最新先进控制技术是提高石油化工企业经济效益的有效途径

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1、最新先进控制技术是提高石油化工企业经济效益的有效途径 本文由西安联能奉献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 10 工业仪表与自动化装置 2022 年第 6 期 先进控制技术是提高石油化工企业 经济效益的有效途径 李梅喜 ( 洛阳石油化工总厂三隆公司 ,河南 洛阳 471012) 摘要 : 文章对先进控制技术的开展进行了分析 ,并结合实际阐述了先进控制技术在石油化工企 业的应用情况 ,提出了进一步应用的建议 . 关键词 : 集散控制系统 ; 先进控制技术 ; 多变量模型预估控制技术 ; 受控变量 ; 操纵变量 中图分类号 : TP13 文献标识

2、码 :A 文章编号 :100020682 ( 2022) 0620010204 ( Sanlong Company , Luoyang Petrochemical Complex , Henan Luoyang 471012 , China) Advanced process controller is an eff icient w to get most prof it in petrochemical process ay LI Mei2xi trol technology ;controlled variable ;manipulated variable 0 引 集散控制系统 (Di

3、stributed Control System ,以下简 称 DCS) 为企业提供了一个改良生产 , 获取更大效益 的技 术 平 台 .而 借 助 于 先 进 控 制 技 术 ( Advanced Process Controller , 以下简称 APC) ,DCS 可以推开工 艺到达更高的生产水平 .当前在过程工业得到广泛 应用的是多变量模型预估控制技术 ( Multi2Variable Predictive Control Technology) .有关专家普遍认为仅 具备的最根本控制回路知识 .同样重要的是将经济 目标持续不断地转化为操作目标 . 通过 APC 的应用 , 企业能使其

4、设备运行更安 全, 更有效 , 更可靠 , 更能适应环境的要求 .当与其 他单元操作优化技术一起使用时 ,APC 能够证明是 收稿日期 :2022 - 12 - 11 作者简介 : 李梅喜 (1962 - ) , 男 , 河南辉县人 , 高级工程师 , 主要 仅通过使工厂稳定连续地生产高质量的产品 ,APC 就能得到可持续测得的效益 .但开发的控制策略必 须符合工艺现状或稍加变化 , 能够应用于当前的控 制系统 , 能够满足工厂更广目标集成的需要和已经 从事 DCS , 和先进控制的应用开发 . PLC 1995-2022 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,

5、 Ltd. All rights reserved. Abstract :This paper gives an outlook of advanced process controller including application in petrochemi2 cal process and presents suggestions about further research and application. Key words :distributed control system ;advanced process controller ( APC) ;multi2variable

6、predictive con2 言 非常有效的 .优化不是一个一次性的事件 , 必须通 过持续不断的努力来增强操作性能 . 1 国内外 APC 的开展和应用现状 随着现代控制理论的不断开展 , 相继出现了自 校正或自适应的控制方法 ,鲁棒控制理论 , 模糊性理 论及其他人工智能 , 这些控制理论的新开展成为先 进控制技术的理论根底 .而计算机和信息技术的发 展推动了 DCS 的更新换代和不断完善 ,DCS 已进入 了第 4 代 , 即 DCS 充分表达了信息化和集成化 , 这 些又为先进控制技术的应用提供了好的平台 . 近 20 年来 ,世界上许多著名科研机构和公司致 力于 APC 的研究开发

7、和应用 .许多基于多变量模 型预估控制技术的 APC 已经工程化并得到广泛应 用 .美国一家著名公司通过对炼油企业应用 APC 情况的深入调查认为 ,催化裂化装置实施 APC 的效 益是最高的 ,其次还有加氢裂化装置 , 常减压装置和 油品调和 .其中催化裂化装置采用 APC 的套数最 多 ,效益最好 . 111 国外 APC 技术的开发应用情况 11111 RMPCT 美国 Honeywell 公司 Hi2SPEC Solution 的鲁棒性 2022 年第 6 期 工业仪表与自动化装置 11 多变 量 预 估 控 制 技 术 RMPCT ( Robust Multivariable Pre

8、dictive Control Technology) 在国内应用较早 .1994 年 ,Honeywell 公司和大庆石油化工总厂在后者的催 化裂化装置上合作开发 APC 工程 ,于 1995 年成功投 用 ,该 APC 由工艺计算 , 中间层的调节控制和鲁棒 性多变量预估控制技术组成 .实现了反响 再生和 分馏系统的产品质量卡边控制和工艺变量的稳定性 控制 ,通过鲁棒性多变量预估控制器内部的优化器 , 实现了反响产品分布的优化 .应用效果非常好并保 持了较高的在线投用率 . 最近 Honeywell 公司对其 RMPCT 进行了进一步 优化 , 改良 , 第 2 代多变量预估控制系统 Pr

