自控率提升項(xiàng)目在典型煉油裝置的應(yīng)用

王士新

（中國(guó)石化股份有限公司天津分公司，天津 300040）

當(dāng)前企業(yè)的煉油裝置經(jīng)常采用DCS 進(jìn)行控制，DCS 的采用為企業(yè)提高控制和管理水平起到了巨大的作用，而在DCS 的基礎(chǔ)上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化則可以用較小的投入取得較大的收益。

自控率指投入自動(dòng)控制的回路數(shù)占實(shí)際運(yùn)行的總回路數(shù)之比，是評(píng)估企業(yè)自動(dòng)化程度的核心指標(biāo)，是儀表應(yīng)用管理重要組成部分；平穩(wěn)率指工藝卡片超標(biāo)累計(jì)和與總的工藝卡片參與考核累計(jì)和之比，是衡量裝置運(yùn)行狀況的的量化指標(biāo)，是工藝管理的重要內(nèi)容。這兩個(gè)指標(biāo)的提升與優(yōu)化，關(guān)系到煉油裝置“安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)”的運(yùn)行，及其產(chǎn)品能否得到最優(yōu)的質(zhì)量、收率、能耗和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1 目前煉化裝置在自動(dòng)控制方面存在的主要問(wèn)題

隨著裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行與精細(xì)生產(chǎn)理念的提出，煉油裝置通過(guò)節(jié)能、隱患治理、質(zhì)量升級(jí)、環(huán)保治理等技術(shù)改造，工藝技術(shù)及安全水平不斷提高，結(jié)構(gòu)負(fù)荷得到了改善，但受操作習(xí)慣、控制方案、設(shè)備狀況等多種因素的制約，裝置自控率和裝置平穩(wěn)率仍相對(duì)薄弱，特別是部分裝置實(shí)際自控率依然處于一個(gè)偏低的水平，沒(méi)有充分發(fā)揮出控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、最優(yōu)控制功能，操作人員的工作強(qiáng)度依然較高，誤操作的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。

通過(guò)梳理某企業(yè)催化裂化、加氫裂化、延遲焦化幾種典型煉油裝置，主要存在問(wèn)題如下。

（1）部分PID 控制器處于手動(dòng)狀態(tài)，波動(dòng)較大，一些PID 調(diào)節(jié)器沒(méi)有投自動(dòng)或難以長(zhǎng)周期在自動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，部分已投入自動(dòng)運(yùn)行的PID 回路運(yùn)行效果也不好，表現(xiàn)為被控參數(shù)波動(dòng)幅度過(guò)大，有的甚至接近等幅振蕩。有的投入自動(dòng)運(yùn)行回路即使被控參數(shù)波動(dòng)不大，但是閥門經(jīng)常進(jìn)行頻繁大幅度開(kāi)關(guān)動(dòng)作，造成下游工況的惡化，設(shè)備損耗嚴(yán)重，影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）一些串級(jí)、均勻、前饋等復(fù)雜控制回路難以長(zhǎng)時(shí)間在自動(dòng)狀況下運(yùn)行，不能實(shí)現(xiàn)高精度控制，影響裝置指標(biāo)卡邊操作及節(jié)能降耗。

（3）對(duì)于操作人員，裝置系統(tǒng)操作難度及操作強(qiáng)度較大，操作彈性較小。

（4）裝置生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定，部分回路報(bào)警頻繁。

（5）控制方案不夠完善，即使負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)下也達(dá)不到全自動(dòng)化操作。

在某企業(yè)自控率提升項(xiàng)目前期數(shù)據(jù)收集階段，對(duì)項(xiàng)目涉及到的部分裝置進(jìn)行了DCS 自動(dòng)回路投用狀況的調(diào)研工作，調(diào)研數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 典型裝置優(yōu)化前調(diào)研數(shù)據(jù)

由表1可以看出，各裝置的自控率和串級(jí)投用率都不高，這些問(wèn)題的核心和實(shí)質(zhì)就是控制器設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化和參數(shù)整定不合理造成自控率較低。

