煉油化工先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用研究

張照勇

（大慶石化公司設(shè)備檢維修中心煉油區(qū)儀表車間，黑龍江 大慶 163711）

在煉油化工行業(yè)生產(chǎn)過程中配合使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及自動(dòng)管控技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在于生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行期間的故障問題，對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行進(jìn)一步完善及優(yōu)化，對(duì)保障煉油化工企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)水平，實(shí)現(xiàn)煉油化工企業(yè)綜合效益最大化，目標(biāo)意義重大。就目前來看，應(yīng)用在煉油化工生產(chǎn)期間的先進(jìn)控制技術(shù)種類不同，實(shí)際應(yīng)用功能存在較大差異，需要結(jié)合煉油化工行業(yè)具體生產(chǎn)特征及生產(chǎn)要求，制定出更為專項(xiàng)可行的先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 不同先進(jìn)控制技術(shù)在煉油化工行業(yè)中的具體應(yīng)用

先進(jìn)控制技術(shù)旨在解決石油化工生產(chǎn)期間常規(guī)控制方法效果不佳，生產(chǎn)質(zhì)量及效率無法得到根本上保障等問題。現(xiàn)階段先進(jìn)控制技術(shù)的研發(fā)方向?yàn)榭刂撇呗詢?yōu)化、數(shù)據(jù)采集及處理、人工智能技術(shù)、動(dòng)態(tài)過程模型，辨識(shí)技術(shù)等。在先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用過程中，需要以強(qiáng)大的計(jì)算能力為支撐。配合使用DCS方式以及過程控制語言編寫控制程序，使煉油化工各生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)參數(shù)均能夠得到全面把控，

1.1 數(shù)據(jù)采集處理及軟測(cè)量

在煉油化工生產(chǎn)期間使用先進(jìn)控制技術(shù)，需要依賴大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的測(cè)量?jī)x表會(huì)受環(huán)境因素影響而出現(xiàn)運(yùn)行故障、監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差、噪聲波動(dòng)等情況，因此需要針對(duì)此些信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。做好測(cè)量值量程檢查、變化幅度值檢查、變化率，查工作。軟測(cè)量技術(shù)就是借助熱量平衡、壓力平衡、反應(yīng)機(jī)理等原理，配合使用人工智能方式建立起煉油化工設(shè)備軟測(cè)量模型，使煉油化工生產(chǎn)過程中的不可測(cè)量變量能夠得到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)計(jì)算。現(xiàn)有煉油化工行業(yè)中的軟測(cè)量技術(shù)主要包括熱焓值計(jì)算、爐熱效率計(jì)算、汽油飽和蒸汽壓力計(jì)算等。以催化裝置為例，在將軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在催化裝置的控制過程中，需要重點(diǎn)測(cè)量催化劑循環(huán)量、反應(yīng)熱量值、催化劑的燒灼情況；在聚丙烯裝置內(nèi)使用軟測(cè)量技術(shù)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)熔體流動(dòng)指數(shù)，檢測(cè)聚丙烯裝置運(yùn)行期間的聚合物產(chǎn)量、反應(yīng)器傳熱系數(shù)以及催化劑的活性。

1.2 人工智能技術(shù)

當(dāng)前人工智能技術(shù)在煉油化工行業(yè)控制工作中的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。在煉油化工生產(chǎn)過程控制過程中，通過使用人工智能技術(shù)中的專家系統(tǒng)、神經(jīng)元系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程管控目標(biāo)。

其中，專家系統(tǒng)主要用于檢測(cè)煉油化工電氣儀表及控制回路，對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行期間的故障問題進(jìn)行全面檢測(cè)與診斷。如對(duì)大型機(jī)組設(shè)備進(jìn)行故障診斷、催化反應(yīng)裝置運(yùn)行故障預(yù)警及診斷等、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)主要就是針對(duì)煉油化工生產(chǎn)期間的復(fù)雜線性生產(chǎn)環(huán)節(jié)開展全面監(jiān)管，并構(gòu)建起非線性模型。現(xiàn)階段神經(jīng)元控制工作由前向網(wǎng)絡(luò)控制及反向傳播算法兩方面組成、是一種多映射網(wǎng)絡(luò)體系。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中還包括兩個(gè)隱含層、輸出層及輸入層，隱含層中可依照任意精度接近任意連續(xù)函數(shù)，可更為高效的應(yīng)用在煉油化工生產(chǎn)期間的數(shù)據(jù)處理及建模工作中。模糊控制技術(shù)就是借助模糊控制理論，針對(duì)生產(chǎn)要求表達(dá)確定性經(jīng)驗(yàn)，改善相應(yīng)控制流程，切實(shí)優(yōu)化煉油化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

