先進(jìn)控制技術(shù)在催化裂化裝置上的應(yīng)用教材

1、先進(jìn)控制技術(shù)在催化裂化裝置的應(yīng)用摘要：催化裂化裝置是石油加工過程中經(jīng)濟(jì)效益最高、工藝最復(fù)雜的生產(chǎn) 裝置，在操作控制上稍有所改進(jìn)或提高，就會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，于是 在催化裂化裝置應(yīng)用先進(jìn)控制（APC技術(shù)就成了企業(yè)提高效益的明智選擇。 本文結(jié)合洛陽石化I套催化裂化裝置的實(shí)際應(yīng)用情況，介紹了先進(jìn)控制系 統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)組成，并詳細(xì)闡述了裝置上先進(jìn)控制器的投用過程。APC采用動(dòng)態(tài)機(jī)理模型，以常規(guī)PID為基礎(chǔ)，在催化裂化裝置實(shí)施反再分餾 和吸收穩(wěn)定部分先進(jìn)控制，設(shè)計(jì)了反再分餾和吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器，并詳 細(xì)分析了兩個(gè)控制器的設(shè)計(jì)思想，最終使控制平穩(wěn)性得到加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì) 量卡邊控制，顯著地降低了各塔設(shè)備

2、的操作波動(dòng)、能耗與運(yùn)行成本，提高 了高價(jià)值產(chǎn)品（液收）收率。APC技術(shù)在I套催化裂化裝置獲得了成功應(yīng)用， 取得了預(yù)期的控制效果，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。Abstract： FCCU is the highest economic and the most complicated process. The obvious econo mic ben efit can be achieved by improveme nt in operati on and con trol. So the applicati on of Adva need Process Con trol （APC） te

3、ch no logy is a wise choice for en terprises to improve bus in ess efficie ncy in the FCCU. This paper in troduces the prin ciple and structure of APC system comb ined with the actual application in Luoyang petrochemical I FCCU, and outline in detail commissioning process on APC controller of the un

4、it. The advaneed control of reaction & distillation and absorption & stabilization section in FCCU has beenrealized by appl ying a dyn amic mecha nism model, tak ing conven ti onal PID for APC. Desig ning adva need con troller of reacti on & distillati on and absorpti on & stabilization, their idea

5、is also introduced. As a result it has enhanced the unit stabilizatio n; con trolled product quality on the boun dary. It also has remarkably decreased the operati onal fluctuati on, the con sumed en ergy and running cost for all towers, improved the high-value products (liquid yield) yield. Tech no

6、 logy of APC has bee nsuccessfully applied in 1 FCCU, achieved desired con trol effect, and brought remarkable econo mic ben efits to the en terprise.關(guān)鍵詞：催化裂化；DCS先進(jìn)控制；液收；經(jīng)濟(jì)效益Keywords: Catalytic cracking; DCS; Advaneed Control; liquid yield; econo mic ben efits引言催化裂化作為煉油、煉化行業(yè)的核心加工裝置，顯然提高裝置的生產(chǎn)水平對(duì)企業(yè) 的經(jīng)

7、濟(jì)效益起著重要作用。但催化裂化工藝由于其過程的復(fù)雜性，很難用精確的反應(yīng)動(dòng) 力學(xué)模型來描述，同時(shí)，現(xiàn)場一般也難于提供可靠的質(zhì)量分析儀表進(jìn)行檢測、分析進(jìn)料 組成的變化?；谶@些復(fù)雜的情況，采用 DCS的常規(guī)PID控制很難及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整， 經(jīng)常造成操作波動(dòng)，影響裝置的經(jīng)濟(jì)效益。于是在催化裂化裝置應(yīng)用先進(jìn)控制（APC）技術(shù)就成了眾多企業(yè)提高效益的明智選擇。洛陽石化分公司面對(duì)不斷變化的市場需求和 運(yùn)行環(huán)境，為了取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，I套催化裂化裝置于2012年5月引入先進(jìn)控制系 統(tǒng)。此系統(tǒng)投用以來已連續(xù)運(yùn)行兩年多時(shí)間，觀測其運(yùn)行狀況一直比較穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益 顯著。采用APC技術(shù)可以在DCS系統(tǒng)常規(guī)控制技術(shù)的