2 提升優(yōu)化項(xiàng)目的技術(shù)路線

2.1 進(jìn)行裝置內(nèi)逐個(gè)單回路的優(yōu)化

回路優(yōu)化時(shí)要求不僅要回路控制得穩(wěn)，更重要的是控制閥門動(dòng)作要穩(wěn)。

2.2 完善裝置的控制回路方案

目前，很多生產(chǎn)裝置的回路設(shè)計(jì)還不完善，造成操作人員干預(yù)太多，而每個(gè)操作人員的操作手法差別較大，不熟練人員操作易造成裝置波動(dòng)。本項(xiàng)目中，將根據(jù)工藝過(guò)程和全流程自動(dòng)控制的需要完善控制回路，使裝置能滿足全流程自動(dòng)控制的要求。

2.3 考慮上下游協(xié)調(diào)的控制優(yōu)化和全流程自動(dòng)的實(shí)施

考慮裝置的上下游之間的協(xié)調(diào)，進(jìn)行控制器的優(yōu)化，并按照全流程自動(dòng)的思想實(shí)施，保證整個(gè)裝置的平穩(wěn)、優(yōu)化。

2.4 實(shí)施“基于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的帶評(píng)比考核功能的裝置自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控”

目前裝置自控率、平穩(wěn)率的監(jiān)控功能比較簡(jiǎn)單、人工輸入強(qiáng)度大，很難起到及時(shí)的監(jiān)督、考核、改進(jìn)的作用。實(shí)施自動(dòng)化的自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控”，能準(zhǔn)確、真實(shí)反映和記錄裝置實(shí)際狀況，并進(jìn)行所有裝置的排序和評(píng)比，能極大地督促和保證裝置自控率、平穩(wěn)率的提高。

3 提升優(yōu)化項(xiàng)目的具體技術(shù)措施

當(dāng)前，裝置控制器普遍采用PID 調(diào)節(jié)，PID 調(diào)節(jié)的具體情況如下。

（1）PID 控制的形式固定，無(wú)論是溫度、流量、液位還是壓力，也不管對(duì)象的具體特點(diǎn)，控制形式均采用一種相同的PID 控制形式，如采用：

其中K、T1、T2為比例、積分、微分系數(shù)，即為PID 參數(shù)。而實(shí)際上，由于對(duì)象特性不同，響應(yīng)時(shí)間不同，其PID 控制器的形式也應(yīng)該是有差異的，而目前的組態(tài)方式并沒(méi)有體現(xiàn)出這一差異而區(qū)別設(shè)置。

（2）PID 參數(shù)的設(shè)置（PID 參數(shù)的整定）往往很不合理

如某進(jìn)口品牌DCS 中，缺省PID 參數(shù)廠家若設(shè)置為100，20，0；組態(tài)完畢進(jìn)入生產(chǎn)裝置以后，操作工或工藝人員整定PID 參數(shù)時(shí)，往往只是在100，20，0附近進(jìn)行一些修改，而實(shí)際上，優(yōu)化的PID 參數(shù)往往與以上數(shù)據(jù)有巨大差別。而此時(shí)如何進(jìn)行設(shè)置，操作人員、工藝人員難以說(shuō)清楚，并且手工湊試往往滿足不了要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容可以歸結(jié)為幾個(gè)方面。

①根據(jù)生產(chǎn)裝置控制對(duì)象的不同特點(diǎn)，選用不同的PID 控制類型，如流量的調(diào)節(jié)可采用以下PID 形式：

在這種形式下，流量調(diào)節(jié)閥對(duì)流量擾動(dòng)干擾的影響將減小，能起到較好的控制效果。

②對(duì)于一個(gè)對(duì)象，對(duì)該對(duì)象選定的特定的PID 控制形式，根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)，用預(yù)測(cè)、內(nèi)模等先進(jìn)控制算法去整定PID 的參數(shù)，使對(duì)象穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，控制精度高。對(duì)特定的對(duì)象，對(duì)選定的控制器PID 形式及參數(shù)進(jìn)行仿真，若仿真能達(dá)到良好的效果，則將控制器PID 的形式及PID 參數(shù)下裝到DCS 中對(duì)應(yīng)的回路。

