全流程智能控制在國產化乙烯裝置上的應用

李全善，，王堃，朱連勛，陳平

（1．北京世紀隆博科技有限責任公司，北京100020；2．中國石油大慶石化分公司，黑龍江大慶163711）

關鍵字：全流程 智能控制 雙烯收率 能耗

1 概述

石油化工是國民經濟發(fā)展重要的基礎產業(yè)，既是能源生產企業(yè)，也是能耗和污染企業(yè)。石化裝置工藝復雜，存在多變量、強耦合、非線性、大時滯、多目標、多約束、自干擾等難題。采用常規(guī)控制難以實現(xiàn)穩(wěn)定運行，經常造成操作波動，上述難題一直是國內外研究重點。為此，需采用信息化技術，結合國內石油化工生產企業(yè)實際情況，開發(fā)國產化石油化工關鍵共性技術，對提高裝置收率，節(jié)能降耗起著至關重要的作用。

北京世紀隆博科技有限責任公司長期致力于石油化工節(jié)能降耗關鍵共性技術的研發(fā)，將石化生產過程與信息化技術相融合，開發(fā)了關鍵共性技術—Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)，解決了生產裝置上控制難題，實現(xiàn)裝置長周期安全平穩(wěn)智能控制，并將此共性技術與生產實踐相結合，已在國內多套石化裝置應用，取得了良好的應用效果。

2 Robust-IC 全流程智能控制系統(tǒng)

Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)是將信息化和工業(yè)化“兩化”深度融合的新一代全流程智能控制系統(tǒng)，解決了PID整定難題，實現(xiàn)全裝置所有控制回路的智能精準控制；解決了生產裝置中多變量、非線性、強耦合、純滯后、間歇式和連續(xù)式控制并存、多約束和多目標調控等技術難題，實現(xiàn)智能控制的長周期安全穩(wěn)定運行。Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)包括Robust-M智能建模、Robust IMC-PID智能內模PID優(yōu)化控制、Robust VNLAC智能變參數非線性區(qū)域控制、Robust BFC烽燧控制和Robust MIC多變量智能控制五大關鍵技術。

1）Robust-M大數據智能建模

創(chuàng)造性將大數據挖掘、優(yōu)化方法與在線閉環(huán)建模集成，無需測試直接建立閉環(huán)系統(tǒng)中連續(xù)的對象模型方法，實現(xiàn)在線自學習智能建模，形成全工況模型庫。

2）Robust IMC-PID智能內模PID優(yōu)化控制

Robust IMC-PID智能內模PID優(yōu)化控制自動采集工廠海量過程數據，轉化為有效的數據倉庫，無需外加任何測試信號，在線自動智能建模及設計控制器參數，實現(xiàn)全裝置全流程智能內模PID控制器參數設計及優(yōu)化，達到高精度無超調快速平穩(wěn)控制，適用于多種工況，可長期投用，解決了現(xiàn)有參數整定方法粗放、魯棒性差、無法滿足系統(tǒng)多種工況需求等問題，在保證裝置平穩(wěn)運行的基礎上，大大提升生產裝置自控精度，減輕操作人員負擔。

3）Robust VNLAC智能變參數非線性區(qū)域控制

Robust VNLAC智能變參數非線性區(qū)域控制是一種結合智能建模、模糊控制和專家系統(tǒng)的新型智能控制方法，解決了傳統(tǒng)液位—流量串級控制流量大幅波動的控制難題，發(fā)揮液位的緩沖作用，盡可能使流量穩(wěn)定，減少對下游的影響。

4）Robust BFC烽燧控制

依據生產方案變更的負荷信息，基于全系統(tǒng)物料和能量的動靜態(tài)平衡思想，對與生產工藝過程相關的控制回路進行調整，實現(xiàn)智能動、靜態(tài)分配，減小生產方案變更帶來的波動，消除相關過程間的干擾。

5）Robust MIC多變量智能控制

Robust MIC多變量智能控制是一種針對復雜過程的國際領先的智能控制方法，其融合了多變量理論、智能建模、自適應控制、協(xié)調控制、解耦控制、非線性控制、模糊控制、推理控制等多項技術，解決生產裝置中多變量、非線性、強耦合、純滯后、間歇式和連續(xù)式控制并存、多約束和多目標調控等技術難題，突破了傳統(tǒng)先進控制（多變量預測控制、動態(tài)矩陣控制、多變量自適應控制等）在國內難以長期應用的技術瓶頸，真正實現(xiàn)了復雜生產過程長期穩(wěn)定運行。

3 應用案例

目前，Robust-IC全流程智能控制的關鍵共性技術已在國內多套生產裝置應用，應用效果良好，以大慶石化60萬噸/年乙烯裝置為例，該裝置采用的是中國寰球工程公司與大慶石化公司共同開發(fā)的首套大型乙烯裝置國產化工藝包，共有7臺裂解爐，6臺引進TECHNIP Stone & Webster（德西尼布石韋）工藝包，1臺采用寰球國產化工藝包，單臺裂解爐有2個爐膛，192根爐管，4路烴進料，每路進料配有稀釋蒸汽。分離系統(tǒng)采用五段壓縮，雙塔前脫丙烷前加氫分離工藝。全裝置設備共計692臺，共有652個控制回路，測量點15 520個。

