摘要：介紹了多變量預(yù)估控制技術(shù)在氣體分餾裝置丙烯分餾塔先進(jìn)控制中的應(yīng)用，對預(yù)測控制技術(shù)的選擇、先進(jìn)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、主要變量選擇、約束條件、控制器原理進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，評估了多變量預(yù)估控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用效果和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:丙烯分餾；多變量預(yù)估控制；變量選擇；先進(jìn)控制技術(shù)

 引言

目前石油化學(xué)工業(yè)正飛速發(fā)展，煉廠氣的利用價(jià)值越來越受到人們的重視。其中，丙烯、丙烷餾分是生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品的重要原料。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，聚丙烯工業(yè)得到的長足的發(fā)展，因此，市場對丙烯原料的需求量日益增長。在煉廠中，丙烯產(chǎn)品主要來源于氣體分餾裝置對催化裂化液化氣的分離，但隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對控制系統(tǒng)的要求也在不斷提高，對于大時(shí)間滯后、多變量耦合的復(fù)雜控制對象以及質(zhì)量平穩(wěn)卡邊等的控制要求，常規(guī)PID控制技術(shù)很難滿足，而先進(jìn)控制技術(shù)的不斷涌現(xiàn)解決了工業(yè)過程中上述控制問題。因此對煉油廠而言，在氣體分餾裝置上進(jìn)一步優(yōu)化操作，保證平穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，對提高煉廠的經(jīng)濟(jì)效益增加煉廠的競爭力有非常重要的意義。

根據(jù)丙烯分餾塔的工藝特點(diǎn)，中國石油獨(dú)山子石化公司煉油廠氣體分餾裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)采用多變量預(yù)估控制技術(shù)對丙烯分餾塔Ⅰ的塔底溫度，塔底丙烷濃度，丙烯分餾塔Ⅱ的塔頂溫度及回流罐液位，塔頂精丙烯預(yù)側(cè)線粗丙烯的濃度和回流比，丙烯分餾塔Ⅱ回流罐液位速率，丙烯分餾塔Ⅱ回流比，丙烷濃度，精丙烯濃度，側(cè)線粗丙烯濃度等進(jìn)行了先進(jìn)控制，目的是提高裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量及其它不可測變量的實(shí)時(shí)在線計(jì)算，達(dá)到指導(dǎo)操作和閉環(huán)控制的要求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量卡邊控制，提高高價(jià)值產(chǎn)品收率。

1 .預(yù)測控制技術(shù)的選擇

控制技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法。這種控制算法和以狀態(tài)空間法為代表的現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)方法有著明顯的不同，它不需要被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力實(shí)行在線的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，從而取得好的綜合控制效果^[1]。

采用非參數(shù)模型的預(yù)測控制算法典型的有模型算法控制（MAC）和動(dòng)態(tài)矩陣控制（DMC）等，其基本特征有：建立預(yù)測模型方便，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略，采用模型誤差反饋校正；另一類預(yù)測控制算法是基于離散參數(shù)預(yù)測模型的，其中代表性的是廣義預(yù)測控制（GPC）和廣義預(yù)測極點(diǎn)配置控制（GPP），這類算法仍然保留了基于非參數(shù)模型的MAC和DMC等預(yù)測控制算法的預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的三個(gè)基本特征，只是這里采用的預(yù)測模型是具有一定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的離散受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型（CARIMA）或受控自回歸滑動(dòng)平均模型（CARMA）^[2]。