1.3 預(yù)測(cè)控制技術(shù)

（1）預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)控制技術(shù)被最早應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)控制過程中，通過在原脈沖響應(yīng)模型上增加預(yù)測(cè)啟發(fā)控制系統(tǒng)或者使用模型算法控制手段，建立起動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)。相較于其他控制手段而言，預(yù)測(cè)控制技術(shù)的特征更為顯著。

在建立預(yù)測(cè)控制模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)以對(duì)象脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)為預(yù)測(cè)模型，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法便捷[3]；預(yù)測(cè)控制技術(shù)吸收了現(xiàn)代控制理論，借助在線有線優(yōu)化與滾動(dòng)優(yōu)化方式，進(jìn)一步擴(kuò)大了實(shí)際控制范圍。預(yù)測(cè)控制技術(shù)可以利用實(shí)測(cè)值，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行反饋與校正處理，確保存在于實(shí)際生產(chǎn)期間的不確定因素能夠得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決，從根本上提升了控制系統(tǒng)整體魯棒性。現(xiàn)階段預(yù)測(cè)控制軟件數(shù)量增多，在煉油化工行業(yè)中也大規(guī)模使用到了單變量動(dòng)態(tài)矩陣控制手段，使控制效果得到了根本上提升。在單變量動(dòng)態(tài)矩陣控制工作開展期間，需要首先構(gòu)建及預(yù)測(cè)模型。選擇適宜的測(cè)定對(duì)象階躍響應(yīng)的采樣值以及采樣周期，并對(duì)對(duì)象動(dòng)態(tài)信息的有限集合值進(jìn)行描述。

其次，做好滾動(dòng)優(yōu)化工作。借助DMC算法，確定實(shí)際控制策略。明確控制增量以及被控對(duì)象多個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，設(shè)置控制時(shí)域與優(yōu)化時(shí)域。在控制工作開展時(shí)，應(yīng)避免增量值出現(xiàn)較大變化，因此還需要在可優(yōu)化性能指標(biāo)基礎(chǔ)上增加軟約束力，獲得更為精準(zhǔn)的控制標(biāo)準(zhǔn)。

最后，對(duì)控制過程進(jìn)行反饋與校正。通過分析在預(yù)先控制工作中可能出現(xiàn)的模型配置不合理、環(huán)境干擾等因素，基于DMC算法確定下一采樣時(shí)刻的檢驗(yàn)對(duì)象實(shí)際值，計(jì)算出預(yù)測(cè)誤差。

（2）多變量預(yù)測(cè)控制。多變量預(yù)測(cè)控制工作主要就是針對(duì)被控對(duì)象，設(shè)置適宜的控制輸入及輸出值。在多變量預(yù)控技術(shù)應(yīng)用過程中，不僅需要對(duì)不同時(shí)刻的控制作用進(jìn)行疊加，還需要著重關(guān)注控制量的疊加工作。分析可能存在于煉油化工生產(chǎn)期間的各類不利影響因素，并對(duì)此些變量值進(jìn)行疊加，確?？刂葡到y(tǒng)對(duì)象輸出數(shù)值能夠控制到任意期望值。多變量控制算法還需使用整體優(yōu)化概念，分析煉油化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)輸入及輸出工作的相互影響，確?？刂戚斎爰拜敵隽磕軌蛟趯?shí)際控制工作中保持同等地位。

（3）其他預(yù)測(cè)控制技術(shù)?，F(xiàn)階段煉油化工預(yù)測(cè)控制工作也誕生出了其他種類的預(yù)測(cè)控制技術(shù)，如以非參數(shù)模型為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)控制算法、離散參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制算法、擴(kuò)展時(shí)域預(yù)測(cè)制適應(yīng)控制法等。

