減壓蒸餾實驗裝置的控制變量是什么

【專家解說】：54轉(zhuǎn) 永立 撫順石油化工研究院 DCS在我國煉油廠應用已有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、比值等復雜回路控制。有幾家煉油廠開發(fā)并實施了先進控制 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控制軟件的開發(fā)和應用 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 油基礎油。各煉油廠均使用不同類型原油，當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，換熱后原油溫度達到110℃，進入電脫 鹽罐進行一次脫鹽、二次脫鹽、脫鹽后再換熱升溫至220℃左右，進入初餾塔進行蒸餾 。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荷控制 中段回流的主要作用是移去塔內(nèi)部分熱負荷。中段回流熱負荷為中段回流經(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，并求出熱負荷。主回路熱負荷給定值由工人給 定或上位機給定。 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)對流室部位設置微差壓變送器，測出爐膛的負壓，利用長行 程執(zhí)行機構(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機入口檔板開 度，控制入爐空氣量，達到最佳過?？諝庀禂?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(或軟開關 )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料流量、比熱、進料出口溫度和進口溫度之差值 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。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、原油蒸餾先進控制 1.DCS的控制結(jié)構(gòu)層 先進控制至今沒有明確定義，可以這樣解釋，所謂先進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強有力的計算功能、邏輯判斷功能相關，而在DC S上無法簡單組態(tài)而得到的控制。先進控制是軟件應用和硬件平臺的聯(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定 點。 ·可編程模塊:可編程模塊通過一定的計算(如補償計算等)，可以實現(xiàn)一些較為復 雜的算法，包括前饋、選擇、比值、串級等。這些算法是通過DCS中的運算模塊的組態(tài) 獲得的。 ·計算機優(yōu)化層:這是先進控制和高級控制層，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雜控制的儀表運 算互聯(lián)，優(yōu)化層則和DCS的計算機功能相對應。原油蒸餾先進控制策略的開發(fā)和實施， 在DCS的控制結(jié)構(gòu)層結(jié)合了對象數(shù)學模型和專家系統(tǒng)的開發(fā)研究。 2.原油蒸餾的先進控制策略 國內(nèi)原油蒸餾的先進控制策略，有自行開發(fā)應用軟件和引進應用軟件兩種，并且都在 裝置上閉環(huán)運行或離線指導操作。 我國在常減壓裝置上研究開發(fā)先進控制已有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 用軟件的開發(fā)，充分發(fā)揮了DCS的強大功能，并以此為依托開發(fā)實施了高質(zhì)量的數(shù)學模 型和優(yōu)化控制軟件。系統(tǒng)的長期成功運行對國內(nèi)DCS應用開發(fā)是一種鼓舞。各企業(yè)開發(fā) 和使用的先進控制系統(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，在此基礎上開發(fā)了多變量控制。常壓塔有兩路進料，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關聯(lián)、大延時等特點，設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、各進出塔物料的流量，將塔分 段，進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上，以計算機間通訊方式，修改DCS系 統(tǒng)中相關側(cè)線流量控制模塊給定值，實現(xiàn)先進控制。 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 計算機根據(jù)實時參數(shù)計算出的分餾點，人工微調(diào)相關側(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作用。 (2)LQG自校正控制 某廠在PROVOX系統(tǒng)的上位機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℃。當塔頂溫度比較平穩(wěn)時，工藝人員可以 適當提高塔頂溫度，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。自適應控制帶來了可觀的經(jīng)濟效益。 ·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)量仍采用先進控制，要求達到的目標是: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。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調(diào)整，中段回流量的大小與常壓塔 負荷、塔頂汽油冷卻器負荷、產(chǎn)品質(zhì)量、回收勢量等條件有關。中段回流計算的數(shù)學模型 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)回流進口溫度、中 段回流進出口溫度等計算出最佳回流量，以指導操作。 (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語言編程來進行。模型閉環(huán)時，不僅改變有關控制回路的給定值，同 時還在打印機上打印調(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，應該進一步深入進行過程機理的探討，走機理分析和辨認 建模的道路，同時應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)驗對先進控制軟件的開發(fā)和維護很重要，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)驗表達出來，并進行提煉，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，先進控制一般是在上位機中運行，在 實施過程中，應在操作站的CRT上給出先進控制信息，這種信息應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，還有待進一步開 發(fā)和完善。 4.國內(nèi)先進控制軟件的標準化、商品化還有待起步，目前控制軟件設計時還沒有表達 其內(nèi)容的標準符號，這是一大障礙。這方面的研究開發(fā)工作對提高DCS應用水平和推廣 應用成果有著重要意義。