高寧波 王 琪 劉立業(yè)

(1.中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣州 510726；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

中國石油化工股份有限公司廣州分公司輕催、蒸餾一、加氫裂化、加氫處理、6.5萬標(biāo)m3/h制氫、加氫精制三、S-ZORB、連續(xù)重整二、脫硫一和重油催化10套生產(chǎn)裝置長期存在自控率不高、報警頻繁及裝置無法平穩(wěn)運(yùn)行等問題，而且部分裝置的產(chǎn)品收率長期達(dá)不到設(shè)計要求。為此，公司組織技術(shù)力量對所存在的問題進(jìn)行分析研究后，決定采用內(nèi)模-PID控制器優(yōu)化技術(shù)和基于樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控技術(shù)來解決以上問題。

1.1 自控率普遍偏低

10套裝置的原自控率普遍偏低，見表1。

表1 裝置優(yōu)化前自控率統(tǒng)計

裝置要投自動控制，則需對控制器的PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和優(yōu)化。PID是眾所周知的控制形式，但優(yōu)化設(shè)置PID參數(shù)是工控領(lǐng)域在持續(xù)進(jìn)行探索和研究的課題[1～5]。

由于多種原因，目前該公司生產(chǎn)裝置中很多PID回路并未投自動控制，或因設(shè)置PID參數(shù)不當(dāng)造成投自動后波動太大，只好又改回為手動控制?，F(xiàn)場工藝人員和操作工長期以來把問題歸結(jié)為工藝回路或儀表問題，實(shí)際上大多是由于PID控制形式不當(dāng)或PID參數(shù)設(shè)置不合理造成的。

1.2 部分投入自動運(yùn)行的PID回路波動大

有些回路雖然投了自動控制，但由于PID參數(shù)設(shè)置不合理，常出現(xiàn)被控量波動幅度過大、振蕩次數(shù)多且振蕩幅值很大的情況，這對裝置的平穩(wěn)運(yùn)行、保證產(chǎn)品質(zhì)量及降低能耗等都有不利影響。其中加氫精制三T5002液位LIC5205的控制效果如圖1所示，雖然該回路投運(yùn)自動控制，但由于PID參數(shù)設(shè)置不合理，液位波動大，特別是閥門出現(xiàn)了大幅振蕩，導(dǎo)致了下游的不穩(wěn)定。

圖1 T5002液位LIC5205控制波動曲線

1.3 串級控制等復(fù)雜回路未投運(yùn)

裝置中串級、比例及選擇控制等回路對于裝置的平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。項(xiàng)目實(shí)施前，10套裝置的串級回路全部沒有投運(yùn)自動，對于裝置的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生了很大影響。

1.4 裝置操作頻繁

裝置越復(fù)雜，設(shè)備間的關(guān)聯(lián)耦合因素就越多，加上有的回路投不上自動控制、有的回路投自動控制效果不好[6，7]，所以操作工需要時刻關(guān)注生產(chǎn)情況進(jìn)行操作，操作強(qiáng)度較大。

1.5 自控率監(jiān)控和統(tǒng)計分析方式原始

由于該公司尚無自控率自動監(jiān)控和分析系統(tǒng)，因此相關(guān)人員只能根據(jù)現(xiàn)場工作人員的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計和分析比較，周期長、準(zhǔn)確性和效率低。

1.6 控制器參數(shù)的優(yōu)化效果難以展現(xiàn)

針對自控率不高的問題，可對現(xiàn)場裝置進(jìn)行控制器優(yōu)化，進(jìn)而改變調(diào)節(jié)控制器的投運(yùn)，減輕操作工的壓力和強(qiáng)度，提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)率，實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品合格率/收率及節(jié)能降耗等目標(biāo)。

但是，該公司缺乏有效、直觀的對生產(chǎn)裝置自控率進(jìn)行監(jiān)視和對比分析的方法，控制器優(yōu)化后的效果難以迅速展現(xiàn)，只能通過人工統(tǒng)計得到一些不太準(zhǔn)確的籠統(tǒng)信息。

1.7 控制器參數(shù)優(yōu)化后效果難以保持

基于當(dāng)前我國石化行業(yè)自控領(lǐng)域的現(xiàn)狀，多年來企業(yè)中的裝置自動化水平一直處于低位，這導(dǎo)致操作工養(yǎng)成了手動控制裝置的工作習(xí)慣[8，9]。