③對(duì)于系統(tǒng)中需要濾波的環(huán)節(jié)，組態(tài)增加一組一階數(shù)字濾波器，一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)如下：

④根據(jù)工藝流程特點(diǎn)，根據(jù)全流程自動(dòng)的思想，按照優(yōu)化控制的需要，適當(dāng)修改控制方案（如組態(tài)串級(jí)方案，比例控制等），實(shí)施全流程的自動(dòng)，以期達(dá)到平穩(wěn)操作，確保產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的需求。

⑤實(shí)施“基于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的帶評(píng)比考核功能的裝置自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)”，從運(yùn)行管理上督促和調(diào)整裝置自控率、平穩(wěn)率的提高。

4 提升優(yōu)化項(xiàng)目的實(shí)施內(nèi)容

4.1 搭建自控率平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)

按照公司、分廠、生產(chǎn)裝置、回路的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，分層統(tǒng)計(jì)自控率，包括分公司自控率、廠自控率、生產(chǎn)裝置自控率、回路自控率。自控率計(jì)算方法為：自控率＝所統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)投自動(dòng)的點(diǎn)數(shù)/總點(diǎn)數(shù)。系統(tǒng)可以任意查詢5年內(nèi)任意時(shí)間段、任意裝置、任意回路的自控率、平穩(wěn)率，采用一系列的數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行處理，以提高性能和速度。

4.2 控制回路的參數(shù)采集

搭建自控平穩(wěn)率監(jiān)控平臺(tái)、PID 及參數(shù)采集系統(tǒng)，方便后續(xù)優(yōu)化工作展開(kāi)，每套生產(chǎn)裝置原始數(shù)據(jù)的采集，對(duì)裝置每一個(gè)PID 控制回路，采集PV（過(guò)程值）、SV（給定值）、MV（閥位值）、MODE（手自動(dòng)模式值）。

4.3 優(yōu)化生產(chǎn)裝置PID控制器的形式

目前，裝置中PID 控制的形式固定，無(wú)論是溫度、流量、液位還是壓力，也不管對(duì)象的具體特點(diǎn)，控制形式基本采用一種相同的PID 控制形式。

本項(xiàng)目中，運(yùn)用先進(jìn)控制的思想去整定和優(yōu)化PID 控制器的形式和控制器參數(shù)，既保留了先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)、又保持了PID 的魯棒性，并且避免了一些先進(jìn)控制需單獨(dú)設(shè)置工作站、技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)。

如圖1所示，常規(guī)PID 控制如圖1左上，一般的先進(jìn)控制的實(shí)施如圖1右上和圖1左下，本項(xiàng)目中，將先進(jìn)控制與PID 相結(jié)合，其具體實(shí)現(xiàn)如圖1右下。

圖1 當(dāng)前先進(jìn)控制實(shí)施的形式

下面以內(nèi)模—PID 為例說(shuō)明本項(xiàng)目中先進(jìn)控制優(yōu)化整定PID 參數(shù)的具體思路。圖2 中描述了PID 控制和內(nèi)模控制之間的等價(jià)關(guān)系，可以非常方便地建立起內(nèi)模先進(jìn)控制和普通PID 之間的關(guān)系，即Gc=（I+CGm）-1C，從而可以從內(nèi)模控制Gc 求解出PID控制器C，從而得到PID 的參數(shù)，完成了內(nèi)?！狿ID的整定，并且整定后的PID 參數(shù)具有內(nèi)模先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 用內(nèi)?？刂普≒ID控制器參數(shù)原理

