本人大四學(xué)生想求原油蒸餾常減壓系統(tǒng)的控制設(shè)計

【專家解說】：原油蒸餾控制軟件簡介2008-05-26 14:54轉(zhuǎn) 永立 撫順石油化工研究院 DCS在我國煉油廠應(yīng)用已有15年歷史，有20多家煉油企業(yè)安裝使用了不同型 號的DCS，對常減壓裝置、催化裂化裝置、催化重整裝置、加氫精制、油品調(diào)合等實施 過程控制和生產(chǎn)管理。其中有十幾套DCS用于原油蒸餾，多數(shù)是用于常減壓裝置的單回 路控制和前饋、串級、選擇、比值等復(fù)雜回路控制。有幾家煉油廠開發(fā)并實施了先進(jìn)控制 策略。下面介紹DCS用原油蒸餾生產(chǎn)過程的主要控制回路和先進(jìn)控制軟件的開發(fā)和應(yīng)用 情況。 一、工藝概述 對原油蒸餾，國內(nèi)大型煉油廠一般采用年處理原油250～270萬噸的常減壓裝置 ，它由電脫鹽、初餾塔、常壓塔、減壓塔、常壓加熱爐、減壓加熱爐、產(chǎn)品精餾和自產(chǎn)蒸 汽系統(tǒng)組成。該裝置不僅要生產(chǎn)出質(zhì)量合格的汽油、航空煤油、燈用煤油、柴油，還要生 產(chǎn)出催化裂化原料、氧化瀝青原料和渣油；對于燃料一潤滑油型煉油廠，還需要生產(chǎn)潤滑 油基礎(chǔ)油。各煉油廠均使用不同類型原油，當(dāng)改變原油品種時還要改變生產(chǎn)方案。 燃料一潤滑油型常減壓裝置的工藝流程是：原油從罐區(qū)送到常減壓裝置時溫度一般為 30℃左右，經(jīng)原油泵分路送到熱交換器換熱，換熱后原油溫度達(dá)到110℃，進(jìn)入電脫 鹽罐進(jìn)行一次脫鹽、二次脫鹽、脫鹽后再換熱升溫至220℃左右，進(jìn)入初餾塔進(jìn)行蒸餾 。初餾塔底原油經(jīng)泵分兩路送熱交換器換熱至290℃左右，分路送入常壓加熱爐并加熱 到370℃左右，進(jìn)入常壓塔。常壓塔塔頂餾出汽油，常一側(cè)線（簡稱常一線）出煤油， 常二側(cè)線（簡稱常二線）出柴油，常三側(cè)線出潤料或催料，常四側(cè)線出催料。常壓塔底重 油用泵送至常壓加熱爐，加熱到390℃，送減壓塔進(jìn)行減壓蒸餾。減一線與減二線出潤 料或催料，減三線與減四線出潤料。 二、常減壓裝置主要控制回路 原油蒸餾是連續(xù)生產(chǎn)過程，一個年處理原油250萬噸的常減壓裝置，一般有130 ～150個控制回路。應(yīng)用軟件一部分是通過連續(xù)控制功能塊來實現(xiàn)，另一部分則用高級 語言編程來實現(xiàn)。下面介紹幾種典型的控制回路。 1．減壓爐0．7MPa蒸汽的分程控制 減壓爐0．7MPa蒸汽的壓力是通過補(bǔ)充1．1MPa蒸汽或向0．4MPa乏氣 管網(wǎng)排氣來調(diào)節(jié)。用DCS控制0．7MPa蒸汽壓力，是通過計算器功能進(jìn)行計算和判 斷，實現(xiàn)蒸汽壓力的分程控制。0．7MPa蒸汽壓力檢測信號送入功能塊調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié) 器輸出4～12mA段去調(diào)節(jié)1．1MPa蒸汽入管網(wǎng)調(diào)節(jié)閥，輸出12～20mA段去 調(diào)節(jié)0．4MPa乏氣管網(wǎng)調(diào)節(jié)閥。這實際是仿照常規(guī)儀表的硬分程方案實現(xiàn)分程調(diào)節(jié)， 以保持0．7MPa蒸汽壓力穩(wěn)定。 2．常壓塔、減壓塔中段回流熱負(fù)荷控制 中段回流的主要作用是移去塔內(nèi)部分熱負(fù)荷。中段回流熱負(fù)荷為中段回流經(jīng)熱交換器 冷卻前后的溫差、中段回流量和比熱三者的乘積。由中段回流熱負(fù)荷的大小來決定回流的 流量。中段回流量為副回中路，用中段熱負(fù)荷來串中段回流流量組成串級調(diào)節(jié)回路。