8、基礎(chǔ)上，投入少量的資金及勞動(dòng)力， 就能產(chǎn)生較好的收益，使工藝參數(shù)尤其是分餾塔、穩(wěn)定塔的操作條件控制更加穩(wěn)定可靠， 實(shí)現(xiàn)卡邊操作，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力得到提高，因而產(chǎn)生較好的收益。1、先進(jìn)控制系統(tǒng)概況1.1先進(jìn)控制技術(shù)概述1,2先進(jìn)控制是通過安裝于計(jì)算機(jī)上的特殊軟件與 DCSt的PID調(diào)節(jié)器配合應(yīng)用，對(duì)裝 置進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，同時(shí)滿足生產(chǎn)中多個(gè)控制要求的技術(shù)。因?yàn)橥饨邕\(yùn)行環(huán)境不斷變化， 而且參數(shù)具有未知性、時(shí)變性、突變性以及不穩(wěn)定性，復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)往往具有不可預(yù)測 性，這時(shí)用來處理復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)采用常規(guī) PID控制效果不好，常規(guī)PID控制器很少考慮 到變量之間的相互作用，而且是在被控參數(shù)產(chǎn)生偏差后才進(jìn)行

9、調(diào)節(jié)。由于裝置變量之間 總是存在相互作用，因此采用先進(jìn)控制技術(shù)往往效果較好。先進(jìn)控制器中包含有裝置信 息，根據(jù)來自系統(tǒng)外部的干擾信息和生產(chǎn)中的調(diào)節(jié)信息，先進(jìn)控制器可以預(yù)測出裝置未 來的變化趨勢(shì)。先進(jìn)控制在滿足了多個(gè)控制要求之后，能夠根據(jù)操作人員設(shè)置的參數(shù)， 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)綜合效益的最大化。先進(jìn)控制是一套工業(yè)應(yīng)用軟件， 它將整個(gè)生產(chǎn)裝置或者某個(gè)工藝單元作為一個(gè)整體 研究對(duì)象，首先通過現(xiàn)場測試，量化描述各變量之間的相互關(guān)系，建立過程多變量控制 器模型。利用該模型可以預(yù)測裝置的變化，提前調(diào)節(jié)多個(gè)相關(guān)的操作變量，因而可提高 裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過實(shí)施先進(jìn)控制，改善工業(yè)生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)品質(zhì)，減少關(guān)鍵變量的

10、波動(dòng)幅度，使其更接近于理想目標(biāo)值，從而將工業(yè)生產(chǎn)過程推向更接近裝置約束臨界條 件下運(yùn)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率及生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)處理能力， 降低生產(chǎn)運(yùn)行成本、減少裝置能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地滿足動(dòng)態(tài)多變市場的需 求，提高目標(biāo)產(chǎn)品的市場競爭力。1.2 先進(jìn)控制技術(shù)的工作原理多變量先進(jìn)控制技術(shù)，是以過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其上位機(jī)為實(shí)施平臺(tái)，以常規(guī)控制 為基礎(chǔ)，突破了常規(guī)PID控制的控制回路各自獨(dú)立的工作模式，以整個(gè)生產(chǎn)裝置或裝置 單元為對(duì)象，根據(jù)各變量間的模型關(guān)系， 利用先進(jìn)控制方法對(duì)裝置實(shí)施協(xié)調(diào)統(tǒng)一的控制?，F(xiàn)階段先進(jìn)控制技術(shù)在石油化工生產(chǎn)裝置的應(yīng)用，普遍采用的是預(yù)測控制技術(shù)。預(yù)

11、測控制技術(shù)，采用“模型預(yù)測、反饋校正、滾動(dòng)優(yōu)化”的控制算法，根據(jù)對(duì)將來幾步的 預(yù)測，決定走當(dāng)前一步，參見圖1。而常規(guī)PID控制，是基于誤差的控制，即“走一步， 看一步”。過去興1y 未來規(guī)）*r 1 110 1LTPk圖1預(yù)測控制基本原理示意圖Figure 1 Basic Principle diagram of predictive control由于先進(jìn)控制把主要被控對(duì)象和控制量全部納入控制系統(tǒng)，因而具有良好的跟蹤性 能。先進(jìn)控制在偏差控制的基礎(chǔ)上，將過程模型作為控制器內(nèi)部模型，提高過程信息和 知識(shí)利用率，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。3-51.3先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)控制軟件是美國Aspen

