SINOPEC APCDecember 2007

1、劉裔安劉裔安中國石油化工股份有限公司總裁辦公室高級顧問中國石油化工股份有限公司總裁辦公室高級顧問美國弗吉尼亞理工學院暨州立大學化工系講席教授美國弗吉尼亞理工學院暨州立大學化工系講席教授 2 3先進過程控制先進過程控制 的介紹的介紹4自變量自變量是不受過程中其它變量影響，能自由變化的過程是不受過程中其它變量影響，能自由變化的過程變量。變量。2. 自變量包括兩種類型：自變量包括兩種類型：操作變量操作變量 (MV) 裝置操作工能調(diào)節(jié)的變量裝置操作工能調(diào)節(jié)的變量常規(guī)控制器的設(shè)定值常規(guī)控制器的設(shè)定值 （*.SP）控制閥閥位控制閥閥位 (*.VP)前饋前饋/干擾變量干擾變量(FF / DV) 能影響過程但

2、不能直接調(diào)節(jié)的變量能影響過程但不能直接調(diào)節(jié)的變量例如：無控制的進料壓力或隨天氣改變的冷卻水溫度例如：無控制的進料壓力或隨天氣改變的冷卻水溫度51.因變量因變量能夠完全用自變量變化來描述的過程變量能夠完全用自變量變化來描述的過程變量2.因變量包括因變量包括控制變量控制變量(CV) (*.PV)維持在設(shè)定值維持在設(shè)定值維持在上下限值之間維持在上下限值之間3.許多過程變量是因變量許多過程變量是因變量, 但未必被選為控制變量但未必被選為控制變量6T全塔壓降全塔壓降再沸器熱負荷再沸器熱負荷側(cè)線采出溫度側(cè)線采出溫度側(cè)線產(chǎn)品組成側(cè)線產(chǎn)品組成側(cè)線產(chǎn)品流量側(cè)線產(chǎn)品流量塔頂產(chǎn)品流量塔頂產(chǎn)品流量F冷凝器壓降冷凝器壓

3、降塔頂壓力閥位塔頂壓力閥位TP塔頂溫度塔頂溫度塔頂壓力塔頂壓力95%回流回流進料溫度進料溫度回流罐液位回流罐液位DPBTUATLFFDPF進料進料F塔底流量塔底流量LMV(操作變量操作變量)FF(前饋變量前饋變量)CV(控制變量控制變量)7控制律控制律(PID)過程過程給定值給定值儀表測量儀表測量控制變量控制變量(CV)誤差誤差操作變量操作變量(MV)干擾變量干擾變量(DV)常規(guī)控制常規(guī)控制前饋變量前饋變量(FF)工藝計算工藝計算化驗室數(shù)據(jù)化驗室數(shù)據(jù)先進控制單元先進控制單元CVCVMV流量、壓力、溫度等流量、壓力、溫度等在線分析儀在線分析儀基本回路及儀表基本回路及儀表CV先進控制先進控制變量約

4、束范圍設(shè)置變量約束范圍設(shè)置流程模擬流程模擬DVFF對對APC的認識的認識1. APC的投用降低了操作工的勞動強度；的投用降低了操作工的勞動強度； 是不知疲是不知疲倦的高級操作員。倦的高級操作員。2. 比喻：單回路控制就像一群羊，比喻：單回路控制就像一群羊，APC就像牧羊人。就像牧羊人。單回路操作，變?yōu)橄到y(tǒng)操作。單回路操作，變?yōu)橄到y(tǒng)操作。3. APC提供一個增產(chǎn)、增效的控制平臺。提供一個增產(chǎn)、增效的控制平臺。 4. 從操作的角度講，先進控制與常規(guī)控制的最大不從操作的角度講，先進控制與常規(guī)控制的最大不同是常規(guī)控制多是同是常規(guī)控制多是給定點控制給定點控制，而先進控制是，而先進控制是變量變量約束范圍約

