洪博巖

（中國石油大慶石化化工一廠，黑龍江大慶611900）

乙烯裂解爐是乙烯裝置的龍頭設(shè)備，也是乙烯裝置中能耗最大的裝置，其能耗占整個裝置總能耗的50%～60%。其中，裂解爐的平均COT溫度的控制是至關(guān)重要的，平均COT溫度的波動會影響爐管的壽命和后續(xù)裝置的生產(chǎn)狀況。平均COT溫度過高會加速爐管結(jié)焦的速度，溫度過低會使裂解不夠充分，影響裂解深度。因此，平均COT溫度控制的研究具有重要意義。在實際的裂解爐平均COT溫度控制中，絕大數(shù)采用常規(guī)PID[1]控制方法。但由于平均COT溫度經(jīng)常受裂解爐烴進料量變化、爐膛溫度變化和燃料氣組分變化等干擾因素的影響，導(dǎo)致COT溫度波動較大。常規(guī)PID控制方法很難有效克服這些因素的影響，為此，許多企業(yè)引入先進控制技術(shù)[2?6]來優(yōu)化裂解爐的平均COT溫度。其中，模型預(yù)測控制(MPC)技術(shù)被廣泛認為是工業(yè)過程控制中最有效的先進控制方法[7]。

經(jīng)典MPC方法主要有基于有限脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)的動態(tài)矩陣控制(DMC)[8]、基于傳遞函數(shù)模型的廣義預(yù)測控制[9]和基于狀態(tài)空間模型的預(yù)測控制方法[10]。但是，DMC限于穩(wěn)定的對象并且需要大量的模型的階數(shù)，GPC很難處理多變量和大時滯的對象，基于狀態(tài)空間模型的預(yù)測控制需要依賴狀態(tài)觀測器的精度?；谏鲜鲈?，基于非最小狀態(tài)的模型預(yù)測控制方法得到了大量的研究，該方法保留了基于傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間預(yù)測控制的優(yōu)點。它采用歷史的輸出和輸入作為狀態(tài)變量，避免了狀態(tài)觀測器的設(shè)計。P.C.Young等[11]最早將NMSS模型應(yīng)用在PIP控制中，提出了很多改進的NMSSMPC 算 法[12?15]。 文 獻 [16]進 一 步 將 基 于NMSS模型的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用到非方多變量系統(tǒng)中。然而，對于NMSSMPC在實際工業(yè)過程中的應(yīng)用尚未報道。為此，筆者針對中國石油大慶石化有限責(zé)任公司乙烯裂解爐平均COT溫度波動較大問題，設(shè)計和開發(fā)了乙烯裂解爐平均COT溫度溫度先進控制系統(tǒng)，利用非最小狀態(tài)空間預(yù)測控制方法(NMSSMPC)設(shè)計平均COT溫度先進控制器，并將所開發(fā)的平均COT溫度先進系統(tǒng)應(yīng)用到大慶石化乙烯裂解爐(EF?111M和EF?111N爐)平均COT溫度控制中。結(jié)果表明，該策略是可行和有效的。

1 乙烯裂解爐工藝介紹

以中國石油大慶石化有限責(zé)任公司M#乙烯裂解爐（EF?111M）為例，如圖1所示。它有一個單爐膛，分8組進料，每組有24根爐管，共192根輻射管。爐膛溫度的測量用TI1015M表示。對于燃料氣系統(tǒng)，燃料氣壓力控制器為PIC1022M，COT溫度控制器為TC1022M，其中PV是過程變量，SV是設(shè)定變量，MV是操縱變量，AUTO和RCAS為控制器的模式。最終的控制目標是為了控制平均COT溫度達到工藝所要求的設(shè)定值。具體工藝流程如下：

原料(石腦油，NAP)分為8路進入M#爐的對流段進行預(yù)熱，第1次預(yù)熱溫度(HC PREHEAT 1)為350.6℃，第2次預(yù)熱溫度(HC PREHEAT 2)為531.9℃。然后每個支路與預(yù)熱后的稀釋蒸汽(DS)混合進入輻射管，進行高溫裂解，生成裂解氣，最后被送到下一個急冷環(huán)節(jié)。對于燃料氣控制系統(tǒng)，先進控制器（NMSSMPC）和燃料氣壓力控制器(PID)的控制模型是遠程串級模型（RCSA）。NMSSMPC控制器給底層PID流量控制器設(shè)定值，PID控制器通過調(diào)整燃料氣壓力(PIC1022M)來調(diào)節(jié)平均COT溫度。平均COT溫度控制器TC1022M的目標是使平均COT溫度控制在859.0℃。N#爐的工藝和進料流量控制系統(tǒng)與M#爐相似，但是對于生產(chǎn)需求的不同可能有所差異。

