損失等指標(biāo)方面有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，打破了國內(nèi)高端合成基礎(chǔ)油依賴進(jìn)口的局面，填補(bǔ)了我國高端基礎(chǔ)油市場(chǎng)的空白。

異構(gòu)脫蠟裝置共有4臺(tái)加熱爐，4臺(tái)加熱爐貫穿了整個(gè)裝置，是裝置的核心控制設(shè)備。但從加熱爐的控制現(xiàn)狀分析，常規(guī)的PID控制技術(shù)完全適應(yīng)不了該過程的復(fù)雜特性，該過程控制存在具有大慣性、大滯后和非線性等問題[1]，導(dǎo)致傳統(tǒng)PID串級(jí)控制無法投用，加熱爐出口溫度控制難以保證，制約了異構(gòu)脫蠟裝置的發(fā)展。本文以潞安集團(tuán)異構(gòu)脫蠟裝置的加熱爐為工業(yè)應(yīng)用背景，采用多變量預(yù)測(cè)控制(MPC)軟件，結(jié)合生產(chǎn)狀況和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)4臺(tái)加熱爐分別建立過程模型，開發(fā)了4套智能控制軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加熱爐的智能控制，取得了良好的控制效果。

1 工藝簡(jiǎn)介及控制分析

1 工藝流程簡(jiǎn)介

異構(gòu)脫蠟裝置是將來自油品加工廠加氫精制單元的精制減底油，和加氫裂化壓縮單元來的新鮮氫氣混合成混氫油，在一定溫度、壓力及催化劑條件下，經(jīng)過加氫異構(gòu)反應(yīng)、后加氫精制反應(yīng)，得到的加氫生成油再經(jīng)過常壓分餾塔、輕減壓塔、產(chǎn)品汽提塔、重減壓塔、石腦油穩(wěn)定塔生產(chǎn)合格的基礎(chǔ)油產(chǎn)品及副產(chǎn)品，主要產(chǎn)品有XLN、LN、MN、HN 及6cSt 調(diào)和潤滑油基礎(chǔ)油，副產(chǎn)品有輕柴油、重/混合柴油、穩(wěn)定石腦油、LPG 及干氣。

在異構(gòu)脫蠟裝置共有4臺(tái)加熱爐，分別是異構(gòu)脫蠟進(jìn)料加熱爐(F001)、分餾塔進(jìn)料加熱爐(F002)、輕減塔進(jìn)料加熱爐(F003)和重減壓塔進(jìn)料加熱爐(F004)。加熱爐是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于加氫異構(gòu)反應(yīng)器的控制及后續(xù)的分餾塔、輕減壓塔、重減壓塔的各個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量和收率均起著至關(guān)重要的作用。

1.2 加熱爐控制現(xiàn)狀分析

異構(gòu)脫蠟裝置目前已采用的是ABB公司的集散控制系統(tǒng)(DCS)。由于異構(gòu)脫蠟裝置生產(chǎn)過程的工藝特點(diǎn)及常規(guī)控制系統(tǒng)的局限性，裝置的平穩(wěn)操作和高質(zhì)量控制難以進(jìn)一步提高，尤其是作為該裝置關(guān)鍵設(shè)備的4臺(tái)加熱爐，而采用多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)能夠有效進(jìn)一步提高裝置的平穩(wěn)性和產(chǎn)品質(zhì)量。

加熱爐目前存在的問題及控制難點(diǎn)是：1) 4臺(tái)加熱爐的加熱方式均采用的是燃料氣加熱，但是，由于燃料氣均來自其他裝置的副產(chǎn)物，燃料氣的組分、熱值容易受其他裝置影響，且震蕩嚴(yán)重，尤其是變壓吸附和氣化裝置的干擾較為嚴(yán)重，震蕩周期不固定；2) 裝置的干擾因素多，對(duì)加熱爐的影響大，如：異構(gòu)脫蠟的原料組分波動(dòng)、進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、裝置內(nèi)系統(tǒng)的干擾以及環(huán)境條件變化等，這些因素均影響加熱爐的平穩(wěn)操作；3) 溫度控制作為過程控制領(lǐng)域中最重要的控制參數(shù)之一，其中加熱爐控制是溫度控制的一個(gè)典型示例，加熱爐動(dòng)態(tài)特征常具有大慣性、大滯后和非線性等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，如果仍采用傳統(tǒng)的PID控制方式，控制精度及控制效果非常不理想，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)震蕩，甚至發(fā)散的現(xiàn)象產(chǎn)生，PID串級(jí)控制均無法投用。因此，需要操作人員手動(dòng)頻繁的調(diào)節(jié)來控制各個(gè)進(jìn)料加熱爐出口溫度，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度特別大，同時(shí)也存在控制不及時(shí)的問題，也不能達(dá)到平穩(wěn)和一致的控制效果[2]。