5、束范圍(上下限值上下限值)控制控制，操作員的任務(wù)是設(shè)置，操作員的任務(wù)是設(shè)置CV和和MV的約束范圍，而很少是的約束范圍，而很少是CV的給定點。的給定點。 對對APC的認識的認識5.從控制角度講，只要從控制角度講，只要CV在約束范圍內(nèi)，且預(yù)測值在約束范圍內(nèi)，且預(yù)測值表明，在不遠的未來也沒有超界的可能，則控制表明，在不遠的未來也沒有超界的可能，則控制器的動作會很小或甚至沒有，以避免頻繁調(diào)整或器的動作會很小或甚至沒有，以避免頻繁調(diào)整或不必要的操作調(diào)整，提高了裝置操作的平穩(wěn)性。不必要的操作調(diào)整，提高了裝置操作的平穩(wěn)性。這點單回路常規(guī)控制無法做到。這點單回路常規(guī)控制無法做到。6. 如果某如果某MV沒有自由

6、度時（無調(diào)節(jié)余地），先進沒有自由度時（無調(diào)節(jié)余地），先進控制控制(多變量控制器多變量控制器)可以用其它的可以用其它的MV進行調(diào)整；進行調(diào)整；而采用常規(guī)控制時，若某個變量飽和，經(jīng)常得降而采用常規(guī)控制時，若某個變量飽和，經(jīng)常得降低進料量，這樣就影響了裝置的經(jīng)濟效益。低進料量，這樣就影響了裝置的經(jīng)濟效益。 112.2. 先進過程控制先進過程控制應(yīng)用的成功實例應(yīng)用的成功實例12H1R1H2H3H4R2R3R4Separators氫氣氫氣 DepentanizerC5-PlatformateSplitterTolueneColumnXyleneColumnGasolineSplitter苯苯甲苯甲苯二甲

7、苯二甲苯氣油氣油LCO處理后的處理后的石腦油石腦油甲苯轉(zhuǎn)化甲苯轉(zhuǎn)化率率再生器進料進料流量流量13 1. 1. 進料進料流量流量增加增加到裝置的上限到裝置的上限 甲苯轉(zhuǎn)化率的平穩(wěn)控制在下限值甲苯轉(zhuǎn)化率的平穩(wěn)控制在下限值 2. 2. 加熱爐的熱負荷加熱爐的熱負荷增加增加到裝置的上限到裝置的上限 燃氣流量上限燃氣流量上限 空氣流量上限空氣流量上限 氧氣流量上限氧氣流量上限3. 3. 保持各分餾產(chǎn)品的純度平穩(wěn)不變保持各分餾產(chǎn)品的純度平穩(wěn)不變14連續(xù)重整裝置甲苯轉(zhuǎn)化率連續(xù)重整裝置甲苯轉(zhuǎn)化率( (ConversionConversion) )的平穩(wěn)控制的平穩(wěn)控制15連續(xù)重整裝置連續(xù)重整裝置的進料的進料(

8、(Total Feed)Total Feed)增加后增加后甲苯轉(zhuǎn)化率甲苯轉(zhuǎn)化率( (ConversionConversion) )的平穩(wěn)控制的平穩(wěn)控制16連續(xù)重整裝置連續(xù)重整裝置的進料的進料每年可每年可增加增加164164,250250桶桶(22,350(22,350噸噸) ) 甲苯轉(zhuǎn)化率平穩(wěn)控制在下限值甲苯轉(zhuǎn)化率平穩(wěn)控制在下限值, ,平均變化值從平均變化值從 0.4-0.5% 0.4-0.5% 降降到到0.1-0.2%0.1-0.2%加熱爐的熱負荷平穩(wěn)加熱爐的熱負荷平穩(wěn)的的控制在控制在上上限值限值在進在進料料組成，反應(yīng)器和加熱爐溫度改變的干擾下，能夠持組成，反應(yīng)器和加熱爐溫度改變的干擾下，能