由D CS計算器功能塊來求算冷卻前后的溫差，并求出熱負(fù)荷。主回路熱負(fù)荷給定值由工人給 定或上位機(jī)給定。 3．提高加熱爐熱效率的控制 為了提高加熱爐熱效率，節(jié)約能源，采取了預(yù)熱入爐空氣、降低煙道氣溫度、控制過 ?？諝庀禂?shù)等方法。一般加熱爐控制是利用煙氣作為加熱載體來預(yù)熱入爐空氣，通過控制 爐膛壓力正常，保證熱效率，保證加熱爐安全運(yùn)行。 （1）爐膛壓力控制 在常壓爐、減壓爐輻射轉(zhuǎn)對流室部位設(shè)置微差壓變送器，測出爐膛的負(fù)壓，利用長行 程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過連桿來調(diào)整煙道氣檔板開度，以此來維持爐膛內(nèi)壓力正常。 （2）煙道氣氧含量控制 一般采用氧化鋯分析器測量煙道氣中的氧含量，通過氧含量來控制鼓風(fēng)機(jī)入口檔板開 度，控制入爐空氣量，達(dá)到最佳過剩空氣系數(shù)，提高加熱爐熱效率。 4．加熱爐出口溫度控制 加熱爐出口溫度控制有兩種技術(shù)方案，它們通過加熱爐流程畫面上的開關(guān)（或軟開關(guān) ）切換。一種方案是總出口溫度串燃料油和燃料氣流量，另一種方案是加熱爐吸熱一供熱 值平衡控制。熱值平衡控制需要使用許多計算器功能塊來計算熱值，并且同時使用熱值控 制PID功能塊。其給定值是加熱爐的進(jìn)料流量、比熱、進(jìn)料出口溫度和進(jìn)口溫度之差值 的乘積，即吸熱值。其測量值是燃料油、燃料氣的發(fā)熱值，即供熱值。熱值平衡控制可以 降低能耗，平穩(wěn)操作，更有效地控制加熱爐出口溫度。該系統(tǒng)的開發(fā)和實施充分利用了D CS內(nèi)部儀表的功能。 5．常壓塔解耦控制 常壓塔有四個側(cè)線，任何一個側(cè)線抽出量的變化都會使抽出塔板以下的內(nèi)回流改變， 從而影響該側(cè)線以下各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量。一般可以用常一線初餾點、常二線干點（90％干 點）、常三線粘度作為操作中的質(zhì)量指標(biāo)。為了提高輕質(zhì)油的收率，保證各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量 ，克服各側(cè)線的相互影響，采用了常壓塔側(cè)線解耦控制。以常二線為例，常二線抽出量可 以由二線抽出流量來控制，也可以用解耦的方法來控制，用流程畫面發(fā)換開關(guān)來切換。解 耦方法用常二線干點控制功能塊的輸出與原油進(jìn)料量的延時相乘來作為常二線抽出流量功 能塊的給定值。其測量值為本側(cè)線流量與常一線流量延時值、常塔餾出油量延時值之和。 組態(tài)時使用了延時功能塊，延時的時間常數(shù)通過試驗來確定。這種自上而下的干點解耦控 制方法，在改變本側(cè)線流量的同時也調(diào)整了下一側(cè)線的流量，從而穩(wěn)定了各側(cè)線的產(chǎn)品質(zhì) 量。解耦控制同時加入了原油流量的前饋，對平穩(wěn)操作，克服擾動，保證質(zhì)量起到重要作 用。 三、原油蒸餾先進(jìn)控制 1．DCS的控制結(jié)構(gòu)層 先進(jìn)控制至今沒有明確定義，可以這樣解釋，所謂先進(jìn)控制廣義地講是傳統(tǒng)常規(guī)儀表 無法構(gòu)造的控制，狹義地講是和計算機(jī)強(qiáng)有力的計算功能、邏輯判斷功能相關(guān)，而在DC S上無法簡單組態(tài)而得到的控制。先進(jìn)控制是軟件應(yīng)用和硬件平臺的聯(lián)合體，硬件平臺不 僅包括DCS，還包括了一次信息采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 DCS的控制結(jié)構(gòu)層，大致按三個層次分布： ·基本模塊：是基本的單回路控制算法，主要是PID，用于使被控變量維持在設(shè)定 點。 ·可編程模塊：可編程模塊通過一定的計算（如補(bǔ)償計算等），可以實現(xiàn)一些較為復(fù) 雜的算法，包括前饋、選擇、比值、串級等。這些算法是通過DCS中的運(yùn)算模塊的組態(tài) 獲得的。 ·計算機(jī)優(yōu)化層：這是先進(jìn)控制和高級控制層，這一層次實際上有時包括好幾個層次 ，比如多變量控制器和其上的靜態(tài)優(yōu)化器。 DCS的控制結(jié)構(gòu)層基本是采用遞階形式，一般是上層提供下層的設(shè)定點，但也有例 外。特殊情況下，優(yōu)化層直接控制調(diào)節(jié)閥的閥位。DCS的這種控制結(jié)構(gòu)層可以這樣理解 ：基本控制層相當(dāng)于單回路調(diào)節(jié)儀表，可編程模塊在一定程度上近似于復(fù)雜控制的儀表運(yùn) 算互聯(lián)，優(yōu)化層則和DCS的計算機(jī)功能相對應(yīng)。原油蒸餾先進(jìn)控制策略的開發(fā)和實施， 在DCS的控制結(jié)構(gòu)層結(jié)合了對象數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)的開發(fā)研究。 2．原油蒸餾的先進(jìn)控制策略 國內(nèi)原油蒸餾的先進(jìn)控制策略，有自行開發(fā)應(yīng)用軟件和引進(jìn)應(yīng)用軟件兩種，并且都在 裝置上閉環(huán)運(yùn)行或離線指導(dǎo)操作。 我國在常減壓裝置上研究開發(fā)先進(jìn)控制已有10年，各家技術(shù)方案有著不同的特點。 某廠最早開發(fā)的原油蒸餾先進(jìn)控制，整個系統(tǒng)分四個部分：側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量的計算，塔內(nèi)汽 液負(fù)荷的精確計算，多側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量與收率的智能協(xié)調(diào)控制，回流取熱的優(yōu)化控制。該應(yīng) 用軟件的開發(fā)，充分發(fā)揮了DCS的強(qiáng)大功能，并以此為依托開發(fā)實施了高質(zhì)量的數(shù)學(xué)模 型和優(yōu)化控制軟件。系統(tǒng)的長期成功運(yùn)行對國內(nèi)DCS應(yīng)用開發(fā)是一種鼓舞。各企業(yè)開發(fā) 和使用的先進(jìn)控制系統(tǒng)有：組份推斷、多變量控制、中段回流及換熱流程優(yōu)化、加熱爐的 燃料控制和支路平衡控制、餾份切割控制、汽提蒸汽量優(yōu)化、自校正控制等，下面介紹幾 個先進(jìn)控制實例。 （1）常壓塔多變量控制 某廠常壓塔原采用解耦控制，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多變量控制。常壓塔有兩路進(jìn)料，產(chǎn) 品有塔頂汽油和四個側(cè)線產(chǎn)品，其中常一線、常二線產(chǎn)品質(zhì)量最為重要。主要質(zhì)量指標(biāo)是 用常一線初餾點、常一線干點和常二線90％點溫度來衡量，并由在線質(zhì)量儀表連續(xù)分析 。以上三種質(zhì)量控制通常用常一線溫度、常一線流量和常二線流量控制。常一線溫度上升 會引起常一線初餾點、常一線干點及常二線90％點溫度升高。常一線流量或常二線流量 增加會使常一線干點或常二線90％點溫度升高。 首先要確立包括三個PID調(diào)節(jié)器、常壓塔和三個質(zhì)量儀表在內(nèi)的廣義的對象數(shù)學(xué)模 型： 式中：P為常一線產(chǎn)品初餾點；D為常一線產(chǎn)品干點；T〔，2〕為常二線產(chǎn)品90 ％點溫度；T〔，1〕為常一線溫度；Q〔，1〕為常一線流量；Q〔，2〕為常二流量 。 