先进控制在福建炼化焦化装置的应用

先进控制在福建炼化焦化装置的应用1前言随着操纵理论的进展、运算机性能的提高，一些复杂的高级操纵方法（即先进操纵技术）不断涌现，以解决时变性强、强耦合、非线性和大时滞等过程操纵咨询题。

在这些新型的操纵技术中，最为突出的是模型预估操纵技术。

模型预估操纵(MPC)是用多变量线性模型来描述过程的动态特性，用模型推测过程输出轨迹与期望轨迹的距离，作为操纵质量指标，求得最优的操纵策略。

反馈校正、在线滚动优化，以解决大时迟、强耦合的多变量过程操纵咨询题。

在多变量操纵器中，一样被控变量多于操纵变量，用稳态LP/QP技术，将过程推向约束的极限。

利用先进操纵技术满足装置安全平稳操作的要求、提高装置加工能力和高附加值产品收率,是国内外炼化汽油普遍采纳的技术手段,目前国内先进操纵技术要紧应用在常减压、催化裂化和聚丙烯等装置。

由于延迟焦化是既结焦又不结焦、既连续又间歇的生产特点，目前国内尚无成功的焦化装置先进操纵体会。

随着中石化股份公司APC推广应用项目的启动，福建炼化延迟焦化先进操纵系统应运而生。

2004年7月该项目试启动，随后投入试运行。

迄今为止，该项目运行性能良好，完全达到了预期的增强装置的抗干扰能力,提高目的产品收率和减少能耗的操纵成效。

2 焦化装置概述2.1生产工艺简介福建炼化公司60万吨／年延迟焦化装置，采纳一炉双塔生产工艺，切换周期为24小时，除焦周期进行冷焦、除焦、试压、预热和换塔等步骤操作。

装置原料为减压渣油，补充部分催化油浆，要紧产品包括焦化干气、汽油、柴油、蜡油和石油焦。

装置操纵系统为Honeywell公司的TPS，先控平台为APP NODE。

先进操纵软件使用Honeywell公司的RMPCT。

2.2延迟焦化的操作特点由于焦炭塔冷一热态周期性切换,物料和热量缺失较大，该过程使进入分馏塔的物料和热能输入量明显下降，分馏塔底、蒸发段温度随之下降（约10-15℃），进而阻碍到产品的分布和馏出口质量，并使加热炉热负荷，炉出口温度产生扰动。

因此，进行焦炭塔周期性切换操作时，为减少扰动，保证操作平稳和质量合格，应对操作过程进行调整。

为了保证平稳操作，产品质量合格,在操作上必须做好每一步骤的工作，尽量减少这种周期性的波动。

如新塔的预热和切换要缓慢，加热炉温度要烧高，调剂分馏塔底和蒸发段的温度,适当降低产品出装置流量等。

在以PID操纵为主的回路操尽情形下，往往操作在偏离最优的保守状态，需要人工辅助操作，或切为手动，凭体会调剂，调剂效能差，时刻长，不能充分发挥装置的潜力,迫切需要实施先进操纵。

3焦化装置先进操纵器操纵策略多变量预估操纵器是一个具有多变量、多目标的操纵器，在正常生产过程中，该操纵器可使多个受控变量分不操作在其各自承诺的范畴内，始终处于受控状态。

在建立焦化装置多变量预估操纵器的过程中，依照装置的特点，考虑到分馏上部对新奇进料、分馏塔底部、加热炉、焦碳塔四大部分的阻碍较弱，因而在操纵策略上把流程分为反应、分馏两部分，分不用两个操纵器实现先进操纵。

反应部分包括原料预热，加热炉，焦炭塔，分馏塔重蜡油集油箱以下部分。

分馏部分包括分馏塔重蜡油集油箱以上部分。

将响应时刻常数较小的反应部分用一个操纵器操纵，而将响应时刻常数较大的分馏部分用另一个操纵器操纵，可加快加热炉操纵器的响应速度，还减小了操纵矩阵的维数，可得到较好的操纵品质。

以达到平稳操作，着重于抵御焦炭塔切换带来的干扰；保证产品质量，降低质量波动；依照装置的原料供应情形，在不违抗加热炉最高管壁金属温度和焦炭塔最终焦高约束的前提下，在提高装置处理量，提高馏份油收率与提高轻油收率间进行优化；降低焦炭收率和降低装置能耗等要紧目标。