9、ofit 控制 器功能更加完善 ,操作更加方便 ,并且在国内多套催 化裂化装置和常减压装置上得到应用 . 11112 DMCplus 11 月 DMCplus 在抚顺石化 80 4 t/ a 催化裂化装 10 美国 AspenTech 公司多变量预估控制技术产品 DMCplus (Dynamic Matrix Control plus) 在世界范围内 得了广泛应用 .在国内多套催化裂化装置上有成功 应用的实例 .如 2000 年 10 月 DMCplus 在齐鲁石化 ) 100 4 t/ a 催化裂化装置 ( 成功投用 ; 2001 年 10 置成功投用 .该装置操作更加平稳 ; 汽油干点 ,

10、 柴油 凝固点质量卡边操作 , 轻油收率明显提高 ; 参渣比提 高 ; 装置能耗降低 . 11113 SMOC SHELL 公司多套炼油和化工装置上成功应用 .其特 日本 Y OG OK AWA 公司的多变量模型预估控制 技术产品 SMOC ( SHELL Multivariable Optimising Con2 troller) 是与 SHELL 公司合作开发的 .SHELL 是国际 上较早开发 APC 的公司之一 ,SHELL 内部有卓越的 研发能力和技术经验丰富的工程师 , 其 APC 技术在 点是 : 易用的设计和仿真工具 ; 不可测干扰模型的使 用增强了系统的鲁棒性 ; 灰箱模型使

11、控制系统的调 试更加容易 : 减少控制变量波动 ; 使工厂操作于最优 状况 ; 提高工厂的效益操作点 .目前 Y OG OK AWA 的 SMOC 在国内的成功应用报道不多 . 112 国内 APC 技术的开发应用情况 11211 石油大学的多变量协调预估控制 经过多年的研制和应用 , 石油大学自动化研究 所的基于反响深度模型的多变量协调预估控制技术 已经在国内多套装置上成功地实施了 APC 并取得 了显著效果 .茂名石化公司 1 # 催化裂化装置以 Y OG OK AWA 公司的 DCS 为平台 , 研制了全套 APC 软件 ,其主要技术包括 : 反响 再生局部反响深度多 1995-2022

12、 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 变量协调预估控制 ; 反响热的在线实时观察计算 ; 产 率的在线实时观察计算与反响深度实时优化 ; 主分 馏产品质量多变量协调预估控制 ; 汽油干点在线实 时观察计算 ; 柴油 90 %点产品质量多变量协调预估 控制 ; 柴油 90 %点在线实时观察计算 ; 吸收稳定系 统稳定汽油饱和蒸汽压产品质量多变量协调预估控 制和稳定汽油饱和蒸汽压在线实时观察计算等 . 该技术有以下突出特点 .他们有自己的多变量 协调预估控制技术 ; 状态反响预估控制 ; 通用预估控 制算法 ;

13、 软仪表技术 ; 基于机理分析的动态数学模 型 ;前置烧焦式高效再生器催化裂化装置动态模拟 与操作分析 ; FCCU 主分馏塔动态模型与先进控制 . 11212 浙江大学的 MPCT 浙江 大 学 自 动 化 所 的 多 变 量 预 估 控 制 技 术 MPCT(Multivariable Predictive Control Technology) 在国 内应用也取得了显著成效 . 2 APC 技术结构 目前 , 炼油化工装置大多采用 DCS 进行控制 , 控制手段主要是基于 PID 的常规控制 .没有充分发 挥 DCS 的优势 .而且对于生产过程中时变性强 , 强 耦合 , 非线性和大时滞

14、等问题就显得力不从心 , 而 APC 可以较好地解决这些问题 .而且通过优化工艺 和卡边操作 ,APC 可以为企业创造更大的利润 . 一个 APC 一般包括鲁棒 性多变量预估控制器 , 动态数 学模型 , 工艺计算 ( 软仪表 ) 和 实时优化 .如图 1 所示 . 211 多变量预估控制器 多变量预估控制器的核心 图1 先进控制 是控制策略或控制算法 .它是 结构层次 多变量输入多变量输出 , 基于模型的预估控制器 . 21111 Honeywell Hi2SPEC Solution 的 RMPCT 以 Honeywell Hi2SPEC Solution 的 RMPCT 为例 , 其典型的