根據(jù)長期的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即便在進(jìn)行控制器優(yōu)化后，優(yōu)化效果也難以長期維持，其中一個主要原因就是操作人員的工作習(xí)慣。為此，該公司需要一種有效的監(jiān)控手段，督促操作工和相關(guān)人員更加關(guān)注和重視裝置/回路的自動運(yùn)行投運(yùn)情況，以便長期保持控制器優(yōu)化及先進(jìn)控制等優(yōu)化后的效果。

1.8 先進(jìn)控制的實(shí)施需改善基礎(chǔ)回路的運(yùn)行

當(dāng)前以多變量為核心的先進(jìn)控制(APC)在石化行業(yè)廣泛應(yīng)用[10，11]，但是多變量先進(jìn)控制是建立在單變量PID基礎(chǔ)之上的，由于單變量PID整定不良，控制效果不好，使多變量先進(jìn)控制不能投入使用。因此，改善基礎(chǔ)回路運(yùn)行狀態(tài)，是先進(jìn)控制實(shí)施的前提條件。

2 解決問題的方法

經(jīng)過仔細(xì)研究，技術(shù)人員認(rèn)為采用內(nèi)模-PID控制器優(yōu)化技術(shù)和基于樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控技術(shù)，是解決以上問題的有效方法。

2.1 內(nèi)模-PID控制器優(yōu)化技術(shù)

運(yùn)用先進(jìn)控制整定和優(yōu)化PID控制器的形式和控制器參數(shù)[12，13]，既保留了先進(jìn)控制的優(yōu)點(diǎn)又保持了PID的魯棒性，同時避免了先進(jìn)控制單獨(dú)運(yùn)用的缺陷。本項(xiàng)目就采用了內(nèi)模先進(jìn)控制優(yōu)化并整定PID控制器。

內(nèi)模-PID控制器優(yōu)化工作原理如圖2所示，可方便地建立內(nèi)模先進(jìn)控制和普通PID控制之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即：

Gc=(1+CGm)-1C

(1)

式中C——PID控制器；

Gc——內(nèi)模控制；

Gm——辨識得到的回路對象模型。

圖2 內(nèi)模-PID技術(shù)優(yōu)化整定PID控制器原理

可由Gc求解出C，從而得到PID參數(shù)，完成內(nèi)模-PID控制器的優(yōu)化整定，并且優(yōu)化整定后的PID具有內(nèi)模先進(jìn)控制的快速及準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)以一階純滯后回路對象為例介紹內(nèi)模-PID的具體轉(zhuǎn)換技術(shù)[14]。

一階純滯后回路對象的模型為：

(2)

分解可得：

(3)

由圖2的轉(zhuǎn)換過程和式(1)的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得：

從而將PID參數(shù)K比例、Ti積分、Td微分最終化簡為：

2.2 基于樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控技術(shù)

廣州分公司、作業(yè)部(煉油一部、煉油二部、煉油三部、煉油四部、化工一部、化工二部)、生產(chǎn)裝置、裝置畫面和回路構(gòu)成的分層樹狀結(jié)構(gòu)如圖3所示。按照分層分別統(tǒng)計廣州分公司、作業(yè)部、生產(chǎn)裝置、裝置畫面和回路的自控率。

圖3 分層樹狀結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)來源于DCS采集到的回路手動/自動/串級狀態(tài)數(shù)據(jù)(MODE)，由數(shù)據(jù)采集專用網(wǎng)絡(luò)完成，各裝置的數(shù)采機(jī)將工程師站上的數(shù)據(jù)采集到廣州分公司信息中心的實(shí)時數(shù)據(jù)庫PHD中。其中自控率數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。由于上層應(yīng)用開發(fā)只能基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，所以使用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(Microsoft SQL Server 2008，MSSQL)，MSSQL起到了數(shù)據(jù)的緩沖、存儲和統(tǒng)一化的作用。實(shí)時數(shù)據(jù)庫PHD和MSSQL之間的數(shù)據(jù)交換通過單獨(dú)開發(fā)的定時數(shù)據(jù)采集服務(wù)完成。