9、夠持續(xù)平穩(wěn)的控制續(xù)平穩(wěn)的控制17 1. 重整裝置重整裝置由原料預(yù)處理原料預(yù)處理和重整重整兩部分組成，裝置處理能力30萬噸/年。裝置以HK-180直餾汽油為原料，在雙金屬重整催化劑的作用下生產(chǎn)芳烴原料或汽油，副產(chǎn)品為氫氣和液態(tài)烴。 182. 芳烴裝置由抽提抽提和精餾精餾兩部分組成，設(shè)計加工能力為1010萬噸萬噸/ /年年，以生產(chǎn)BTX產(chǎn)品為主，但未隨重整裝置擴能進行相應(yīng)的改造，兩裝但未隨重整裝置擴能進行相應(yīng)的改造，兩裝置存在處理能力不匹配的現(xiàn)象置存在處理能力不匹配的現(xiàn)象。 193. 3. 項目目標項目目標控制變量的投用率不低于控制變量的投用率不低于90%90%；平穩(wěn)操作，主要工藝參數(shù)被動偏差減少

10、平穩(wěn)操作，主要工藝參數(shù)被動偏差減少20-50%20-50%；提高芳烴抽提原料中的提高芳烴抽提原料中的BTXBTX含量；含量；協(xié)調(diào)重整裝置與芳烴抽提裝置協(xié)調(diào)重整裝置與芳烴抽提裝置間間的物料平衡關(guān)系；的物料平衡關(guān)系； 節(jié)能降耗節(jié)能降耗. .201.操作平穩(wěn)度提高操作平穩(wěn)度提高 先進控制器的首要任務(wù)就是充分利用其模型預(yù)測和多變量協(xié)調(diào)的特點，保證裝置的平穩(wěn)操作。先進控制器投用后，各重要CV的波動明顯減小，大大減少人工干預(yù)。2.提高產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品質(zhì)量 控制器投用以后，降低了芳烴抽提原料中的芳烴濃度波動，在滿足工藝條件的前提下提高芳烴抽提原料中的BTX含量，為芳烴抽提的優(yōu)化操作提供了基礎(chǔ)。3.節(jié)能降耗節(jié)

11、能降耗 在工藝范圍內(nèi)卡下限控制，能夠極大地降低能耗物耗。21222324煉油廠煉油廠APC效益估算效益估算生產(chǎn)裝置生產(chǎn)裝置APC 效益美元/桶進料最大化產(chǎn)品質(zhì)量控制高價值產(chǎn)品產(chǎn)量最大化措作穩(wěn)定性加工深度或收率改進常減壓常減壓0.05 至 0.10烷基化烷基化0.05至0.10加氫裂解加氫裂解0.15至0.30渣油加氫裂解渣油加氫裂解0.15至0.30催化裂化催化裂化0.23至0.30焦化焦化0.10至0.35催化重整催化重整0.10至0.30芳烴芳烴0.10至0.30MTBE0.15至0.30汽油調(diào)和汽油調(diào)和0.05至0.15來源來源: William M. Canney, “The Futu

12、re of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas Journal, April 21, 2003. 25262728提高加工提高加工能力能力30%改善控制改善控制性能性能20%提高回收率提高回收率15%提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)與提高裝置生產(chǎn)平穩(wěn)與安全性安全性15%產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品質(zhì)量提高10%降低能耗降低能耗10%來源來源: William M. Canney, “The Future of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas J