15、多变量模型预估控制器的控制算法结构见 图 2. 图2 RMPCT 控制器原理图 对催化裂化装置一般可以设定 3 个多变量控制 12 工业仪表与自动化装置 2022 年第 6 期 器 ,分别为反响再生控制器 , 分馏控制器和吸收稳定 控制器 .在多变量控制中 , 装置变量一般分为受控 变量 , 操纵变量和干扰变量 . 受控变量 ( CVs) : 指控制器试图保持其在规定 的设定点或范围之内的变量 .控制器的首要工作就 是将 CVs 保持在规定的约束范围 . 操纵变量 ( MVs) : 指控制器可以调整的变量 . 通过调整这些变量使 CVs 保持在约束之内并优化操 作 ,同时 ,任何 MVs 都不

16、至于超出它自己的约束范 围. 干扰变量 ( DVs) : 指虽然可测但不由控制器来 控制却影响 CVs 的变量 .它们可来自上游过程 .预 估 DVs 对未来的影响时 ,控制器可采取行动以防止 CVs 超出约束范围 .DVs 为控制器提供前馈信息 . RMPCT 是利用模型来预估未来时刻被控对象 的运动和误差 ,作为确定当前时刻控制作用的依据 , 使之适应动态系统所具有的存储性和因果性的特 点 ,得到比常规 PID 控制更好的效果 . 21112 AspenTech 的多变量预估控制 DMCplus AspenTech 的多变量预估控制 DMCplus 采用的 是动态矩阵控制 (Dynamic

17、 Matrix Control) .其控制结 构见图 3 . 图3 DMCplus 控制结构 DMCplus 中引入了自变量和因变量的概念 . 在 所谓自变量是指其值不受过程中任何其他变量的影 响 ,它包含操纵变量 (MVs) 和干扰变量 ( DVs) 两种类 型 .所谓因变量是指该变量的动态性能可以依据一 定时间内某个特定自变量的变化来描述 , 受控变量 ( CVs) 是因变量 .许多变量是因变量 , 但由于其重 要性不够 ,缺乏以确定为受控变量 .一个自变量 ( 设 定点) 的变化影响几个受控或受约束变量 . DMCplus 可以应对所有受控变量变化的影响并 找出好的解决方案 , 使用动态

18、模型来预估受控变量 的变化 .DMCplus 控制器考虑了所有的约束并试图 找出一个控制策略来满足所有过程和操作约束 , 这 些约束包括 MVs 的上 , 下限和变化速率 ,CVs 的上 , 1995-2022 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 下限等 .动态方面要到达 : 最小的 CV 误差 , 最小的 MV 变化 , 追寻动态优化路径到达稳态优化目标 . 稳态方面 : 获取最大的效益 , 可靠的鲁棒控制 . 212 数学模型 数学模型对过程进行分析 , 控制和优化的根底 , 主要有稳态模型和动态模型两

19、大类 .稳态模型给出 了生产过程稳定时各变量之间的关系 , 主要用于装 置的设计和操作的优化 .对于过程控制来讲 , 更重 要的是动态模型 .近年来 , 国内外开发了较多的催 化裂化装置反响再生动力学模型并成功应用于实 践 .例如石油大学研究开发了催化裂化反响动力学 模型并简化为催化裂化反响热模型 , 成功应用于催 化裂化装置 .还有洛阳石化工程公司开发的十三集 总模型等 .建立数学模型的方法主要有机理建模和 系统辨识建模 . 21211 机理建模 机理建模是利用微分方程建立过程的数学模型 , 直到 60 年代随着计算机的应用才得以进一步开展. 例如精馏塔的动态数学模型根本是以 平衡级 假设

20、为根底 ,即 :塔板上的液体和板间的液体是完全混合 的 ;离开塔的气体和塔板上的液体处于相平衡状态 ; 塔板上的能量传递非常迅速 ,能量方程可以简化为代 数方程.动态数学模型用于生产过程的实时控制, 在 线优化和动态仿真 ,因此 ,缩短模型的计算时间非常 重要.需要对模型的结构和参数进行简化. 机理建模的优点是能够在装置建设之前就开始 进行 ,如果与工艺设计协调好关系就可以节约大量 时间 ,及早投用先进控制可以提前获得效益回报 . 此外 ,机理建模还可以充分利用所有的可测信息提 高控制性能 .石油大学基于动态模型的在线计算的 汽油干点与柴油 90 %点在国内多家炼厂已取代人 工化验而用于生产控

21、制 ,保证了产品质量 ,提高了产 品收率 .可是由于多数过程的内在机理复杂 , 难以 完全从机理上揭示其内在规律 , 而且建立机理建模 需要广阔的科学知识和对生产过程的深入了解 , 需 要建立大量的微分方程 ,从建立方程 , 简化到求解非 常困难 . 21212 系统辨识建模 系统辨识建模所得的模型是 黑箱 模型 .进行 系统辨识时需要对过程施加测试信号 , 利用实测的 有噪声污染的过程输入和过程输出信号建立过程输 入和输出之间的数学模型 .测试时需要对输入信号 的采样时间 , 辨识时间进行选择确定 ,采集到的数据 应该尽可能地包含过程特性的内在信息 .具体的方 2022 年第 6 期 工业仪