圖1 乙烯裂解爐工藝流程Fig.1 Process flow of ethylene cracking furnace

2 裂解爐平均COT溫度控制方案

2.1 原有控制方案

如圖2所示，原控制方案采用的是爐出口平均COT溫度與燃料氣壓力串級控制，其中TC1022為外環(huán)平均COT溫度控制器，PC1022為內(nèi)環(huán)燃料氣壓力控制器，控制模式由切換開關(guān)PS1022控制，PS1022置1，為平均COT溫度控制（TC1022來的信號），PS1022置2，為熱值控制（QC1022來的信號），目前主要采用的是平均COT溫度控制。TC1022的測量值（PV值）由切換開關(guān)TS1022輸出，TS1022的輸入值有兩路，一路是自動測量COT均值（TS1022A來的信號：TC1100-TC1500平均值與TC1600-TC1800平均值選高值），另一路是手動選擇單路COT測量值（TS1022B來的信號：TC1100-TC1800中任意一路的COT測量值）。

圖2 裂解爐平均COT溫度原有控制方法結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Conventional control structure of the ethylene cracking furnace for average COT

該控制方法根據(jù)平均COT溫度的變化直接調(diào)節(jié)燃料氣壓力控制器的設(shè)定值，進而調(diào)節(jié)燃料氣壓力閥門的開度，改變?nèi)剂蠚膺M入爐膛流量，以保持平均COT溫度的穩(wěn)定。當平均COT溫度高時，關(guān)小壓力閥門開度，平均COT溫度低時，開大壓力閥門開度。但該方案在實際控制時沒有考慮裂解爐烴進料量變化、爐膛溫度變化和燃料氣組分變化等干擾因素對COT溫度的影響，導(dǎo)致COT溫度波動較大。

2.2 先進控制方案

裂解爐爐管平均COT溫度是裂解爐最關(guān)鍵的被控變量，平均COT溫度控制好壞直接決定了乙烯裂解深度，因此必須加以嚴格控制。對烴進料流量（也反映了DS流量）、爐膛溫度等可測的干擾變量采用前饋調(diào)節(jié)，以消除或減弱其對COT的影響。為了實現(xiàn)平均COT溫度的快速、平穩(wěn)控制，采用兩重串級控制結(jié)構(gòu) 即燃料壓力控制（PIC）與平均COT溫度控制（TIC）兩重串級。圖3是裂解爐平均COT溫度先進控制示意圖。其中燃料壓力是常規(guī)PI調(diào)節(jié)，平均COT溫度采用NMSSMPC算法。

圖3 裂解爐管平均COT溫度先進控制方案示意圖Fig.3 Contr ol str uctur e of the ethylene cr acking fur nace of the average COT

當過程出現(xiàn)干擾引起平均COT溫度發(fā)生波動偏離理想設(shè)定值時，外層的先進控制器在線優(yōu)化得到內(nèi)層PID控制器的設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)燃料閥門的開度，改變?nèi)剂先紵髁?，以克服裂解爐平均COT溫度的波動。當裂解爐進料流量和爐膛溫度發(fā)生變化時，會引起平均COT溫度的波動。通過引入前饋控制，提前做出補償。消除主要干擾量對平均COT溫度的影響。

3 平均COT溫度控制方法

平均COT溫度控制方法即非最小狀態(tài)控制模型預(yù)測方法(NMSSMPC)。

3.1 非最小狀態(tài)空間模型(NMSS)

對于單輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)的離散化形式可以表示為：

其 中 ，Gi,i=1,…,ny；Hj,j=1,…,nu是 模 型 的 系數(shù)，ny，nu是模型的階數(shù)。令：

則式(1)可以轉(zhuǎn)化為如下形式：

其中，Δ是后移動算子。取系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：

則NMSS模型可以表示為：

其中，

3.2 反饋校正

為了消除模型不匹配和外界干擾影響，引入實際輸出和模型輸出的偏差作為校正。預(yù)測誤差可以表示為：

e(k+i)=yp(k)-y(k)，i=1,2,…,p (4)其中，yp(k)是在k時刻實際的過程輸出,p是預(yù)測時域。式(4)表示為矩陣形式：

校正后預(yù)測輸出為：

其中，yc(k+i)是在k+i時刻校正的輸出值。式(6)轉(zhuǎn)化為矩陣形式：

3.3 滾動優(yōu)化

為了使輸出達到期望設(shè)定值，引入一階指數(shù)形式設(shè)定值的軌跡，即為參考軌跡，定義如下：

yr(k+i)= αiyp(k)+(1- αi)ys(k) (8)其中，yr(k+i)是參考軌跡的輸出，ys(k)是期望的設(shè)定值，α=exp(-Ts/Tr)是參考軌跡柔化系數(shù)，Ts是采樣時間，Tr是時間常數(shù)。式(8)轉(zhuǎn)化為矩陣形式為：