4.4 優(yōu)化PID參數(shù)的設(shè)置

對(duì)裝置上所有的回路進(jìn)行PID 參數(shù)整定，提升各回路的自動(dòng)控制效果，并解決參數(shù)不起控制作用的假自動(dòng)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，對(duì)于手動(dòng)回路以及未投用的復(fù)雜控制回路試投用并觀察運(yùn)行狀況。目前使用的手工湊試整定方法不能完全滿足PID 參數(shù)整定需要。項(xiàng)目實(shí)施中根據(jù)對(duì)象的具體特點(diǎn)，用預(yù)測(cè)、內(nèi)模等先進(jìn)控制算法去整定PID 的參數(shù)，使對(duì)象穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，控制精度高，對(duì)特定的對(duì)象，對(duì)選定的控制器PID 形式及參數(shù)進(jìn)行仿真，若仿真能達(dá)到良好的效果，則將控制器PID 的形式及PID 參數(shù)下發(fā)到DCS 中對(duì)應(yīng)的回路。

5 提升優(yōu)化項(xiàng)目的工作效果

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，各裝置很多回路控制效果大幅改善，并在此選取各裝置部分回路舉例說(shuō)明控制效果提升情況。

5.1 加氫裂化裝置

高低分畫(huà)面低分液位控制LIC3305優(yōu)化前無(wú)法投用串級(jí)自動(dòng)控制，需要手動(dòng)調(diào)整流量，操作較多，控制效果較差，波動(dòng)范圍達(dá)到12%。經(jīng)過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)串級(jí)自動(dòng)控制，波動(dòng)范圍減小到2.5%，能夠長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了低分液位的穩(wěn)定性。優(yōu)化前后控制效果對(duì)比如圖3所示。

圖3 高低分畫(huà)面低分液位控制LIC3305優(yōu)化前后控制效果對(duì)比圖

5.2 2#加氫裂化裝置

石腦油分餾塔回流罐界位LIC21002優(yōu)化前已投用自動(dòng)，但是控制效果不佳，界位始終處于大幅波動(dòng)，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，此界位控制回路控制效果大幅提升，界位波動(dòng)幅度由3.5%降至0.3%，能夠穩(wěn)定在設(shè)定值附近，同時(shí)凝結(jié)水量采出閥也基本維持穩(wěn)定，不再大開(kāi)大合。優(yōu)化前后控制效果對(duì)比如圖4所示：

圖4 石腦油分餾塔回流罐界位LIC21002優(yōu)化前后控制效果對(duì)比圖

5.3 2#延遲焦化裝置

穩(wěn)定塔底液位LICA30701優(yōu)化前投用先進(jìn)控制，但是由于控制作用不及時(shí)，使得穩(wěn)定塔底液位控制波動(dòng)較大。經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整以及自動(dòng)控制投用之后，控制效果明顯改善，波動(dòng)范圍從10%降至1%。穩(wěn)定塔液位平穩(wěn)使得穩(wěn)定塔整體控制平穩(wěn)性有所提升，同時(shí)穩(wěn)定塔采出流量也不再大幅變化。優(yōu)化前后控制效果對(duì)比如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定塔底液位LICA30701優(yōu)化前后控制效果對(duì)比圖

5.4 催化裂化裝置

再吸收塔液位控制LIC303優(yōu)化前處于自動(dòng)控制，但由于參數(shù)設(shè)置不合理，液位存在一定的波動(dòng)，同時(shí)閥門也有波動(dòng)，返回T2003的量也存在一定的波動(dòng)。優(yōu)化前后效果對(duì)比如圖6所示。

圖6 再吸收塔液位控制LIC303優(yōu)化前后控制效果對(duì)比圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此項(xiàng)目的實(shí)施，4套裝置的自控率都有很大程度的提升，目的產(chǎn)品收率的波動(dòng)有所降低，產(chǎn)品平穩(wěn)率和合格率得到了相應(yīng)提高（表2）。操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也降低到了項(xiàng)目實(shí)施前的1/5，裝置的報(bào)警也有很大程度的減少，從而為裝置增產(chǎn)增效，節(jié)能降耗提供了有力保障（表3）。

表2 典型裝置優(yōu)化前后自控率、平穩(wěn)率對(duì)比 %

表3 典型裝置優(yōu)化前后報(bào)警次數(shù)對(duì)比