22、表与自动化装置 13 变量预估控制的典型代表 .系统辨识建模的缺点是 需要对在线生产装置施加足够的鼓励 ,使输入 , 输出 信号有一定幅度的变化 , 这就给生产造成了人为的 干扰 ,这是实际生产不愿接受的 . 213 工艺计算 产品质量是过程控制的主要目标 .先进控制需 要产品质量的实时信息 .通过这些信息操作人员既 可以掌握当前产品质量状况 , 又能够根据质量偏差 调整操作使产品质量保持在需要的范围 .常规情况 下 ,产品质量数据是通过产品采样然后送到化验室 化验才能得到 , 通常需要一小时以上 .由于时间滞 后太长 ,无法应用于先进控制的卡边操作 . 石油化工生产装置采用了许多在线质量分析

23、仪 表 ,但这些在线质量分析仪表维护难度大 ,技术要求 高 ,往往在生产中存在一些问题 ,而且在线质量分析 仪表有分钟级的时间滞后 . 随着先进控制的迫切要求并借助于计算机技术 的飞速开展 ,各大先进控制公司开始研究开发产品 质量的在线计算软件并取得很好的成绩 .其计算方 法可分为以下几类 : (1) 操作参数和油品物性参数为依据关联出产 品质量模型 .如以塔顶温度 , 油气分压和分馏指数 关联汽油的干点 . ( 2) 以实测数据为依据 ,采用各种数学和智能方 的计算方法 . ( 3) 经原网络计算产品质量的方法 . (4) 在建立精馏塔动态模型的根底上在线计算 汽油的干点 . ( 5) 不可

24、测变量的在线计算 . 法得出产品质量的计算模型 .如采用基于模式识别 214 实时优化 法有最小二乘法 , 增广最小二乘法和极大似然法 . 系统辨识建模的优点是无须深入了解过程的机 理 ,防止难以建立的机理数学模型 .AspenTech 公司 的 DMCplus 和 Honeywell Hi2SPEC Solution 的 RMPCT 都是采用实测的输入/ 输出模型 ,它们是当今国外多 在许多先进控制应用中 , 控制要求是将所有的 变量维持在约束之内 , 而并没有用尽控制器所拥有 的自由度 .即使在 CV 比 MV 多的情况下 ,如果许多 CV 是范围而不是给定值 ,控制器仍然会有充裕的自 由

25、度 .因此可以更好地利用这些自由度去组成一个 目标函数 ,这样控制器就能使工艺的某些方面得到 优化 .目标函数是任何 CV 和 MV 的线性函数或二 次函数 .在实际应用中 ,进料 , 主要产品和共用消耗都包括在 MV 和 CV 中 .典型的目标函 数是使操作利润最大化 .实时 优化结构见图 4 . 在实际应用中 , 许 多 CV 是一个范围而不是一个给定 值 .当过程模型有较大误 差 或 CV 间有较强交互影响时 , 多变量预估控制正是利用范围 控制算法来改善控制质量 .控 图4 实时优化 结构图 制器不是强制使各个 CV 都保 持在一个特定值上 , 而是通过控制器的自由度允许 CV 可以处

26、于极限之内的任一点上 . 3 结束语 APC 技术现在已较为成熟 , 国内外许多炼油化 工装置采用 APC 后取得了显著的经济效益 .目前 , 石油化工企业正大力推进 APC 的应用以应对国内 外市场的挑战 .APC 工程的实施大致包括功能设计 研讨 , 初步设计 , 阶段测试与详细设计 , 试车投产和 投产后长期功能维护等几个阶段 .特别是在初步设 计时一定要确定好 APC 的设计总目标 , 炼油化工装 置一般可包括提高目标产品产率 , 提高装置处理量 , 平稳装置操作 , 发挥装置最大潜力 , 优化转化率和将 关键变量控制在设定范围内等几个目标 .还要做好 控制器设计 ,选好 CV 和 M

27、V . 参考文献 : 1 Y. A. Liu. Advanced Process Control Using Dynamic Matrix Control plus (DMCplus) J . 2022 , (12) . 2 Y. A. Liu. Advanced Concepts and Introduction to Inferential Property Development Using Aspen IQJ . 2022 , (12) . 3 郑应平 . 充满魅力的现代控制理论 J . 自动化博览 , 2022 (5) . 4 王常力 . 信息化到底能为工业化做些什么 J . HollySys 通讯 ,2022 (10) . 欢送订阅 欢送赐稿 欢送刊登广告信息 1995-2022 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.1