先進過程控制技術(shù)在芳烴聯(lián)合裝置的應(yīng)用研究

＊韓文華 楊紀 盛騰飛

（中海油惠州石化有限公司 廣東 516086）

先進過程控制技術(shù)（Advanced Process Control，APC）在石油化工生產(chǎn)過程的應(yīng)用使生產(chǎn)控制在自動化、智能化方面取得新的突破，多變量模型預(yù)估控制相較于普通常規(guī)控制，工藝生產(chǎn)控制變得更加智能穩(wěn)定[1]。眾多國內(nèi)外大型石油化工企業(yè)應(yīng)用先進控制技術(shù)實例表明APC可提高生產(chǎn)負荷和產(chǎn)品回收率，帶來可觀的經(jīng)濟效益[2]。APC技術(shù)采用領(lǐng)先卓越的過程控制理論和方法，該技術(shù)以工藝控制、模型計算作為關(guān)鍵中心[3]，有如下三方面特點及優(yōu)勢：

（1）符合工藝機理要求，能滿足多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，適用于解決復(fù)雜生產(chǎn)工藝的過程控制問題；

（2）增強抗干擾能力，提高工藝生產(chǎn)控制穩(wěn)定性，為“卡邊”操作優(yōu)化打下堅實基礎(chǔ)；

（3）APC技術(shù)應(yīng)用改造常在DCS（分散控制系統(tǒng)）平臺及其上位機上，依然保留DCS系統(tǒng)常規(guī)控制的整體性，可操作性好和可靠性高。

1.工藝簡介及控制現(xiàn)狀

(1)工藝簡介

某石化廠芳烴聯(lián)合裝置以兩套催化重整裝置產(chǎn)物重整生成油為原料，本裝置的總進料量為204000kg/h，工程規(guī)模94萬噸/年（以對二甲苯計），裝置年開工時間按8400小時計，主產(chǎn)品是對二甲苯（PX），副產(chǎn)品是苯、鄰二甲苯（OX）、液化天然氣等。各生產(chǎn)單元的主要技術(shù)特點如下：

①二甲苯分餾部分中的兩個二甲苯塔采用加壓操作方案，便于回收二甲苯塔頂冷凝熱量，分別用作重整油分離塔、抽余液塔和抽出液塔及鄰二甲苯塔塔底重沸器的加熱熱源；

②歧化單元設(shè)計采用Exxon Mobil的Tranplus技術(shù)，由于中國石化上海石油化工研究院研制的HAT-O99催化劑有轉(zhuǎn)化率高、氫油比低等優(yōu)點，因此歧化催化劑采用HAT-O99；

③吸附分離部分采用Axens的Eluxyl技術(shù)，由兩臺吸附塔、144臺電磁閥和一套順序控制系統(tǒng)（SCS）組成；

④二甲苯異構(gòu)化部分采用ExxonMobil的XyMax工藝，該技術(shù)乙苯轉(zhuǎn)化率高，而二甲苯損失率?。?/p>

⑤芳烴抽提部分應(yīng)用SED工藝，該工藝先進，由我國RIPP研究開發(fā)，具有投資低,操作費用低，芳烴收率高的優(yōu)點，抽提單元還采用了陰離子樹脂再生工藝除去環(huán)丁砜劣化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。

(2)裝置控制現(xiàn)狀

某石化廠芳烴聯(lián)合裝置與其他裝置一同采用DCS系統(tǒng)（I/A集散控制系統(tǒng)）進行集中控制、共用一個中心控制室以便數(shù)據(jù)的集中處理和生產(chǎn)的集中管理，從一般控制系統(tǒng)的配置來看，便于過程操作，運行較為穩(wěn)定和牢靠。但常規(guī)控制是建立在單輸入單輸出對象的基礎(chǔ)上，無法兼顧到像精餾塔、加熱爐這樣具有多變量、強耦合的復(fù)雜控制過程，加之生產(chǎn)存在擾動因素，因此對于諸多限制下的產(chǎn)品質(zhì)量和收率將很難得到有效控制及保證[4]。對某石化廠芳烴聯(lián)合裝置的常規(guī)控制系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)主要存在如下五個方面問題：

“我在余慶縣白泥鎮(zhèn)小學(xué)讀完一年級后，跟隨到余慶縣敖溪鎮(zhèn)創(chuàng)辦“敖溪中學(xué)”的父親來到了敖溪。有一天在外婆的柴房里發(fā)現(xiàn)了一本破舊的《封神演義》，被書中充滿科幻色彩的生物武器影子故事迷住了。接著，我又讀了四大名著以及當時的禁書《苦菜花》“三花”系列小說。到了初中階段，我對文學(xué)更加癡迷，將敖溪中學(xué)圖書室里所有中外文學(xué)方面的書籍都讀完。凡是經(jīng)我手的書，我總是通讀一遍，再將喜歡的精讀?！?/p>