目前業(yè)界普遍采用的是以階躍測試數(shù)據(jù)辨識的輸入輸出模型為基礎(chǔ)的控制算法（MAC、DMC、GPC等），此種技術(shù)的特點(diǎn)是需要對生產(chǎn)裝置進(jìn)行擾動(dòng)測試，在根據(jù)測試數(shù)據(jù)辨識出描述過程輸入輸出信息的黑箱模型，建立黑箱模型不需要對具體生產(chǎn)過程的物理化學(xué)機(jī)理有較深入的了解，因此對先進(jìn)控制工程實(shí)施人員的要求相對較低，便于工程化和技術(shù)推廣。但是黑箱模型比較簡單，只描述過程的輸入輸出信息，一般只適用于穩(wěn)定對象，并且基于數(shù)據(jù)辨識的數(shù)學(xué)模型適應(yīng)生產(chǎn)變化的能力相對較弱，由于經(jīng)常的裝置改造或生產(chǎn)方案的變化而使投用率下降。石油大學(xué)袁璞教授多年致力于模型預(yù)估控制算法的研究和實(shí)際工程應(yīng)用，通過對模型描述和預(yù)估控制算法的輸入研究，揭示了模型預(yù)估控制算法的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性，以及多值預(yù)估控制算法和單值預(yù)估控制算法^[3]在模型準(zhǔn)確時(shí)的統(tǒng)一性，從而提出了適用于各種數(shù)學(xué)模型描述的通用預(yù)估控制算法（UPC –Unified Predictive Control）^[4]，并以此開發(fā)了適用于工程實(shí)際應(yīng)用的變結(jié)構(gòu)多變量通用模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制器（VSUPCC，Varied Structure Unified Predictive Coordinated Controller）^[5]。為了更好的適應(yīng)生產(chǎn)變化、克服測試模型技術(shù)存在的不足，VSUPCC采用以機(jī)理分析為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間模型，通過機(jī)理分析所得的動(dòng)態(tài)模型更能反映生產(chǎn)過程的物理化學(xué)原理，容易外推、適應(yīng)生產(chǎn)變化的能力強(qiáng)、控制器的魯棒性強(qiáng)，由于不需要階躍測試，建立模型期間對生產(chǎn)沒有干擾。采用狀態(tài)空間模型的好處是除了能描述生產(chǎn)過程的輸入輸出信息外，還能描述過程的中間狀態(tài)變量，從而可以盡可能的利用可測狀態(tài)變量實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性和抗（可測、不可測）干擾能力。VSUPCC控制技術(shù)結(jié)合基于機(jī)理動(dòng)態(tài)模型的重要不可測變量的在線實(shí)時(shí)觀測技術(shù)（軟儀表），經(jīng)過不斷研究、開發(fā)和實(shí)踐，已經(jīng)形成了一整套過程先進(jìn)控制解決方案（PACROS，Process Advanced Control and Real-Time Optimization Solution）。本文采用以通用預(yù)估算法（UPC）建立起來的變結(jié)構(gòu)多變量通用模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制器（VSUPCC）對氣體分餾裝置丙烯分餾塔進(jìn)行先進(jìn)控制。

2 .工藝流程簡介

催化裂化裝置及焦化來的含硫量較高的液態(tài)烴經(jīng)液態(tài)烴原料泵送入胺脫硫塔、胺液沉降塔下部自下而上脫除液態(tài)烴中的大部分硫化氫，脫除大部分硫化氫的液態(tài)烴經(jīng)過一、二級堿洗罐，水洗罐，沉降脫水罐等過程后得到精制液態(tài)烴，精制液態(tài)烴送到脫丙烷塔進(jìn)料罐中經(jīng)脫丙烷塔進(jìn)料換熱器與塔底碳四換熱后，再經(jīng)進(jìn)料加熱器與熱水換熱后進(jìn)入脫丙烷塔，塔底碳四餾份靠自壓經(jīng)過換熱后，通過冷卻器冷卻到40℃左右送去球罐。脫丙烷塔頂碳三餾份經(jīng)塔頂空冷器和后冷卻器冷凝冷卻到40℃進(jìn)入脫丙烷塔頂回流罐，一部分用抽出作脫丙烷塔回流，另一部分向脫乙烷塔進(jìn)料。脫乙烷塔塔頂產(chǎn)物經(jīng)冷凝冷卻器冷凝冷卻至30～35℃，進(jìn)入脫乙烷塔回流罐，塔底餾份靠壓差自壓進(jìn)入丙烯分餾塔Ⅰ，塔底丙烷餾份送到銷售車間丙烷罐。丙烯分餾塔Ⅰ頂餾份進(jìn)入丙烯分餾塔Ⅱ底部，丙烯分餾塔Ⅱ塔底餾出液經(jīng)丙烯分餾塔Ⅰ頂回流泵抽出作為丙烯分餾塔Ⅰ頂回流，塔頂餾份進(jìn)入塔頂回流罐，一部分經(jīng)塔頂回流泵抽出作為塔頂回流，回流比為8～18，另一部分去乙烯廠聚丙烯裝置。從丙烯分餾塔Ⅱ側(cè)線抽出一部分純度約98%的丙烯，經(jīng)過丙烯冷卻器冷卻后，送到聚丙烯廠。氣分裝置整體流程圖如圖1所示：