通過式(3)，狀態(tài)方程矢量形式可以表示為：

其中，

其中，N是控制時域，0是(ny+nu)×1維的全零矩陣。則系統(tǒng)的預(yù)測輸出為：

取如下的價值函數(shù)：

其中，Q和R分別為相應(yīng)維數(shù)的系統(tǒng)誤差和增量輸入的加權(quán)矩陣。

綜合式(5)、(9)、(10)、(12)和 (13)，未來的控制增量輸入ΔU為：

令：

則當前k時刻控制增量輸入為：

Δu(k)=-ksx(k)-k1e(k)+k2yp(k)+k3ys(k)(15)

其中，ks、k1、k2、k3分別為 Ks、K1、K2、K3的第一行。

當前時刻控制器的輸入為：u(k)=u(k-1)+Δu(k) (16)

4 工業(yè)應(yīng)用

大慶石化乙烯裂解爐采用CENTUM CS3000 DCS控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場控制站實現(xiàn)過程控制。現(xiàn)場控制站包括常規(guī)控制模塊、順序控制模塊及計算模塊等。上位機采用中控APC?ISYS軟件，筆者采用NMSSMPC算法來實現(xiàn)先進控制，通過VB腳本的方式在上位機進行編程。下位機采用CENTUM CS3000 DCS，主要實現(xiàn)常規(guī)控制。在先進控制投用前，采用常規(guī)PID控制。當投用先進控制后，筆者提出的先進控制算法不斷計算出常規(guī)PID控制器的設(shè)定值，PID控制器根據(jù)偏差的變化進行調(diào)整，從而實現(xiàn)更好的控制效果。先進控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of hardware

NMSSMPC方法已經(jīng)應(yīng)用到中國石油大慶石化有限責(zé)任公司年產(chǎn)27萬t乙烯裂解爐的平均COT溫度控制中。平均COT溫度的控制目標為859℃。通過在現(xiàn)場進行階躍測試，獲得其模型為：

通過加零階保持器在采樣時間Ts(60 s)進行離散化，則模型(17)可以轉(zhuǎn)化為：

令x(k)=[Δy(k) Δu(k-1) Δu(k-2) Δu(k-3) y(k)]

則非最小狀態(tài)空間模型為：

其中，

NMSSMPC控制參數(shù)通過反復(fù)的離線測試獲得，取為：P=20,N=3,Ts=60 s,Q和R是相應(yīng)維數(shù)的單位矩陣，

在先進控制器投用前，乙烯裂解爐的每個常規(guī)控制回路的參數(shù)需要進行人工調(diào)整。在此，采用C-C整定方法進行調(diào)整[16]。這些調(diào)整的參數(shù)作為每個PID控制參數(shù)的初值，基于這些初值，現(xiàn)場工程師根據(jù)豐富的操作經(jīng)驗再次整定，經(jīng)過多次重復(fù)整定，獲得了燃料氣壓力PID控制器的最終參數(shù)值：Kp=0.33，Ki=0.02，Kd=0。

圖5(a)為M#爐先進控制與DCS常規(guī)控制的平均COT溫度控制效果實時對比曲線圖。從對比圖中可以看出，先進控制投用前后的控制效果明顯不同。投用前溫度波動比較大，波動超過7℃，而先進控制投運后平均COT溫度波動在3℃之內(nèi)，表明平均COT溫度先進控制器可以很好的抑制干擾。圖5(b)為N#爐先進控制與DCS常規(guī)控制的控制效果實時對比曲線。從圖5(b)中可以看出，先進控制投用前后的控制效果明顯不同。投用前溫度波動比較大，波動超過8℃，而先進控制投運后平均COT溫度波動在3℃之內(nèi)，表明平均COT溫度先進控制器可以較強抑制干擾能力。

圖5 M#爐和N#爐平均COT溫度先進控制投用前后控制對比Fig.5 Compar ed result of aver age COT for M and N furnace with advanced control and conventional contr ol

表1展示了不同控制策略下乙烯裂解爐平均COT溫度的平均值、極值、最大值、最小值及標準偏差等。

從表1可以看出，裂解爐M#平均COT溫度測量值與設(shè)定值間的標準偏差由投用前的1.24℃下降到投用后的0.57℃，平均COT溫度標準偏差降低了54.03%；裂解爐N#平均COT溫度測量值與設(shè)定值間的標準偏差由投用前的1.84℃下降到投用后的0.72℃，平均COT溫度標準偏差降低了60.87%，達到了標準偏差控制在1℃以內(nèi)的預(yù)定目標。

表1 M爐和N爐投用前后平均COT溫度統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical result average COT with the advanced contr ol and conventional control for M and N fur nace℃

5 結(jié) 論

介紹了大慶石化乙烯裂解爐平均COT溫度先進控制系統(tǒng)，包括裂解爐工藝流程、常規(guī)控制與先進控制系統(tǒng)的設(shè)計、平均COT溫度先進控制算法的研究以及在裂解爐平均COT溫度中的工程實施等。應(yīng)用結(jié)果表明，通過平均COT溫度先進控制系統(tǒng)，爐管COT、爐膛溫度等變化平穩(wěn)，降低了裂解爐的燃料用量，提高了熱效率。