①關(guān)鍵精餾塔控制溫度基本上已采用串級控制，但是由于耦合、燃料組份干擾和進料波動影響，控制效果不是很理想；

②部分液位由于不能串級控制，導(dǎo)致控制效果較差，波動比較頻繁，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性；

③芳烴工藝加熱主要依靠燃料、蒸汽調(diào)節(jié)，常規(guī)控制中操作人員調(diào)節(jié)頻率較低，能源損失較大，不利于減小能耗；

④部分精餾塔空冷不具備變頻控制，采用手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比較滯后，不利于各單元的穩(wěn)定控制；

⑤部分加熱爐，燃料氣進料壓力閥精度不夠，無法有效控制爐出口溫度，從而影響塔的分離精度。

綜上所述，芳烴聯(lián)合裝置是一個多變量強耦合的復(fù)雜控制對象。DCS系統(tǒng)中的常規(guī)控制策略無法較好的考慮各系統(tǒng)相關(guān)變量之間的耦合性，解耦能力差，導(dǎo)致控制效果不理想。因此，根據(jù)芳烴聯(lián)合裝置的生產(chǎn)運行現(xiàn)狀，在DCS常規(guī)控制的基礎(chǔ)上采用預(yù)測控制、智能控制等先進控制策略，結(jié)合裝置工程師和操作人員積累下來的調(diào)整經(jīng)驗，建立符合芳烴聯(lián)合裝置運行要求的優(yōu)化控制系統(tǒng)，進一步促進工藝控制智能化水平提高，提高裝置運行安全性和經(jīng)濟性。

2.APC技術(shù)應(yīng)用

(1)APC應(yīng)用簡介

某石化廠芳烴聯(lián)合先進控制系統(tǒng)是和浙江中控軟件技術(shù)有限公司共同開發(fā)實施，該項目于2018年11月正式啟動，經(jīng)過實施雙方的共同努力，先后完成了初步設(shè)計、軟硬件平臺配置、階躍測試、機理模型建模與流程模擬、軟儀表建立、項目培訓(xùn)、控制器設(shè)計和仿真、詳細設(shè)計、控制器組態(tài)與下裝、DCS端組態(tài)、系統(tǒng)投運等工作，于2019年7月開始逐步正式投用。

(2)APC系統(tǒng)設(shè)計

芳烴聯(lián)合裝置APC的任務(wù)是提高生產(chǎn)工藝過程控制水準，平穩(wěn)各精餾塔和加熱爐余熱回收系統(tǒng)關(guān)鍵工藝指標，減少被控變量的標準偏差，提高裝置生產(chǎn)負荷，實現(xiàn)工藝參數(shù)“卡邊”最優(yōu)控制，降低操作費用。本次APC項目中應(yīng)用了APC-Suite預(yù)測控制軟件包,該軟件包主要由數(shù)據(jù)采集軟件、模型辨識軟件、預(yù)測控制軟件、在線控制臺共同組成。

在本次APC項目中，芳烴聯(lián)合先進控制系統(tǒng)由一個APCAdcon控制器來控制，控制系統(tǒng)包括芳烴抽提單元控制器、二甲苯精餾單元控制器、歧化與烷基轉(zhuǎn)移單元控制器、吸附分離單元控制器和異構(gòu)化先進控制器5個子控制器，以及對相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量軟測量。各個單元子控制器之間通過物料和熱量緊密聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)，一方面來說各控制器的控制目標相對獨立，另一方面來說又是互為關(guān)聯(lián)的，其中的聯(lián)系主要由軟測量、模型計算與干擾變量來完成，最終成為一個完整控制系統(tǒng)[5]。芳烴聯(lián)合裝置先進控制系統(tǒng)總體框架圖，如圖1所示。先進控制技術(shù)是在DCS的基礎(chǔ)上通過標準OPC協(xié)議的方式實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)優(yōu)化與卡邊控制。

圖1 芳烴聯(lián)合裝置APC系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 APC system architecture diagram of aromatics combined unit

(3)APC系統(tǒng)內(nèi)容

芳烴裝置先進控制系統(tǒng)包括122個操作變量，被控變量137個，軟測量4個（C502塔頂甲苯含量，C701塔底C7含量，C701塔頂C8含量，抽余油芳烴含量），在芳烴聯(lián)合裝置DCS中新增先進控制畫面總共27幅，其中二甲苯單元10幅，歧化單元8幅，吸附分離單元3幅，異構(gòu)化單元4幅，抽提單塔單元2幅。