圖4 自控率數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

自控率的計算方法是每隔一定時間(如3min)，通過實(shí)時數(shù)據(jù)庫采集一次現(xiàn)場裝置的實(shí)時自控狀態(tài)數(shù)據(jù)，則某節(jié)點(diǎn)的實(shí)時自控率=當(dāng)前節(jié)點(diǎn)投自動回路數(shù)÷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所有參與統(tǒng)計的回路總數(shù)。實(shí)時數(shù)據(jù)每隔3min重新采集并更新一次，每次采集都會得到一批數(shù)據(jù)，即一個采集點(diǎn)。將所有采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)均存儲下來作為歷史自控率和歷史平穩(wěn)率查詢時的依據(jù)。某節(jié)點(diǎn)在某個時間間隔的歷史自控率=當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在此時間內(nèi)所有投自動的回路采集點(diǎn)總數(shù)÷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在此時間間隔內(nèi)所有參與統(tǒng)計的回路采集點(diǎn)總數(shù)。

系統(tǒng)支持各裝置(如蒸餾三及輕催等)同級節(jié)點(diǎn)實(shí)時自控率的查詢與排序、歷史自控率同級節(jié)點(diǎn)的同比及環(huán)比查詢等；支持班組查詢功能，可以查詢到某一時刻某個自控率采集點(diǎn)下的工作班組信息，便于開展評比及責(zé)任追究等工作。

廣州分公司基于樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊如圖5所示。

圖5 自控率監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊框圖

3 優(yōu)化方案的實(shí)施

3.1 每套裝置回路控制器形式的優(yōu)化

需要注意：改變PID的控制形式后要在DCS進(jìn)行組態(tài)調(diào)整。

3.2 給定PID回路PID參數(shù)的優(yōu)化整定

對于一個回路對象，對其對象選定了PID控制形式，根據(jù)對象的具體特點(diǎn)，采用內(nèi)模-PID控制技術(shù)整定PID參數(shù)，使得被控對象穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且控制精度高。

3.3 建立樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控系統(tǒng)

建立樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控系統(tǒng)后，各裝置、裝置各畫面、畫面各回路的自控率一目了然，可以方便地開展實(shí)時自控率和歷史自控率的評比考核，同時充分地展現(xiàn)和保持內(nèi)模-PID控制技術(shù)實(shí)施后的成果。

4 應(yīng)用效果

4.1 自控率大幅度提高

優(yōu)化與監(jiān)控項(xiàng)目實(shí)施后，對不同的回路特性采用不同的PID控制形式，對選定的PID控制形式優(yōu)化了PID控制參數(shù)。圖6以樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控系統(tǒng)展示了廣州分公司煉油二部裝置在優(yōu)化項(xiàng)目實(shí)施過程中自控率逐步提升的情況。

圖6 裝置自控率在項(xiàng)目實(shí)施過程中的動態(tài)變化

該公司的10套裝置進(jìn)行優(yōu)化后自控率提高到了95%以上。

4.2 提高了控制精度

重整回收塔塔頂溫差串級控制TDIC70505回流量控制塔頂溫差直接影響苯的回收。優(yōu)化前溫差在5～40℃，優(yōu)化后為18～23℃，波動范圍降為優(yōu)化前的1/7。優(yōu)化前后的控制效果對比如圖7所示。

圖7 TDIC70505優(yōu)化前后的控制效果對比

重整分餾塔T201液位控制回路LIC21301優(yōu)化前控制的效果如圖8所示，波動范圍在42%～82%，影響分餾效果和T201的平穩(wěn)操作。優(yōu)化后的控制效果如圖9所示。

圖8 重整LIC21301優(yōu)化前控制效果

圖9 重整LIC21301優(yōu)化后控制效果

苯精制系統(tǒng)回流罐串級控制LIC70902和FIC70902，優(yōu)化前副回路FIC70902長期處于超量程狀態(tài)；優(yōu)化前LIC70902在40%～80%波動，優(yōu)化后波動范圍在39%～43%，優(yōu)化前后的控制效果對比曲線如圖10所示，大幅降低了操作人員的工作量，同時保證了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖10 LIC70902優(yōu)化前后控制效果對比

項(xiàng)目實(shí)施前TI1332在55.0～78.6℃頻繁波動，屬于人為頻繁操作所致。項(xiàng)目實(shí)施后TI1332被自動控制在63.9℃±1℃，如圖11所示。