12、Tech公司的DMCpIus控制系統(tǒng)如圖2所示?；诓豢?測變量在線計(jì)算和常規(guī)PID控制系統(tǒng)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，上連優(yōu)化，下接常規(guī)控制。其主 要目的是取得比常規(guī)PID控制更好的控制性能，質(zhì)量平穩(wěn)卡邊，在不超約束的條件下， 使生產(chǎn)過程隨時(shí)運(yùn)行在優(yōu)化狀態(tài)，尤其對(duì)多變量互相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)過程，PID控制常常無能為力，先進(jìn)控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其主要特點(diǎn)：通過調(diào)整常規(guī)PID控制器的給定值， 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制器的控制作用，即 PID的給定被作為先進(jìn)控制的操作變量。當(dāng)先進(jìn)控制投 用后，作為先進(jìn)控制調(diào)節(jié)手段的PID控制器的給定值由先進(jìn)控制調(diào)整，不再由操作員調(diào) 整。1操作與監(jiān)控（操作界而）1| 整定口監(jiān)控（H程師界面）r1

13、J I 1丿11II II1実時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化器與全裝置協(xié)調(diào)1111111變結(jié)構(gòu)多變星預(yù)估協(xié)調(diào)優(yōu)化控制器11111r1軟池農(nóng)觀測器常規(guī)PID控制數(shù)擱輸入輸出與 處珂及戰(zhàn)障檢測數(shù)擱輸入輸出與執(zhí)行（斶節(jié)閥）執(zhí)行（斶節(jié)閥）圖2先進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of adva need con trol system2、先進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)施2.1反再分餾先進(jìn)控制器催化裂化分餾塔的任務(wù)主要是把反應(yīng)送來的油氣混合物按沸點(diǎn)范圍分割為富氣、汽油、輕柴油和油漿等餾分，并保證各個(gè)餾分的質(zhì)量符合規(guī)定的要求。反再分餾先進(jìn)控制器運(yùn)行周期為1分鐘，控制器見圖3：+ cumin辰再勞M蛙制耳按作科同檢冃J鶯蠶切

14、陳開關(guān)I反再分謂控制器換作畫面1好頁畳臨莓1冶攤喪用開關(guān)當(dāng)蚩老目樂J5U上限銀12授定約磁霑匚乃XI30B 艸OWDQK |4.664.65-飛8 |MQCKJIM? tv主融空1通OtXJBmopQ.01100,00 |HOI CV3I0G袒1EF1詡1GWD|卿3202.93| 210 .00 |KiCWPVcmownl 勢(shì) 00 |1 1針血1244I1KJ00 1酌IQDlf始 FC5iGOOD玻m1翻閱38 亂 &5|SK.3R陰XI嗎嶺時(shí)OS|細(xì)00 I224 .出224. asI22&OO 1HQmTI5L PV一圧下書時(shí)圧CH(miMl 00 |360. ea3&0.3&IJB

15、O.OO |U?BRC(N34C山 |m加妣ST|0.0 INOI CM0UCOl EVLlCWB4Q.W |業(yè)is311| |riLPICTIOUCU3 FV拒柵冊(cè)也CHGOOD| 30-00 |46.1141. U| BO. 003*j當(dāng)萌IS刪目誦議恨上陽竦畑當(dāng)扁珈IHB511 式叫Q!F|BADO.0.00IjLO.OO IHACTo.wMIX屹FmDT.STF蝕FEEDIdoolJ3Tb33437. 33500. DOjIBUj!：7T0.0&AUT|PICIffl.iiVFFWPEED| 50 g I64.5064.50| aLoo |IWCT0.OT跟31FK-I3S &油按下銅

16、世瓏ffwP胡Drn33.0053/MriISICT曲| 時(shí)Frais *油鋼.電冊(cè)應(yīng)t去3EJFfflFEED| 也 V) 1P.OQOrtflIMGT0-00MJLHPIDlim 艸-fwPRE曲.3B2Wftj.OOIKAC7d.to阿HFKH IT. 3T徂百押Wit謖罡FFwPKED| TtLOft |32.C9O吐001100飼|IHA!：7T0=00AUT:通訊監(jiān)皿計(jì)無審=o圖3反再分餾先控系統(tǒng)操作畫面Figure 3 Operati on scree ns for adva need con trol system of react ion & distillati on分餾系