4 操纵器要紧模型的选取思路：4.1循环比改变对流进分馏塔上、下进料量的比例可改变联合循环比，联合循环比增加会明显降低装置的处理能力，增加轻油、焦炭和气体收率，但总液收减少，因此，联合循环比是权衡装置处理能力和产品分布的关键变量。

焦炭塔塔切换会使联合循环比大幅度波动，造成人字塔板上方油汽温度的变化，给分馏塔上部的操作带来扰动，也会造成下进料的流量和温度的波动，导致加热炉进口温度的波动，阻碍加热炉的操作及处理能力。

因此，在那个部位，APC操纵器的首要目标是在各种约束均能满足的前提下，将联合循环比操纵在合理的范畴内，并加强APC操纵器的抗干扰能力，专门是补偿塔切换扰动的能力。

4.2炉出口温度炉出口温度是加热炉最要紧的操纵指标，对装置的焦炭产率和轻油收率有较大的阻碍。

一样而言，提高炉出口温度5℃，焦炭产量可下降6%（相对值），但炉管结焦的倾向增加，焦炭切割的困难度增加。

加工高焦炭收率原料时，炉管结焦的倾向低，加热炉的负荷也低，提高加热炉出口温度后焦炭产量下降的幅度大，因此，保证加热炉出口温度的稳固是相当重要的。

而且采纳调整炉出口温度的上限的操作策略，依照原料性质及炉管的结焦倾向适度提高炉出口温度的上限以降低焦炭收率。

因此加热炉APC操纵器的最要紧任务是平稳炉出口温度，使其更接近上下限，有利于降低焦炭产量或提高处理量，并兼顾烟气氧含量。

4.3 焦炭塔周期性操作克服周期性操作的干扰是对APC操纵器的重要要求，焦炭塔的操作的干扰事件的幅度大、连续时刻长，事件的模型的精度也十分有限，因此在设计操纵器时必须抓住克服干扰的要点，着重克服热量变化造成的干扰，适当兼顾物料平稳变化造成的干扰。

焦炭塔的操作是一个周期性的过程。

在暖塔、小吹汽和大吹汽时期，进入分馏塔过热段的热量和物料会发生较大变化，给系统的操作带来不同程度的扰动。

由于暖塔、改平稳的油气量和小吹汽的蒸汽量均没有测量，大吹汽时油气产物流量的下降也难以度量，因此，在APC操纵器中，我们将这几个周期性的扰动定义为事件扰动，由新塔中某三个测温点温度变化的斜率触发。

焦炭塔切换的三个事件的扰动幅度、变化特性及连续时刻都不相同，因此针对不同事件的特点必须制定合理出相应的操纵策略。

4.3.1预热4.3.2切换塔4.3.3大吹汽小吹汽终止后，关闭老塔油气线隔断阀，加大老塔的吹汽量，吹扫后的蒸汽去接触冷切塔。

在大吹汽期间由于新塔内液相料位低，裂解反应进行不充分，生成的油气产物少，故进入分馏塔的热量和物料较小吹汽末期进一步减少，因此大吹汽期间显现了最大干扰。

随着焦炭塔内液体料位不断增高，裂解反应逐步趋于充分，这一时期要通过约2小时达到平稳。

假如假设液体在焦炭塔内的转化与液位成正比，则在这一期间内，进料量和热量变化对分馏塔干扰的幅度可近似为与大吹汽连续时刻成正比，因此，大吹汽时期模式识不要紧是依照老塔压力下降幅度确定初期的扰动幅度并建立和测试触发事件的判据。