為進一步提高國產化乙烯裝置控制水平，優(yōu)化生產操作條件，實現(xiàn)全裝置整體平穩(wěn)運行，大慶石化2014年引進了Robust-IC全流程智能控制的關鍵共性技術，實現(xiàn)全裝置智能化平穩(wěn)運行。目前，該系統(tǒng)在大慶石化國產化乙烯裝置投用后，石腦油和乙烷爐雙烯收率分別提高0.52%和1.99%，能耗降低40.12千克標油/噸，累計增加經濟效益6.88億元。

3.1 Robust-M 智能建模

在乙烯裝置上應用后，近3年累計采集了裝置百億級生產過程數據，建立了全流程652個對象模型庫，每個模型庫平均包含864個模型，共計563 328個模型，模型精度達95%。

3.2 Robust IMC-PID 智能內模 PID 優(yōu)化控制

以脫丁烷塔為例，基于Robust-M智能建模技術，對脫丁烷塔全部控制回路建立過程對象傳遞函數模型，形成覆蓋全部工況模型庫，針對每個模型，在線自動設計內模PID控制器及參數。并基于PSO等優(yōu)化算法，選取最優(yōu)智能內模PID優(yōu)化控制器參數，該參數可適用于多種工況，達到高精度無超調快速平穩(wěn)控制，可長期投用，解決了現(xiàn)有參數整定方法粗放、魯棒性差、無法滿足系統(tǒng)多種工況需求等問題，將基礎PID控制改造為智能控制，實現(xiàn)基礎控制回路的快速平穩(wěn)控制，達到分離系統(tǒng)平穩(wěn)控制的要求，提高分離效果。實施后，靈敏板溫度均方差由2.39℃降至0.19℃，塔釜液位均方差從9.62%降至0.81%，回流罐壓力均方差從0.004 1 MPa降至0.000 2 MPa，脫丁烷塔整體被控參數均方差降低了91.49%，控制精度提高，運行平穩(wěn)，節(jié)能3%。脫丁烷塔控制點流程見圖1，優(yōu)化控制前后參數控制曲線對比見圖2。

3.3 Robust VNLAC 智能變參數非線性區(qū)域控制

圖1 大慶石化脫丁烷塔控制點流程

圖2 脫丁烷塔各參數優(yōu)化控制前后曲線對比

以脫丁烷塔靈敏板溫度串級控制為例，結合智能建模、模糊控制和專家系統(tǒng)，針對液位測量值與設計值偏差與約束條件，實時調整液位控制器的比例、積分參數，發(fā)揮溫度的緩沖作用，盡可能使流量穩(wěn)定，減少對下游的影響。實施后，溫度及流量波動范圍大大降低，溫度均方差由1.55℃降低至0.72℃，流量均方差由2.17 t/h降低至1.50 t/h。大慶石化乙烯裝置脫丁烷塔ET3461的靈敏板溫度串級控制曲線優(yōu)化前后對比見圖3。

圖3 脫丁烷塔ET3461的靈敏板溫度串級控制優(yōu)化前后曲線對比

3.4 Robust BFC 烽燧控制

以裂解爐EF3160為例，當生產負荷變更時，基于全系統(tǒng)物料和能量的動靜態(tài)平衡，自動分配負荷，實時調整兩個爐膛進料量，實現(xiàn)智能動、靜態(tài)分配，減小負荷變化帶來的波動，降低負荷變化對

COT溫度的影響。實施后，A、B爐膛均可實現(xiàn)自動升降負荷，提降負荷過程中的裂解爐COT溫度平穩(wěn)控制，支路溫差、支路進料、稀釋蒸汽均在設定閾值范圍內，有效確保全裝置的穩(wěn)定運行。優(yōu)化后大慶石化裂解爐自動提降負荷控制曲線見圖4。

圖4 裂解爐自動提降負荷控制曲線

3.5 Robust MIC 多變量智能控制

建立了7臺裂解爐的多變量模型，包含42個模型庫、240個全工況模型，模型涵蓋裂解爐COT、支路溫度、支路進料量、稀釋蒸汽等關鍵工藝參數，針對裂解爐復雜的多變量對象，設計具有多約束和多目標調控的多變量智能控制器，定制開發(fā)多變量一體化解決方案，只要簡單設定運行參數即可實現(xiàn)復雜單元智能控制，控制精度高，安全可靠，長期穩(wěn)定投用，適用于開、停工等多種工況。實施后，COT波動范圍降至±0.73℃，均方差降至0.43℃，原料切換、開爐、停爐等多種工況均可穩(wěn)定控制，裂解爐始終在最佳狀態(tài)下運行，實現(xiàn)了裂解爐智能控制技術應用的重大突破。大慶石化裂解爐實施優(yōu)化控制前后運行效果見表1。

表1 大慶石化裂解爐實施優(yōu)化控制前后運行效果

4 結論

為推進石油石化行業(yè)綠色發(fā)展，采用高新信息技術與石油化工生產過程結合，開發(fā)了Robust-IC全流程智能控制系統(tǒng)，可有效減少裝置能源消耗，推動我國石油石化行業(yè)過程控制的進步，推進實現(xiàn)石油石化行業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展。