圖11 項(xiàng)目實(shí)施前后TI1332控制效果對比

4.3 增加產(chǎn)品合格率、提高收率、節(jié)能降耗

4.3.1脫硫一

脫硫一裝置在項(xiàng)目實(shí)施前液化氣脫硫的串級控制沒有投運(yùn)，液化氣出產(chǎn)品的流量表經(jīng)常歸零，造成累計產(chǎn)品流量表測量偏差和塔內(nèi)平衡不穩(wěn)定致使液化氣損失較多。項(xiàng)目實(shí)施后，液化氣收率提升了1.983%(表2)，考慮到一些未盡因素，保守取該數(shù)值的20%進(jìn)行計算。

表2 優(yōu)化措施實(shí)施前后液化氣收率統(tǒng)計 %

這6個月的平均液化氣進(jìn)裝置量為每月46kt，市場上的液化氣價格約為每噸4 700元，項(xiàng)目實(shí)施后全年收取的效益為1 028.9萬元。

4.3.2重催

優(yōu)化后汽油收率略有提高，鑒于DCS中還有些組態(tài)需要修改但目前難以修改，修改完后單體能耗還會有較大降低，輕組分收率還會有提高。取優(yōu)化前后3個月的汽油收率作對比，見表3。

表3 汽油收率變化 %

汽油價格為每噸5 600元，目前加工量為110萬t/a，從表4可以看出汽油收率有0.71%的提高。保守估計收率提高，汽油收率按照平均值42%計算，汽油產(chǎn)量46.2萬t，取平均差值的20%進(jìn)行計算，全年獲取的效益為367.38萬元。

4.3.3重整二

重整二裝置經(jīng)過長時間的優(yōu)化，取得了較明顯的效果。二甲苯和苯的收率略有提高。重整的加工量為100萬t/a，苯的價格約為每噸8 500元，二甲苯價格約為每噸8 700元。從表4可以看出，苯的收率提升了0.822 5%，二甲苯的收率提升了3.079 17%。苯的產(chǎn)量就以8個月的平均收率4.494 0%計算，產(chǎn)量為4.494萬t。二甲苯的產(chǎn)量就以7個月的平均收率23.897 00%計算，產(chǎn)量為23.897萬t。效益計算結(jié)果：苯收益314.19萬元，二甲苯收益6 401.36萬元。

表4 重整二裝置中苯和二甲苯收率變化 %

注：2013年12月的2.66%不取，因?yàn)槎妆缴a(chǎn)6天后改走汽油線了。

4.4 降低操作工勞動強(qiáng)度

由于存在各種干擾，而產(chǎn)品的質(zhì)量要求又較高，裝置的操作彈性較小，且很多回路都投不上自動，所以操作工需要時刻盯著操作屏進(jìn)行操作，稍有疏忽就可能產(chǎn)生事故或影響產(chǎn)品質(zhì)量，操作工勞動強(qiáng)度大。

項(xiàng)目實(shí)施后10套裝置的勞動強(qiáng)度降低到了以前的1/5以下，由于裝置平穩(wěn)率大幅提升，報警次數(shù)降低為項(xiàng)目實(shí)施前的1/10以下。

4.5 促進(jìn)了觀念和管理的轉(zhuǎn)變

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，工藝人員體會到裝置高自控率的運(yùn)行完全可能，并且能高水平、高平穩(wěn)率的投入自動。通過比較前后的差別，工藝人員真正體會到了高水平自動控制的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

中國石油化工股份有限公司廣州分公司10套生產(chǎn)裝置成功應(yīng)用內(nèi)模-PID控制器優(yōu)化技術(shù)和基于樹狀結(jié)構(gòu)的自控率監(jiān)控技術(shù)，解決了裝置長期存在的自控率低、平穩(wěn)率低及報警頻繁等問題，不但大幅度提高了裝置的自控率(長時間保持在95%以上)，還大幅度提高了回路的控制質(zhì)量，提高了裝置平穩(wěn)率，降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和收率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。而且工藝人員也體會到裝置可以在高水平自動控制下平穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)了操作人員形成手動比自動穩(wěn)、手動比自動好的操作觀念。

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