2 優(yōu)化控制方案

2.1 多變量預(yù)測(cè)控制技術(shù)

多變量預(yù)測(cè)控制是一種基于預(yù)測(cè)模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略。模型預(yù)測(cè)控制的基本出發(fā)點(diǎn)與傳統(tǒng)控制(如PID 控制)不同，傳統(tǒng)控制是根據(jù)過程當(dāng)前和過去的輸出測(cè)量值與設(shè)定值的偏差來確定當(dāng)前的控制輸入，而預(yù)測(cè)控制基于模型的預(yù)測(cè)控制，不但利用當(dāng)前和過去的偏差值，還利用預(yù)測(cè)模型來預(yù)估過程未來的偏差值，以滾動(dòng)優(yōu)化確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略[3]。

多變量預(yù)測(cè)控制一般有三個(gè)基本特征，即預(yù)測(cè)控制、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法。但是，優(yōu)化過程不是一次離線完成的，而是反復(fù)在線進(jìn)行的。即在每一采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及從該時(shí)刻到未來的有限時(shí)間內(nèi)，而到下一個(gè)采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段會(huì)同時(shí)向前推進(jìn)，這就是滾動(dòng)優(yōu)化的概念。這種在線反復(fù)進(jìn)行的優(yōu)化算法，能有效克服和校正過程中的各種不確定性，保持最優(yōu)控制[4]。模型預(yù)測(cè)控制正是以其建模方便、魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣以及便于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，才使最優(yōu)控制的思想在過程工業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用，使得過程控制中強(qiáng)耦合、大時(shí)滯等難題迎刃而解。

2.2 多變量預(yù)測(cè)控制軟硬件組成結(jié)構(gòu)

異構(gòu)脫蠟多變量預(yù)測(cè)控制的平臺(tái)是DCS，采用上位機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn) MPC所有功能，需配置1臺(tái)專門的服務(wù)器，在服務(wù)器上安裝MPC系統(tǒng)軟件，該服務(wù)器通過交換機(jī)連接OPC服務(wù)器并與DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，完成組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)讀寫功能和閉環(huán)控制。

OPC是與設(shè)備無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，通過OPC服務(wù)器訪問過程數(shù)據(jù)，可以克服各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，具有廣泛的適用性。實(shí)施過程中，需要在DCS系統(tǒng)中組態(tài)上位人機(jī)交互界面，用于顯示及操作，下位程序用于與MPC系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)MPC系統(tǒng)對(duì)DCS系統(tǒng)中變量的控制，達(dá)到MPC與DCS數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)MPC和DCS控制的無擾切換。MPC控制器投用以后，將取代操作工，對(duì)裝置的關(guān)鍵操作變量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。MPC系統(tǒng)利用自帶數(shù)據(jù)庫通過OPC從DCS上讀取過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行離線模型辨識(shí)、控制器設(shè)計(jì)與離線仿真，生成的最終模型裝入模型文件，進(jìn)行在線RMPCT控制，并將計(jì)算出的最優(yōu)結(jié)果寫到DCS系統(tǒng)相關(guān)回路的設(shè)定值上，從而實(shí)現(xiàn)MPC自動(dòng)控制的目的[5]。

2.3 優(yōu)化控制方案的實(shí)施

多變量預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)過程中，需要在對(duì)工藝技術(shù)了解的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)需要和現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出有效的實(shí)施方案，并按照方案對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行階躍測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)整理分析，結(jié)合生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各個(gè)加熱爐的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，得到加熱爐出口溫度控制的動(dòng)態(tài)模型。利用MPC中的控制器設(shè)計(jì)軟件，按照加熱爐的工藝特點(diǎn)、工藝指標(biāo)和控制要求并結(jié)合功能設(shè)計(jì)方案選取合理的操縱變量、被控變量及干擾變量搭建多變量預(yù)測(cè)控制器。最后利用在線運(yùn)行軟件構(gòu)成閉環(huán)的多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)在線修正相關(guān)參數(shù)，讓控制器與運(yùn)行設(shè)備完美切合，實(shí)現(xiàn)控制器系統(tǒng)上線運(yùn)行[6]。