17、統(tǒng)先進(jìn)控制器主要有以下控制指標(biāo):1）重要變量平穩(wěn)控制。包括分餾塔頂溫度、塔底溫度、各側(cè)線抽出溫度以及回流 罐液位和塔底液位的平穩(wěn)控制。2）質(zhì)量卡邊控制。通過利用基于過程動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的軟測量技術(shù)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí) 給出分餾塔塔底液位、溫度及各產(chǎn)品質(zhì)量，將其控制在合格的范圍內(nèi)，并對(duì)粗汽油、輕 柴油產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)質(zhì)量卡邊控制。3） 多變量協(xié)調(diào)。在各種工況下，自動(dòng)選擇操作變量 MV使其被控變量CV達(dá)到控制 要求，使操作變量及其相關(guān)變量不超限。4）實(shí)時(shí)優(yōu)化，節(jié)能降耗。在保證塔頂、塔底溫度及產(chǎn)品質(zhì)量合格的情況下，適當(dāng)降 低塔底換熱器取熱或塔頂回流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。2.2吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器吸收穩(wěn)定單元的主要作用是加

18、工來自分餾塔頂油氣分離器的粗汽油和富氣，分離出瓦斯和液化氣，并產(chǎn)出合格的穩(wěn)定汽油。由于涉及各塔、分離罐的串聯(lián)操作，上游出料 波動(dòng)會(huì)對(duì)下游液位產(chǎn)生干擾，有時(shí)候會(huì)引起較大波動(dòng)。設(shè)計(jì)吸收穩(wěn)定先進(jìn)控制器的主要 目的是通過實(shí)施非線性液位以及液位速率控制，可以維持各塔、分離罐液位平穩(wěn)，并在 給定區(qū)域內(nèi)，使上游出料波動(dòng)減小，變化平緩，這樣對(duì)后續(xù)單元操作以及轉(zhuǎn)化率的計(jì)算都有益處。吸收穩(wěn)定系統(tǒng)先進(jìn)控制器運(yùn)行周期為1分鐘，控制器見圖4:按卿俺篡切除開關(guān)吸收穩(wěn)定控制器操作畫面左制器狀麗13蠱1那艦視計(jì)數(shù)聊!. 370.00iwactr0.00AUT軟儀表E頁圖4吸收穩(wěn)定先控系統(tǒng)操作畫面Figure 4 Operat

19、i on scree ns for adva need con trol system of absorpti on & stabilizati on吸收穩(wěn)定系統(tǒng)先進(jìn)控制器主要有以下控制指標(biāo):1）上下游協(xié)調(diào)控制。通過實(shí)施液位以及液位速率控制，可以維持各塔底、分離罐 液位平穩(wěn)，并在給定區(qū)域內(nèi)，使進(jìn)料流量變化平緩。2）支路平衡以及液位非線性控制。吸收塔、解析塔和穩(wěn)定塔都存在著支路平衡控制 問題，同時(shí)還存在著液位控制問題。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)大的非線性液位及支路平衡控制方 案，在實(shí)現(xiàn)各支路溫差控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了吸收穩(wěn)定單元各塔液位的非線性控制。3、先進(jìn)控制器的投用1、控制器的投用1）檢查，工況正常，儀表數(shù)

20、據(jù)顯示正常，各 CV和MV的上、下限設(shè)置合理。2）檢查，計(jì)時(shí)器運(yùn)行正常。3）符合條件后，先檢查各CV投入狀態(tài)，如果不為“投用”，則修改其為“投 用”。檢查各CV的投用狀態(tài)是否都為” GOOD，如果不是，依據(jù)操作畫面使用說明中羅列的情況一一排除原因，解決不了的異常情況交由工程師處理。各約束狀態(tài)是否都 為” NORMAL,如果不是，再次檢查上、下限設(shè)置是否合理。4）檢查底層控制回路的控制模式是否處于投用 APC要求的投用前（MAN或 者AUT，如果不是，修改為APC要求的投用前的控制模式 AUT或MAN兩個(gè)先進(jìn)控制器 MV回路的投用前回路模式及投用后回路模式詳見表1：反再分餾部分MV回路APC投用