圖1 氣分裝置整體流程圖

3 .氣分裝置丙烯分餾塔先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對獨(dú)山子石化公司老煉油廠20萬噸/年氣體分餾裝置的DCS及現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際情況，先進(jìn)控制系統(tǒng)與DCS的連接通過OPC接口實(shí)現(xiàn)的。先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化的運(yùn)行平臺運(yùn)行在高性能的服務(wù)器上，這種連接方式可以保證先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)有一個(gè)高性能的通用平臺，同時(shí)又確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

本裝置DCS系統(tǒng)是FOXBORO的I/A Series，上位機(jī)可以通過FOXBORO提供的專用OPC接口與DCS進(jìn)行通訊。先進(jìn)控制系統(tǒng)采用的是北京清大華億科技有限公司的基于以上多種技術(shù)形成的整套先進(jìn)過程控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件包PACROS（Process Advanced Control and Real-time Optimization Solution）包括運(yùn)行平臺（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、過程變量的處理與故障檢測、系統(tǒng)的運(yùn)行管理等）、軟儀表，變結(jié)構(gòu)通用模型預(yù)估協(xié)調(diào)控制器、反應(yīng)深度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、模型仿真與驗(yàn)證、控制系統(tǒng)的離線設(shè)計(jì)與組態(tài)、工程師（監(jiān)控和調(diào)整）界面和操作員界面等。先進(jìn)控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

  圖2 先進(jìn)控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖4 .氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預(yù)估控制器設(shè)計(jì)方案

(1)氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預(yù)估控制器模型

 控制器采用多重時(shí)間滯后的狀態(tài)空間模型，以分餾塔Ⅰ塔底溫度控制為例，分餾塔Ⅰ是丙烯的初分餾，目的是把丙烷分離出去，根據(jù)沸點(diǎn)的不同，上層的丙烯進(jìn)入塔Ⅱ進(jìn)行精分餾，下層為丙烷去混合烴球罐，因此維持分餾塔Ⅰ塔底溫度的恒定對丙烯的純度和收率至關(guān)重要，先進(jìn)控制器將低溫給定值與低溫測量值的誤差參數(shù)，預(yù)測模型輸出值與低溫測量值的誤差參數(shù)，低溫給定值與過程對象的狀態(tài)反饋值的誤差參數(shù)，以狀態(tài)矩陣的形式送入先進(jìn)控制器，這樣控制器就能參考多種誤差的變量參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化處理，計(jì)算出合理的輸出值給再沸調(diào)節(jié)器，然后作用于過程對象。其控制原理如圖3所示。

  圖3 先進(jìn)控制原理圖

（2）氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預(yù)估控制器變量

丙烯分餾塔主要被控變量（CV）：丙烯分餾塔Ⅰ底溫度CTC4216、丙烷純度CAC4002、丙烯分餾塔Ⅱ頂溫度CTC4218、丙烯分餾塔Ⅱ頂壓力CPC4204、丙烯分餾塔Ⅱ回流/采出比CRC4003、丙烯分餾塔Ⅱ頂丙烯純度CAC4003、丙烯分餾塔Ⅱ側(cè)線丙烯純度CAC4004、丙烯分餾塔Ⅱ塔頂回流罐1的液位CLC4205、丙烯分餾塔Ⅱ塔頂回流罐1液位速率CVC4205。

主要操作變量（MV）：丙烯分餾塔Ⅰ再沸溫度閥位（MV1）TRC203.OUT、丙烯分餾塔Ⅱ頂回流量（MV2）FRC205.SP、丙烯分餾塔Ⅱ冷后溫度閥位(MV3)TIC222.OUT、粗丙烯抽出量（MV4）FRC209.SP。