為了獲得G（S），在工作點附近采用飛升曲線法進(jìn)行仿真擬合，得出對象的廣義對 象傳遞函數(shù)矩陣。針對廣義對象的多變量強(qiáng)關(guān)聯(lián)、大延時等特點，設(shè)計了常壓塔多變量控 制系統(tǒng)。 全部程序使用C語言編程，按照采集的實時數(shù)據(jù)計算控制量，最終分別送到三個控制 回路改變給定值，實現(xiàn)了常壓塔多變量控制。 分餾點（初餾點、干點、90％點溫度）的獲取，有的企業(yè)采用引進(jìn)的初餾塔、常壓 塔、減壓塔分餾點計算模型。分餾點計算是根據(jù)已知的原油實沸點（TBT）曲線和塔的 各側(cè)線產(chǎn)品的實沸點曲線，實時采集塔的各部溫度、壓力、各進(jìn)出塔物料的流量，將塔分 段，進(jìn)行各段上的物料平衡計算、熱量平衡計算，得到塔內(nèi)液相流量和氣相流量，從而計 算出抽出側(cè)線產(chǎn)品的分餾點。 用模型計算比在線分析儀快，一般系統(tǒng)程序每10秒運(yùn)行一次，克服了在線分析儀的 滯后，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計算出分餾點的基礎(chǔ)上，以計算機(jī)間通訊方式，修改DCS系 統(tǒng)中相關(guān)側(cè)線流量控制模塊給定值，實現(xiàn)先進(jìn)控制。 還有的企業(yè)，操作員利用常壓塔生產(chǎn)過程平穩(wěn)的特點，將SPC控制部分切除，依照 計算機(jī)根據(jù)實時參數(shù)計算出的分餾點，人工微調(diào)相關(guān)側(cè)線產(chǎn)品流量控制系統(tǒng)的給定值，這 部分優(yōu)化軟件實際上只起著離線指導(dǎo)作用。 （2）LQG自校正控制 某廠在PROVOX系統(tǒng)的上位機(jī)HP1000A700上用FORTRAN語言開 發(fā)了LQG自校正控制程序，對常減壓裝置多個控制回路實施LQG自校正控制。 ·常壓塔頂溫度控制。該回路原采用PID控制，因受處理量、環(huán)境溫度等變化因素 的影響，無法得到滿意的控制效果。用LQG自校正控制代替PID控制后，塔頂溫度控 制得到比較理想的效果。塔頂溫度和塔頂撥出物的干點存在一定關(guān)系，根據(jù)工藝人員介紹 ，塔頂溫度每提高1℃，干點可以提高3～5℃。當(dāng)塔頂溫度比較平穩(wěn)時，工藝人員可以 適當(dāng)提高塔頂溫度，使干點提高，便可以提高收率。按年平均處理原油250萬噸計算， 如干點提高2℃，塔頂撥出物可增加上千噸。自適應(yīng)控制帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 ·常壓塔的模擬優(yōu)化控制。在滿足各餾出口產(chǎn)品質(zhì)量要求前提下，實現(xiàn)提高撥出率及 各段回流取熱優(yōu)化。餾出口產(chǎn)品質(zhì)量仍采用先進(jìn)控制，要求達(dá)到的目標(biāo)是：常壓塔頂餾出 產(chǎn)品的質(zhì)量在閉環(huán)控制時，其干點值在給定值點的±2℃，常壓塔各側(cè)線分別達(dá)到脫空3 ～5℃，常二線產(chǎn)品的恩氏蒸餾分析95％點溫度大于350℃，常三線350℃餾份小 于15％，并在操作臺上CRT顯示上述各側(cè)線指標(biāo)。在保證塔頂撥出率和各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì) 量之前提下優(yōu)化全塔回流取熱，使全塔回收率達(dá)到90％以上。 ·減壓塔模擬優(yōu)化控制。