4.4焦高原料油经辐射段加热后，经四通阀进入焦碳塔底部。

高温焦化油在焦炭塔内进一步进行裂解、缩合等反应，生成焦炭和油气。

随着焦炭塔累计进料量的增加，焦炭塔中料位及其上方的泡沫层不断增高，可能会显现冲塔事故。

为幸免该现象的发生，焦炭塔设有中子料位仪，提供焦位达到三个不同高度时的时刻。

若中子料位仪显现焦位指示的时刻过早，就可能会显现冲塔事故，需及时从塔顶注入消泡剂降低泡沫层高度或减少进料量。

然而，中子料位仪并不能随时反映焦炭累积的速率，在焦炭塔切换的初、中期难以恰当地给定装置进料量，而需留有余地，往往最终焦高小于焦炭塔的实际容焦能力。

APC操纵器可实时地推测最终焦高，并用中子料位仪校正，以提高推测值的可靠性，为充分发挥焦炭塔的潜能提供了前提。

4.5 产品质量装置以柴油干点和蜡油10％点度量柴油与蜡油的分离成效、操纵产品质量。

改善这两种产品的切割，增产高价值的柴油是分馏塔的要紧操作目标之一，但还需兼顾蒸汽的发生及原料的预热，所涉及的调剂手段有柴油回流、中段回流、蜡油循环的三个取热量以及柴油、蜡油产品抽出量等，具有明显的多变量的特点，APC操纵器可更好地和谐各调剂变量的动作，实现质量卡边操作。

焦化装置还需能抵御焦炭塔切换所带来的对柴油、蜡油质量的重大扰动，因而，增强APC操纵器克服扰动的能力对改善产品的质量操纵也专门重要。

5要紧变量的选取多变量推测操纵器的输入/输出由三种变量组成：被控变量（CV）、操纵变量（MV）和干扰变量（DV）。

以分馏操纵器为例，我们在分馏系统操纵器选择了13个操作变量作为操纵目标，8个受控变量作为受控指标，5个干扰变量作为运算和预估，分馏塔操纵器的有关变量见表1至表3。

表1-分馏塔操纵器部分CV列表表2- 分馏塔操纵器MV列表表3- 分馏塔操纵器部分DV列表6先控运行成效反应系统操纵器和分馏塔操纵器分不于2004年6月29日和7月15日投入使用。

通过一段时刻的运行，操作人员差不多把握了先进操纵器的操作方法，通过给各个CV、MV设定合理的上下限，先进操纵器就能够将CV操纵在给定的范畴内，MV也约束在范畴内。

先进操纵器投用后，不需要人工调剂，就能够抵御焦炭塔切换带来的扰动，保证装置的平稳操作，因而深受操作人员的欢迎。

通过对延迟焦化装置操纵器投用期间和未投用期间的数据进行对比分析，我们能够对先进操纵器的投用成效得到一个初步的结果。

6.1反应系统操纵器操纵器投用后, 加热炉各要紧温度点的波动范畴都有明显减少，见图1、2。

对加热炉数据进行整理后结果见表4，炉出口温度和炉氧含量的比投用前明显稳固，如此可使炉热效率提高，降低装置能耗。

表4反应系统投用先控前后数据对比6.2分馏系统操纵器关于焦化装置来讲，最大的扰动来自于焦炭塔的切换，先进操纵器的首要任务确实是充分利用其模型推测和多变量和谐的特点，抵御焦炭塔切换带来的扰动，保证装置的平稳操作。

先进操纵器投用后，各重要CV的波动明显减小，即使在焦炭塔切换时也专门少发生超限的情形。

先进操纵器投运后，分馏塔的操作不需人工干预，几个分馏塔的要紧操纵参数明显较投运前平稳，见图3、4。

整理后数据如下表5。

表5分馏系统投用先控前后数据对比6.3 提高产品质量焦化汽油、柴油和蜡油都不是最终产品，还要进一步进行加工，因此对产品的质量操纵没有其它装置严格。

APC操纵器中提供了汽油90％点、柴油90％点和蜡油的10％点的工艺运算，并用实验室分析数据校正，用作汽油与柴油及柴油与蜡油切割的工艺指标，实时地调整操作参数，以实现卡边操作，增加高价值产品的收率。

并通过操纵油品的抽出温度来保证油品质量达标。

从表6投用先控前后汽柴油质量对比对比表和图5、6中能够看到，操纵器投用以后，产品质量更接近指标上限，汽油和柴油干点的波动明显降低，汽油干点和柴油干点的平均值分不提高了2.54℃和1.17℃，增加了柴油的收率。

表6投用先控前后汽柴油质量对比6.4提高装置处理量在满足加热炉能力约束的前提下，通过推测焦炭塔的最终生焦高度可及时调整装置的进料量，提高焦炭塔的最终料位，从而提高装置的处理量。

那个地点仅对提高装置处理量的优化操作进行了功能测试。