1.4 PID參數(shù)自動(dòng)整定

PID參數(shù)制動(dòng)整定技術(shù)主要包括輸入及輸出數(shù)據(jù)自整定、瞬態(tài)響應(yīng)自整定兩種方式。輸入輸出數(shù)據(jù)自整定就是根據(jù)被控對(duì)象輸入及輸出數(shù)據(jù)的序列建立模型，配合使用相關(guān)系數(shù)變時(shí)、最小二乘積計(jì)算手段，確定模型中某種二次型準(zhǔn)則函數(shù)，靈活控制最小控制器運(yùn)行參數(shù)。利用瞬態(tài)響應(yīng)自整定方式開展煉油化工生產(chǎn)控制工作，需要相關(guān)技術(shù)人員首先觀察瞬態(tài)響應(yīng)曲線變化，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)整定控制裝置參數(shù)。斷開生產(chǎn)設(shè)備中的反饋控制回路，確?？刂葡到y(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，對(duì)控制系統(tǒng)的輸入基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，明確瞬態(tài)響應(yīng)特征，如對(duì)象靜態(tài)增益、等效時(shí)間常數(shù)、等效純滯后時(shí)間常數(shù)等。將PID控制裝置由已知的非線性環(huán)節(jié)替換，調(diào)整非線性環(huán)節(jié)技術(shù)參數(shù)，確保閉環(huán)系統(tǒng)的輸出值為等幅振蕩。測(cè)量等幅振蕩的幅值與周期，并針對(duì)測(cè)量結(jié)果設(shè)置臨界震蕩頻率值與幅值，最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得更為精準(zhǔn)的PID控制器運(yùn)行參數(shù)。

1.5 PLC控制技術(shù)

現(xiàn)階段PLC控制技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在煉油化工行業(yè)控制工作中，可高效完成煉油化工設(shè)備順序控制、閉環(huán)控制、開關(guān)量控制目標(biāo)。順序控制是煉油化工生產(chǎn)控制工作的重要內(nèi)容，需要借助PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)煉油化工生產(chǎn)流程控制目標(biāo)，切實(shí)保障煉油化工生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量與效率。具體而言，將PLC技術(shù)取代傳統(tǒng)煉油化工生產(chǎn)控制流程內(nèi)的控制輔助裝置，可以使生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行及工藝流程能夠得到精準(zhǔn)控制，借助信息模塊、通訊總線協(xié)調(diào)應(yīng)用等方式，切實(shí)提升PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行效果。在PLC技術(shù)日漸完善的當(dāng)前背景下，PLC控制系統(tǒng)取代了煉油化工控制工作中的人工控制方式，實(shí)現(xiàn)了全面控制目標(biāo)，切實(shí)提升了煉油化工系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展水平。在煉油化工生產(chǎn)控制流程內(nèi)配合使用PLC技術(shù)，借助遠(yuǎn)程控制站、傳感器等可全面采集控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息。相關(guān)操作人員借助終端顯示屏接口了解能夠直接掌握煉油化工生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整。

由于PLC技術(shù)控制工作具有一定的安全性、靈活性與穩(wěn)定性，能夠基于煉油化工生產(chǎn)設(shè)備使用者事先預(yù)定的程序?qū)嵤┎煌刂乒ぷ?，避免傳統(tǒng)控制環(huán)節(jié)出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化閉環(huán)控制系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際控制范圍，對(duì)控制模塊功能進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充與優(yōu)化。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要采用自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)控制箱手動(dòng)控制、機(jī)旁手動(dòng)啟動(dòng)功能。使用PLC制動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)，可在啟動(dòng)煉油化工生產(chǎn)設(shè)備過程中，依照設(shè)備使用時(shí)間選擇合理的啟動(dòng)方式。在原煉油化工生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，內(nèi)部主要包括電磁性繼電氣，在實(shí)際運(yùn)行期間極易出現(xiàn)觸點(diǎn)故障問題，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)整體運(yùn)行效果，導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性下降。而通過將 PLC技術(shù)應(yīng)用在煉油化工生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行控制過程中，可以有效控制繼電氣實(shí)物元件，切實(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)行期間的各項(xiàng)功能，使煉油化工斷路器能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制，增強(qiáng)了實(shí)際運(yùn)行期間的可控性。不僅如此，以PLC技術(shù)為主的控制系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)處理與邏輯推斷功能，在切實(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)行期間抗干擾能力的同時(shí)，也能夠擴(kuò)大系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用范圍，確保該系統(tǒng)能夠在保障電氣設(shè)備正常運(yùn)行中發(fā)揮出重要作用。