21、前后的模式定義操縱變量位號(hào)描述先控投用前模式先控模式MV1TDIC302.MV主風(fēng)放空閥MANROUTMV2FIC407.SV頂循抽出流量AUTRCASMV3FIC409.MV一中抽出流量MANROUTMV4FIC432.MV油漿下返塔流量AUTRCASMV5FIC415.MV油漿產(chǎn)品外甩量（去罐區(qū)）MANROUTMV6FIC415A.MV油漿產(chǎn)品外甩量（去四聯(lián)合）MANROUTMV7FIC417.SV粗汽油流量AUTRCAS吸收穩(wěn)定部分MV回路APC投用前后的模式定義操縱變量位號(hào)描述先控投用前模式先控模式MV1FIC501.SV吸收塔吸收劑流量（穩(wěn)定汽油）AUTRCASMV2FIC505.M

22、V貧吸收劑流量MANROUTMV3FIC508.SV解吸塔進(jìn)料AUTRCASMV4TIC527.MV解吸塔底再沸返塔溫控閥MANROUTMV5FIC509.MV穩(wěn)定塔塔頂冷回流流量MANROUTMV6TIC502.MV穩(wěn)定塔底再沸器返塔溫控閥位MANROUT表1先進(jìn)控制器MV回路的投用前后回路模式Table 1 MV circuit loop mode for adva need con troller before and after the applicati on2、單個(gè)MV的投用1）檢查該MV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常，上、下限設(shè)置合理 。2）檢查該MV的控制模型是否處于投用 APC要求

23、的控制前模式，如果不是，則需要 將回路模式切換為自動(dòng)AUT或者手動(dòng)MAN莫式。3）將MV投用開關(guān)，切換到“投用”狀態(tài)。3、單個(gè)CV的投用1）檢查該CV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常，上、下限設(shè)置合理。2）啟動(dòng)該CV投用開關(guān)，等待MV的投用狀態(tài)顯示為” GOOD，則此時(shí)該變量進(jìn)入 先進(jìn)控制監(jiān)控，該變量投用過程結(jié)束。4、單個(gè)DV的投用DV的投用和切除操作由儀表工程師在上位機(jī)進(jìn)行。1）檢查該DV儀表數(shù)據(jù)/當(dāng)前值顯示正常。2）啟動(dòng)該DV投用開關(guān)，等待MV勺投用狀態(tài)顯示為” GOOD，則此時(shí)該變量進(jìn)入 先進(jìn)控制監(jiān)控，該變量投用過程結(jié)束。4、先進(jìn)控制器的實(shí)施效果7,8該系統(tǒng)自2012年5月投用，經(jīng)過兩年多的不斷

24、調(diào)整與完善，各項(xiàng)功能均達(dá)到了預(yù)期 目的，先進(jìn)控制系統(tǒng)已經(jīng)初步發(fā)揮了作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：裝置提高液收（汽 油+柴油+液態(tài)烴）收率0.75%以上，這部分提高主要來自于焦炭、油漿等重組分產(chǎn)品產(chǎn)率 的降低；系統(tǒng)自動(dòng)化水平大大提高，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；系統(tǒng)運(yùn)行安全平穩(wěn)； 改善了系統(tǒng)控制性能，主要控制指標(biāo)平穩(wěn)性提高；在平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)主要參 數(shù)實(shí)行卡邊控制，提高高價(jià)值產(chǎn)品收率，卡邊控制帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。I套催化裂化裝置使用先進(jìn)控制系統(tǒng)后，總體提高液收0.75%以上。液收是本裝置重要產(chǎn)品，提高其收率意味著經(jīng)濟(jì)效益的提升，先進(jìn)控制投用前后具體各產(chǎn)品收率變化 情況如表2。時(shí)間段產(chǎn)品收率先進(jìn)控制投用前（2012年）先進(jìn)控制投用后（2013年）1月2月3月4月1月2月3月4月液化氣%14.6414.4814.7415.8116.5311.9414.2619.45汽油%51.2551.1852.2251.9452.3649.5751.9246.51柴油%24.7324.4723.3722.1221.7029.7925.6324.31液收%90.6290.1390.3389.8790.5991.2991.8190.27表2先進(jìn)控制投用前后各產(chǎn)品收率變化情況Table 2 Changes in the yield of the product for advaneed con