13、ournal, April 21, 2003. 293. APC3. APC效益的來源效益的來源30上限值上限值目標值目標值= 利利潤潤APC減減少波動少波動 減少波動卡邊平穩(wěn)操作減少波動卡邊平穩(wěn)操作無無APC操作范圍操作范圍1.1. 減少關(guān)鍵控制變量的波動變化減少關(guān)鍵控制變量的波動變化至少至少30%: 產(chǎn)品質(zhì)量改進產(chǎn)品質(zhì)量改進 多生產(chǎn)高價值的產(chǎn)品多生產(chǎn)高價值的產(chǎn)品 保持裝置的平穩(wěn)操作保持裝置的平穩(wěn)操作31MV1MV2CV1單位階躍測試響應(yīng)曲線單位階躍測試響應(yīng)曲線(CV1 與與 MV1 )-CV1MV1MV2響應(yīng)曲響應(yīng)曲線線階躍變化階躍變化(0.2)(0.1)00.10.2穩(wěn)態(tài)增益穩(wěn)態(tài)增益:

14、0.170-到達穩(wěn)態(tài)時間到達穩(wěn)態(tài)時間MV1CV1APC效益的來源效益的來源: (1)模型預(yù)估模型預(yù)估多變量動態(tài)模型預(yù)估多變量動態(tài)模型預(yù)估,并按測量值反饋在線校正并按測量值反饋在線校正,使控制變量誤差最小化使控制變量誤差最小化32T全塔壓降全塔壓降再沸器熱負荷再沸器熱負荷側(cè)線采出溫度側(cè)線采出溫度側(cè)線產(chǎn)品組成側(cè)線產(chǎn)品組成側(cè)線產(chǎn)品流量側(cè)線產(chǎn)品流量塔頂產(chǎn)品流量塔頂產(chǎn)品流量F冷凝器壓降冷凝器壓降塔頂壓力閥位塔頂壓力閥位TP塔頂溫度塔頂溫度塔頂壓力塔頂壓力95%回流回流進料溫度進料溫度回流罐液位回流罐液位DPBTUATLFFDPF進料進料F塔底流量塔底流量LMV(操作變量操作變量)FF(前饋變量前饋變量)

15、CV(控制變量控制變量)33342個自變量個自變量 熱負荷熱負荷 (Q) 進料溫度進料溫度 (Tinlet)1個因變量個因變量 加熱爐出口溫度加熱爐出口溫度 (COT)QTinletCOT3501234567891011649.5650650.5651651.5652652.5650650650650.5651651.56526526526526526520123456013455COTTin+100.511.522.500.511.522Q to COTTinlet to COTT36695700705710695700705710初始預(yù)估初始預(yù)估預(yù)估值更新預(yù)估值更新695700705710

16、按測量值反饋在線校正按測量值反饋在線校正 當前時間12:01初始溫度初始預(yù)估值初始溫度初始預(yù)估值當前測量值進口溫度影響熱負荷影響初始預(yù)估值初始預(yù)估值實際過程實際過程初始預(yù)估值初始預(yù)估值更新預(yù)估值更新預(yù)估值移動更新的預(yù)估移動更新的預(yù)估值值到測量值到測量值37在在12：01的預(yù)估值的預(yù)估值更新的預(yù)估值更新的預(yù)估值695700705710按測量值反饋在線校正按測量值反饋在線校正(APC魯棒性的來源魯棒性的來源)12:01實際的過程實際的過程690695700705熱負荷影響進口溫度影響69069570070512:02初始的預(yù)估移動更新的預(yù)估移動更新的預(yù)估值值到測量值到測量值更新預(yù)估值更新預(yù)估值初始

17、的預(yù)估值初始的預(yù)估值當前測量值當前時間實際過程38真實經(jīng)濟效真實經(jīng)濟效益最優(yōu)操作益最優(yōu)操作范圍范圍控制閥閥位控制閥閥位操作溫度操作溫度壓縮機速率壓縮機速率全塔壓降全塔壓降操作壓力操作壓力產(chǎn)品純度產(chǎn)品純度+操作工喜歡的操作區(qū)域操作工喜歡的操作區(qū)域APC操作區(qū)域操作區(qū)域+ APC效益的來源效益的來源: (2)穩(wěn)態(tài)優(yōu)化穩(wěn)態(tài)優(yōu)化39控制變量動態(tài)誤差最小化控制變量動態(tài)誤差最小化: 控制變量誤差與操作變量調(diào)節(jié)量大控制變量誤差與操作變量調(diào)節(jié)量大小的優(yōu)化小的優(yōu)化 (維持相同的控制變量穩(wěn)態(tài)目標值維持相同的控制變量穩(wěn)態(tài)目標值)99100101102103104105051015CVMV操作變量下限操作變量下限操作