3.先進過程控制技術(shù)的效果

(1)關(guān)鍵變量的平穩(wěn)性

芳烴聯(lián)合裝置APC項目實施完成后，各控制器穩(wěn)定運行，各關(guān)鍵變量的平穩(wěn)性明顯提高，標準偏差平均降低30%以上。項目投用前苯塔塔底溫度最高達到143.64℃，最低溫度為136.01℃，平均控制溫度為141.64℃，標準方差為0.57，而APC控制投用后苯塔塔底溫度最高為143.20℃，最低溫度為140.52℃，平均控制溫度為142.00℃，標準方差僅為0.17，該指標標準方差降幅達到69.80%，苯塔塔底溫度控制更加穩(wěn)定，見圖2。APC項目應(yīng)用后有效提高了裝置對各種生產(chǎn)工況的適應(yīng)能力和抗干擾能力，降低主要被控變量的平均標準差40%以上，為裝置控制實現(xiàn)卡邊操作提供強有力支持。

圖2 APC投用前后苯塔塔底溫度控制變化圖Fig.2 Temperature control changes at the bottom of the tower before and after APC commissioning

(2)APC控制器投用率情況

正常工況下APC控制器穩(wěn)定在線運行，APC控制投用率統(tǒng)計表可見表1，在裝置生產(chǎn)工況穩(wěn)定，APC控制器投用率超過98%，而MV（操縱變量）、CV（被控變量）控制投用率也達到95%以上。

表1 APC控制投用率統(tǒng)計表Tab.1 APC control utilization rate statistical table

(3)軟測量儀表預(yù)測結(jié)果

本次APC應(yīng)用項目開發(fā)軟儀表，通過在線實時收集過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對關(guān)鍵產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量實時預(yù)估。本次先進控制系統(tǒng)共引入4個軟測量儀表，軟儀表預(yù)測周期為30s，分別為C502塔頂甲苯質(zhì)量分數(shù)，C701塔底C7質(zhì)量分數(shù)，C701塔頂C8質(zhì)量分數(shù)，抽余油芳烴質(zhì)量分數(shù)。各軟儀表在預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量的同時定期對其進行化驗分析值校驗，以校正軟儀表模型。通過收集化驗分析值與軟儀表預(yù)測值進行比對，發(fā)現(xiàn)兩者差值較小，如軟儀表預(yù)測甲苯塔頂甲苯質(zhì)量分數(shù)（藍色曲線）與甲苯塔頂甲苯質(zhì)量分數(shù)實際化驗值（紅色曲線）基本吻合，準確率高，見圖4。由于軟儀表預(yù)測在工藝操作允許的偏差內(nèi)，軟測量儀表預(yù)測結(jié)果準確，為裝置優(yōu)化提供該指標的實時計算值，能在實際操作中給操作員實施裝置調(diào)整提供幫助。

圖3 軟儀表預(yù)測甲苯塔頂甲苯質(zhì)量分數(shù)與甲苯塔頂甲苯質(zhì)量分數(shù)實際值對比圖Fig.3 Comparison of toluene content on top of toluene tower predicted by soft instrument and actual toluene content on top of toluene tower

4.效益分析

在裝置穩(wěn)定運行期間進行了裝置標定，通過收集標定數(shù)據(jù)和APC系統(tǒng)投用前的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，此次芳烴聯(lián)合裝置APC系統(tǒng)投用取得了兩個方面的效益提升。

①APC投用后產(chǎn)品增量：對二甲苯和鄰二甲苯產(chǎn)品增量為115.10-113.95=1.15（t/h）；

②APC投用后裝置能耗降量：先控投用前后能耗差值為161.04-159.38=1.67（kgEO/t）。

因此，收集芳烴聯(lián)合裝置APC系統(tǒng)項目標定及APC投用前后的數(shù)據(jù)進行經(jīng)濟效益測算，芳烴聯(lián)合裝置APC系統(tǒng)投運后，可產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益超過500萬元/年。

5.結(jié)語

通過收集某石化廠芳烴聯(lián)合裝置APC系統(tǒng)投用前后數(shù)據(jù)并進行分析，可得出以下幾方面結(jié)論：

①在裝置正常平穩(wěn)運行工況下APC控制器投用率超過98%，而MV、CV控制投用率也達到95%以上；

②從APC系統(tǒng)投運前后的對比情況看，APC投用后，主要運行參數(shù)標準偏差均降低30%以上，提高了裝置過程操作的穩(wěn)定性，尤其是各塔溫度、塔底液位、爐子負壓以及氧含量的平穩(wěn)性得到了有效的控制；

③通過APC項目的實施，實現(xiàn)裝置物料流、能量流的平穩(wěn)控制，有效降低內(nèi)操人員的勞動強度，整體提升了裝置生產(chǎn)控制的均勻性；

④APC系統(tǒng)項目實施后，通過“卡邊”操作優(yōu)化，主要產(chǎn)品的產(chǎn)量（PX+OX）有所增加，裝置運行能耗有所下降，產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益超過500萬元/年，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益，為同行芳烴企業(yè)應(yīng)用APC技術(shù)提供了一定參考。