主要干擾變量(DV)：丙烯分餾塔Ⅰ壓降PDI203.PV、丙烯分餾塔Ⅱ壓力PRC204.PV、丙烯分餾塔Ⅰ進(jìn)料量FRC203.PV、丙烯分餾塔Ⅰ進(jìn)料溫度TI249.PV。

主要約束變量(RV)：丙烯分餾塔Ⅰ再沸溫度閥位TRC203.OUT與MV1相關(guān)、丙烯分餾塔Ⅱ頂回流量閥位FRC205.OUT與MV2相關(guān)、丙烯分餾塔Ⅱ冷后溫度TIC222.OUT與MV3相關(guān)、粗丙烯抽出量閥位FRC209.OUT與MV4相關(guān)、丙烯分餾塔Ⅰ塔頂溫度TI214.PNT與MV4相關(guān)。

先進(jìn)控制系統(tǒng)通過對變量間相互影響的強(qiáng)弱進(jìn)行分析和篩選，建立模型預(yù)估控制器，實(shí)現(xiàn)丙烯分餾塔的穩(wěn)定控制。

 5. 應(yīng)用效果分析

 從圖4趨勢記錄可以看出，丙烯分餾塔Ⅰ系統(tǒng)控制主要目標(biāo)是平穩(wěn)控制塔底溫度，投用先進(jìn)控制時(shí)塔頂溫度、塔底溫度、再沸溫度更加平穩(wěn)，再沸溫度閥能夠?qū)崿F(xiàn)小幅連續(xù)動(dòng)作，避免了常規(guī)控制時(shí)再沸溫度閥位的間歇式大幅度變化；丙烯分餾塔Ⅱ的控制目標(biāo)是平穩(wěn)控制塔頂壓力及塔頂溫度，投用先進(jìn)控制時(shí)丙烯分餾塔Ⅱ塔頂壓力、塔頂溫度比常規(guī)控制平穩(wěn)性有所提高，塔頂冷后溫度的調(diào)節(jié)比較平緩，幅度小，調(diào)節(jié)動(dòng)作連續(xù)。

  圖4 丙烯分餾塔Ⅰ、Ⅱ控制器投用效果對比圖

為了考察先進(jìn)控制器的魯棒性，進(jìn)行了提降量試驗(yàn)，通過改變氣體分餾裝置的處理量，觀察控制器的控制效果并記錄主要控制變量的響應(yīng)情況，以此評價(jià)控制的抗干擾能力。

在此實(shí)驗(yàn)中，將脫丙烷塔的進(jìn)料量從正常工況下的10.8t/h開始，每隔四個(gè)小時(shí)提量1t/h，提高到12.8t/h，考察進(jìn)料量比正常工況高時(shí)，控制器的性能；之后再將進(jìn)料降到正常工況以下的9..6t/h與8.6t/h，每次降量后同樣穩(wěn)定四個(gè)小時(shí)后再進(jìn)行下一次降量；在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程中，提量與降量分別實(shí)施兩次。

圖5 丙烯分餾塔Ⅰ、Ⅱ提量、降量過程對比圖

由圖5可以看出：在脫丙烷塔進(jìn)料量變化的情況下，控制器能夠根據(jù)控制指標(biāo)的要求，有效地調(diào)節(jié)相應(yīng)操作變量的值，保證較好的控制品質(zhì)，這表明氣體分餾先進(jìn)控制系統(tǒng)中的控制器能夠很好地抑制進(jìn)料量的干擾，有較好的魯棒性，同時(shí)，丙烯塔Ⅱ的粗丙烯的抽出量能夠根據(jù)裝置的處理量的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

自多變量預(yù)估控制技術(shù)在氣體分餾裝置丙烯分餾塔投用以來，丙烯分餾塔先進(jìn)控制系統(tǒng)克服了裝置的工藝約束，對各個(gè)過程的控制變量綜合協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了各塔產(chǎn)品質(zhì)量閉環(huán)控制，解決了原有常規(guī)PID控制回路不能有效處理分餾塔之間和分餾塔內(nèi)部各個(gè)變量間的耦合問題，具有更好的抗干擾性，減輕了操作員工作強(qiáng)度，生產(chǎn)力、平穩(wěn)控制、產(chǎn)品質(zhì)量卡邊和經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

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