加熱爐是異構(gòu)脫蠟裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其出口溫度直接影響著下游設(shè)備的運(yùn)行。四臺(tái)加熱爐分別對(duì)應(yīng)不同的位置，異構(gòu)脫蠟進(jìn)料加熱爐后直接對(duì)應(yīng)的是異構(gòu)脫蠟反應(yīng)器，如果加熱爐出口溫度過高，將會(huì)導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的溫度過高，造成反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量積聚，影響到裝置的安全生產(chǎn)；如果出口溫度過低，又會(huì)導(dǎo)致加氫反應(yīng)溫度達(dá)不到，影響異構(gòu)脫蠟反應(yīng)進(jìn)行，生產(chǎn)的基礎(chǔ)油產(chǎn)品傾點(diǎn)不合格。分餾塔進(jìn)料加熱爐、輕減壓塔進(jìn)料加熱爐、重減壓塔進(jìn)料加熱爐分別連接的是各個(gè)分離塔，加熱爐的出口溫度大幅度波動(dòng)，將會(huì)影響各個(gè)分離塔的操作，分離塔內(nèi)的流程紊亂，產(chǎn)品互竄，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 多變量預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

加熱爐控制器的主要目標(biāo)是保證加熱爐安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)出口溫度平穩(wěn)控制，提高加熱爐熱效率，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少燃料氣消耗，消除對(duì)后系統(tǒng)的沖擊。其控制策略在于充分發(fā)揮多變量模型預(yù)測(cè)控制、多變量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，解決各個(gè)加熱爐操作變量、被控變量、干擾變量的關(guān)系，控制器執(zhí)行周期為1 min。加熱爐的操作變量均為各個(gè)加熱爐的燃料氣調(diào)節(jié)閥，被控變量設(shè)計(jì)為加熱爐出口溫度，干擾變量基本為進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度和燃料氣的比重。圖1～圖4分別是F001～F004出口溫度在多變量預(yù)測(cè)控制器投用前后的效果對(duì)比圖，其中橫坐標(biāo)是時(shí)間，選用的是5 day；縱坐標(biāo)為溫度，選用的范圍均為15 ℃。

圖1 F001加熱爐出口溫度投用控制器前后對(duì)比圖

圖2 F002加熱爐出口溫度投用控制器前后對(duì)比圖

圖3 F003加熱爐出口溫度投用控制器前后對(duì)比圖

圖4 F004加熱爐出口溫度投用控制器前后對(duì)比圖

從圖1～圖4可以看出，多變量預(yù)測(cè)控制在加熱爐投用后取得了非?？捎^的效果。多變量預(yù)測(cè)控制充分利用控制器的模型預(yù)測(cè)和多變量協(xié)調(diào)特點(diǎn)，克服或抵御外部干擾，保證加熱爐出口溫度平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)整個(gè)裝置內(nèi)的增產(chǎn)、提質(zhì)、節(jié)能降耗，有著很大的作用。多變量預(yù)測(cè)控制實(shí)施后，在原有的DCS基礎(chǔ)上，又增加一道安全防線，進(jìn)一步降低設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，加熱爐出口溫度穩(wěn)定后，能夠有效延遲加氫異構(gòu)反應(yīng)器的催化劑壽命及相應(yīng)設(shè)備的壽命。目前，四臺(tái)加熱爐控制器投用率為100%，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，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，同時(shí)對(duì)于外界干擾尤其是燃料氣的波動(dòng)具有一定的克服能力。

4 結(jié)論

多變量預(yù)測(cè)控制在異構(gòu)脫蠟裝置四臺(tái)加熱爐上成果應(yīng)用，有效解決了常規(guī)PID控制中的易受干擾和滯后的難題，體現(xiàn)了其在溫度控制上的巨大優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際投用結(jié)果表明，該控制技術(shù)對(duì)提高加熱爐出口溫度的控制精度和平穩(wěn)操作均有顯著功效，對(duì)企業(yè)可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，值得在相關(guān)類型溫度控制上推廣應(yīng)用。