2 先進(jìn)控制技術(shù)在煉油化工行業(yè)中的應(yīng)用方向

當(dāng)前我國煉油化工行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，通過在投資前期與國內(nèi)外知名公司及大學(xué)進(jìn)行合作，開發(fā)出了更多先控制技術(shù)，使煉油化工各生產(chǎn)流程均得到了全面管控。

2.1 在加熱爐控制中的應(yīng)用

在煉油化工行業(yè)中，加熱爐運(yùn)行水平可直接影響到實(shí)際生產(chǎn)水平，需要在加熱爐管控中配合使用先進(jìn)控制手段。如對(duì)加熱爐植入平衡進(jìn)行現(xiàn)代化管控。確保加熱爐的熱效應(yīng)及基礎(chǔ)原料不變，對(duì)加熱爐管道流量進(jìn)行靈活調(diào)控，使加熱爐支路溫度數(shù)值處于合理狀態(tài)下。在溫度控制過程中，還應(yīng)當(dāng)有效規(guī)避管道溫度升溫情況，最大限度延長(zhǎng)加熱爐運(yùn)行壽命。對(duì)加熱爐的爐口溫度進(jìn)行前饋控制，避免加熱爐在運(yùn)行時(shí)被各類因素干擾。對(duì)加熱爐的提降量進(jìn)行控制，在爐內(nèi)流量數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化的情況下，應(yīng)當(dāng)配合使用先進(jìn)控制技術(shù)手段，使加熱爐的流量只處于恒定狀態(tài)，確保加熱爐始終處于最佳溫度。

2.2 在分餾塔控制中的應(yīng)用

分流塔回流取熱環(huán)節(jié)使用先進(jìn)控制技術(shù)，能夠更好實(shí)現(xiàn)分流塔取熱目標(biāo)。借助預(yù)測(cè)控制手段，對(duì)協(xié)調(diào)層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行切實(shí)優(yōu)化。掌握分餾塔各運(yùn)行時(shí)間段的最熱化及最高取熱數(shù)值。在最高數(shù)值保持恒定的同時(shí)，使取熱必維持在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)，對(duì)回流取熱進(jìn)行全程管控，從根本上提升煉油化工產(chǎn)品生產(chǎn)水平。

2.3 在粗汽油干點(diǎn)與輕柴油傾點(diǎn)質(zhì)量卡邊控制中的應(yīng)用

在煉油化工生產(chǎn)期間，粗汽油干點(diǎn)與輕汽油傾點(diǎn)卡邊質(zhì)量控制工作主要采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。由于粗汽油干點(diǎn)與輕柴油傾點(diǎn)之間存在非線性關(guān)系，在二者對(duì)應(yīng)溫度較高的情況下，質(zhì)量點(diǎn)的具體數(shù)值也會(huì)較高。在對(duì)應(yīng)油氣壓較高時(shí)，質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)值會(huì)相對(duì)下降。利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的權(quán)重分配手段，可以給予以獲得的經(jīng)驗(yàn)化數(shù)值及具體參數(shù)實(shí)現(xiàn)全程管控目標(biāo)。借助樣本學(xué)習(xí)法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及調(diào)整，獲得確定軟測(cè)量值。

2.4 在原蒸餾塔優(yōu)化及建模中的應(yīng)用

原煉油化工蒸餾塔模型采用平衡級(jí)模型構(gòu)建手段，此種建模方式存在一定的特殊性，缺乏兩項(xiàng)物流支持。為從根本上保障原蒸餾塔優(yōu)化及建模技術(shù)手段，還需要配合使用先進(jìn)控制方式，對(duì)平衡級(jí)模型進(jìn)行規(guī)范化處理。靈活使用不同方程組求解手段，控制不同求解方式的偏差情況。

3 結(jié)語

總而言之，通過將先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用在煉油化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，能夠有效控制煉油化工生產(chǎn)期間的技術(shù)參數(shù)，最大限度消除生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行期間的故障隱患問題。相較于發(fā)達(dá)國家而言，我國煉油化工行業(yè)先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用尚且處于起步階段，部分線性控制技術(shù)依然需要依靠國外經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備支持。因此為進(jìn)一步增強(qiáng)煉油化工行業(yè)生產(chǎn)綜合效益，還需要在先進(jìn)控制技術(shù)的研發(fā)過程中投入充足支撐力，結(jié)合現(xiàn)有煉油化工發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出功能完善的先進(jìn)控制技術(shù)體系。