18、變量調(diào)節(jié)量大使控制變量誤差最小操作變量調(diào)節(jié)量大使控制變量誤差最小 或或操作變量調(diào)節(jié)量小使控制變量誤差最大操作變量調(diào)節(jié)量小使控制變量誤差最大APC效益的來源效益的來源: (3)動態(tài)控制動態(tài)控制40根據(jù)動態(tài)過程模型求解控制方案根據(jù)動態(tài)過程模型求解控制方案APC調(diào)整嚴格算出操作變量每一調(diào)整嚴格算出操作變量每一步應(yīng)有的調(diào)整值步應(yīng)有的調(diào)整值-4-4-2+4+2-4-2+1tss/2到達穩(wěn)態(tài)時間到達穩(wěn)態(tài)時間(tss)411. RMPCT(Robust Multivariable Predictive Control Technology ，魯棒性多變量預(yù)估控制技術(shù)) ，Honeywell, Inc.2.

19、DMCplus (Dynamic Matrix Control Plus,動態(tài)矩陣控制) 和Aspen Apollo(非線性模型預(yù)估控制)，Aspen Technology,Inc.3. SMOC (Shell Multivariable Optimizing Control,殼牌多殼牌多變量優(yōu)化控制器變量優(yōu)化控制器),Shell Global Solution,Inc.42經(jīng)濟效益優(yōu)化：操作變量的操作費用經(jīng)濟效益優(yōu)化：操作變量的操作費用穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟效益優(yōu)化效益優(yōu)化動態(tài)控制模型動態(tài)控制模型數(shù)據(jù)接口平臺數(shù)據(jù)接口平臺(Cim-IO)DCS集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng) / 過程信息系統(tǒng)過程信息系統(tǒng)因

20、變量數(shù)值因變量數(shù)值自變量數(shù)值自變量數(shù)值調(diào)節(jié)變量數(shù)值調(diào)節(jié)變量數(shù)值設(shè)定點輸出值設(shè)定點輸出值變量約束與目標值變量約束與目標值控制器調(diào)節(jié)參數(shù)控制器調(diào)節(jié)參數(shù)動態(tài)預(yù)估動態(tài)預(yù)估MV目標值目標值穩(wěn)態(tài)預(yù)估值穩(wěn)態(tài)預(yù)估值CV目標值目標值操作工操作工控制工程師控制工程師預(yù)估模型預(yù)估模型 43 示范演示示范演示(DMCplus Model) 44 FI 2005 進料進料 TIC 2003 燃料氣燃料氣 FIC 2001 FIC 2004 FIC 2002 側(cè)線側(cè)線 產(chǎn)品產(chǎn)品 塔頂塔頂 產(chǎn)品產(chǎn)品 塔釜塔釜 產(chǎn)品產(chǎn)品 Al 2021 Al 2022 Al 2020 操作變量操作變量 FIC-2001 FIC-2002 T

21、IC-2003 FIC-2004 前饋變量前饋變量 FI-2005 控制變量控制變量 AI-2020 AI-2021 AI-2022 %C5 %C7 %C3 FIC 2101 FIC 2102 FIC 2100 QI 2106 4546475. 持續(xù)獲取持續(xù)獲取APC經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益 的周期性分析的周期性分析48持續(xù)獲取持續(xù)獲取APC經(jīng)濟效益周期性分析經(jīng)濟效益周期性分析APC 未投用未投用APC效益降級期效益降級期效益損失期效益損失期APC恢復期恢復期降級時間一般降級時間一般4年年過程操作變化過程操作變化APC效益降低效益降低APC控制器開控制器開過程變化后過程變化后模型重新辨識模型重新辨識A