在保證減壓混和蠟油質(zhì)量的前提下，量大限度拔出蠟油餾份 ，減二線90％餾出溫度不小于510℃，減壓渣油運(yùn)行粘度小于810■泊（對九二三 油），并且優(yōu)化分配減一線與減二線的取熱。 （3）中段回流計算 分餾塔的中段回流主要用來取出塔內(nèi)一部分熱量，以減少塔頂負(fù)荷，同時回收部分熱 量。但是，中段回流過大對蒸餾不利，會影響分餾精度，在塔頂負(fù)荷允許的情況下，適度 減少中段回流量，以保證一側(cè)線和二側(cè)線產(chǎn)品脫空度的要求。由于常減壓裝置處理量、原 油品種以及生產(chǎn)方案經(jīng)常變化，中段回流量也要作相應(yīng)調(diào)整，中段回流量的大小與常壓塔 負(fù)荷、塔頂汽油冷卻器負(fù)荷、產(chǎn)品質(zhì)量、回收勢量等條件有關(guān)。中段回流計算的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)塔頂回流量、塔底吹氣量、塔頂溫度、塔頂回流入口溫度、頂循環(huán)回流進(jìn)口溫度、中 段回流進(jìn)出口溫度等計算出最佳回流量，以指導(dǎo)操作。 （4）自動提降量模型 自動提降量模型用于改變處理量的順序控制。按生產(chǎn)調(diào)度指令，根據(jù)操作經(jīng)驗、物料平 衡、自動控制方案來調(diào)整裝置的主要流量。按照時間順序分別對常壓爐流量、常壓塔各側(cè) 線流量、減壓塔各側(cè)線流量進(jìn)行提降。該模型可以通過DCS的順序控制的幾種功能模塊 去實現(xiàn)，也可以用C語言編程來進(jìn)行。模型閉環(huán)時，不僅改變有關(guān)控制回路的給定值，同 時還在打印機(jī)上打印調(diào)節(jié)時間和各回路的調(diào)節(jié)量。 四、討論 1．原油蒸餾先進(jìn)控制幾乎都涉及到側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量的質(zhì)量模型，不管是靜態(tài)的還是動 態(tài)的，其基礎(chǔ)都源于DCS所采集的塔內(nèi)溫度、壓力、流量等信息，以及塔內(nèi)物料／能量 的平衡狀況。過程模型的建立，應(yīng)該進(jìn)一步深入進(jìn)行過程機(jī)理的探討，走機(jī)理分析和辨認(rèn) 建模的道路，同時應(yīng)不斷和人工智能的發(fā)展相結(jié)合，如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型正在日益引起 人們的注意。在無法得到全局模型時，可以考慮局部模型和專家系統(tǒng)的結(jié)合，這也是一個 前景和方向。 2．操作工的經(jīng)驗對先進(jìn)控制軟件的開發(fā)和維護(hù)很重要，其中不乏真知灼見，如何吸 取他們實踐中得出的經(jīng)驗，并幫助他們把這種經(jīng)驗表達(dá)出來，并進(jìn)行提煉，是一項有意義 的工作，這一點在開發(fā)專家系統(tǒng)時尤為重要。 3．DCS出色的圖形功能一直為人們所稱贊，先進(jìn)控制一般是在上位機(jī)中運(yùn)行，在 實施過程中，應(yīng)在操作站的CRT上給出先進(jìn)控制信息，這種信息應(yīng)使操作工覺得親切可 見，而不是讓人感到乏味的神秘莫測，這方面的開發(fā)研究已獲初步成效，還有待進(jìn)一步開 發(fā)和完善。 4．國內(nèi)先進(jìn)控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、商品化還有待起步，目前控制軟件設(shè)計時還沒有表達(dá) 其內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)符號，這是一大障礙。這方面的研究開發(fā)工作對提高DCS應(yīng)用水平和推廣 應(yīng)用成果有著重要意義。