22、PC性能提高性能提高維護和性能改進維護和性能改進時間時間年效益年效益APC控制器關(guān)控制器關(guān)損失效益損失效益最大效最大效益期益期APC控制應(yīng)用控制應(yīng)用獲取最大效益獲取最大效益控制器性能減弱控制器性能減弱效益降低效益降低發(fā)現(xiàn)問題發(fā)現(xiàn)問題提出解決方案提出解決方案改進改進APC496. 企業(yè)成功應(yīng)用企業(yè)成功應(yīng)用 APC的關(guān)鍵因素的關(guān)鍵因素:領(lǐng)導支持領(lǐng)導支持,人才人才,工具與策略工具與策略501. 廠領(lǐng)導和主管處室及開發(fā)維護部門重視先進控制，設(shè)置了廠領(lǐng)導和主管處室及開發(fā)維護部門重視先進控制，設(shè)置了先進控制工程師崗位，制定了先進控制工程師崗位，制定了勝利煉油廠先進控制運行考勝利煉油廠先進控制運行考核辦法核

23、辦法,保證先進控制的正常投用和投用率。對先進控制在保證先進控制的正常投用和投用率。對先進控制在投用過程中存在的問題投用過程中存在的問題,及時與開發(fā)和維護部門進行溝通和交及時與開發(fā)和維護部門進行溝通和交流，在最快的時間內(nèi)將問題解決。流，在最快的時間內(nèi)將問題解決。2. 車間領(lǐng)導和技術(shù)人員高度重視先進控制，熟悉先進控制的原車間領(lǐng)導和技術(shù)人員高度重視先進控制，熟悉先進控制的原理和控制方法，充分認識到先進控制投用之后，平穩(wěn)操作和理和控制方法，充分認識到先進控制投用之后，平穩(wěn)操作和產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制等所帶來的經(jīng)濟效益和勞動強度的降低以產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制等所帶來的經(jīng)濟效益和勞動強度的降低以及操作水平的提高及操作

24、水平的提高 。3. 針對不同的生產(chǎn)方案和生產(chǎn)優(yōu)化指標，制定優(yōu)化方案，以指針對不同的生產(chǎn)方案和生產(chǎn)優(yōu)化指標，制定優(yōu)化方案，以指導崗位操作員更好地使用先進控制，搞好安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。導崗位操作員更好地使用先進控制，搞好安全、平穩(wěn)生產(chǎn)。 514. 52自從自從 1985年以來年以來, 已經(jīng)投用已經(jīng)投用600多套多套 APC 系統(tǒng)系統(tǒng)(全球約有全球約有2500套套)領(lǐng)導支持領(lǐng)導支持, ,大大力投資力投資: 每年每年2.5百萬美元百萬美元 (折合每年折合每年2000萬人民幣萬人民幣) 維護和開發(fā)維護和開發(fā) APC 技術(shù)技術(shù) 。例如。例如, SMOC. ”Shell Multivariable Optimi

25、zing Controller”（殼牌多變量優(yōu)化控制器）殼牌多變量優(yōu)化控制器）; RQE, “Robust Quality Estimation”（魯棒質(zhì)量預(yù)估）。魯棒質(zhì)量預(yù)估）。效益效益:每年每年5億美元（折合每年億美元（折合每年40億人民幣億人民幣) (1) APC 可以增加工廠生產(chǎn)利潤可以增加工廠生產(chǎn)利潤 10% 至至 20%, 或每桶原油或每桶原油0.10 至至 0.25 美元美元 (2) 收率增加收率增加 (52%), 產(chǎn)量增加產(chǎn)量增加 (39%), 節(jié)能節(jié)能 (9%) (3) 其它效益其它效益: 增加工廠的可靠性和操作穩(wěn)定性增加工廠的可靠性和操作穩(wěn)定性來源來源: Jean-Luc Roub