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    在线质量仪表在先进控制系统的应用

    在线质量仪表在先进控制系统的应用

      

    (中石化长岭分公司信息技术管理中心;邮编414012

    摘要:本文主要介绍在线质量仪表在石化先进控制系统的应用,而在线质量仪表作为产品质量在线检测设备已经渗透到石油化工等各生产环节中,进行实时测量分析,而且参与实时控制,为稳定产品质量、优化产品结构、降低劳动强度、提高经济效益发挥着重大的作用。先进控制(APC)作为企业挖潜增效的重要手段越来越受到石化企业的重视,在线质量仪表可以作为APC系统软仪表的校正信号,提高了软仪表准确率,提高了APC的控制精度和控制效果,在先进控制应用中起到重要的作用。

    1、先进控制的意义

    先进控制(Advanced Process Control) APC技术就是采用科学、先进的控制理论和控制方法,以工艺控制方案分析和数学模型计算为核心,以计算机和控制网络为信息载体,充分发挥DCS和常规控制系统的潜力,保证生产装置始终运转在最佳状态,以获取最大的经济效益。

    先进过程控制APC是对那些不同于常规单回路控制,并具有比常规PID控制更好的控制效果的控制策略的统称,先进控制的任务是用来处理那些采用常规控制效果不好,甚至无法控制的复杂工业过程控制的问题。先进控制采用的建模理论、辨识技术、优化控制、最优控制、高级过程控制等方面技术从实际工业过程特点出发,寻求对过程和环境的不确定性有一定适应能力的控制策略和方法,如自适应控制系统、预测控制系统、鲁棒控制系统、智能控制系统等先进控制系统。

    在石化工业中,采用新的加工工艺路线或扩大设备加工量、增大产量外,对已建成的工厂在不改动设备及工艺的条件下,依靠引入高新信息化技术,采用先进控制和在线优化系统,挖潜增效,已成为提高经济效益最有效手段。一个先进控制项目的年经济效益在百万元以上,其投资回收期一般在一年以内。丰厚的回报而引人注目。通过实施先进控制APC,可以改善过程动态控制的性能,减少过程变量的波动幅度,使之能更接近其优化目标值,从而将生产装置推至更接近其约束边界条件下运行,最终达到增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行成本等目的。

    发达国家经验表明:花了70%的钱购置DCS,换来的是15%的经济效益;再增加30%的投资实现先进控制和过程优化将可以提高产品档次和质量,降低能源和原材料消耗,从而增加85%的经济效益,如图1-1。有人说:先进控制与优化是不用投资的技术改造。

     


    1-1 先进控制与优化效益图(图中TACDMC为先进控制、CLRTO为优化 

     

    1-1先进与优化效益图

    全世界投用的先进控制(APC)已有数千项,先进控制的投入产出效益已被公认,一般投资回报率为10美元/1美元;优化技术的经济效益更大,投资偿还期不到一年。

    目前世界上先进的炼化企业多数生产装置都采用了APC技术,其中美国和欧美发达国家的普及率已达90%以上,美国炼油厂90%的催化裂化、常减压蒸馏、焦化等主要装置已经实施了先进控制技术。大型炼油化工装置如催化裂化和乙烯装置的效益更为突出。中石化集团公司现有生产装置,基本上都在上了DCS系统,1998年开始进行先进控制技术的试点、推广工作,已在有180多套主要生产装置实施了APC,多家石化企业推广应用APC取得了较好成效。

    2、在线质量仪表在先进控制系统的应用

    当前,在中石化企业的石化装置应用的先进控制系统主要采用HONEYWEL公司的RMPCT鲁棒多变量预估控制技术和APSPEN公司DMCplus的先进控制技术。这些先进控制技术中主要由两大部分组成,一部分是多变量预估控制技术;一部分是软仪表计算。软仪表主要是对产品质量等不可测量参数的进行预测计算,这些参数将直接作为CV参加整体控制,是工艺计算中最重要的内容,例如炼油过程的产品馏程、倾点、蒸气压及生焦量等,石油化工过程中的产品组成、纯度、含量及转化率等所以软测量工是先进控制技术的重要组成部分,其中计算技术主要基于工艺的物料平衡、能量平衡或神经网络技术等。这类计算结果对大多数生产基本稳定的工况具有较好的使用价值, 因此,一般利用化验室分析结果对计算结果进行在线校正。但是,当工艺生产波动较大时的动态过程和油品性质发生较大变化时软仪表计算偏差较大,是不能直接应用于先进控制。先进控制系统软仪表校正结构图如图2-1

     

    2-1、先进控制系统软仪表校正结构图

     

    在实际应中,用化验室分析结果对软仪表进行在线校正一般8--12个小时输入一个化验值,但操作员经常没有按要求输入,加上化验人员分析和采样时间的偏差导致软仪表计算效果不是很理想,加上工艺生产波动较大时和油品性质发生变化较大时化验值对软仪表进行在线校正不能跟踪实际产品质量的变化。

    特别是现在我国原油进口原油已超过50%,大量的进口原油对中国石化企业炼油加工工提出了更高的要求。由于油品在线质量仪表具有连续分析、不受油品性质变化影响的特点,所以采用在线质量仪表对进行软仪表校正,才能及时的跟踪产品质量的变化,在炼油企业油品性质变化很大的情况下尤为显得重要。

    中石化长岭分公司(以下简称长炼)在在线质量仪表研制和应用上在上世纪8090年代一直是石化行业的排头兵,90年代被中石化命名为“中石化在线质量仪表研制基地和培训基地”。在油品在线质量仪表研制和应用方面积累了很多经验。1987年长炼计算机应用研究所(现为改为:长炼信息技术管理中心)在采用自行研制的柴油倾点分析仪和汽油蒸汽压在线分析仪采用系统辨识预估控制的先进控制技术在长炼1#催化裂化装置开发研制了 “轻柴油倾点计算机先进控制系统”并于1989年投用,1990年通过了中石化总公司技术鉴定,获得了“国内首次使用,处于国内先进水平,具有良好的推广应用价值”的高度评价,这也是长炼真正意义上的第一套先进控制系统。随后,1992年计算机应用研究所立项研制开发的“催化汽油蒸汽压计算机先进控制系统”也成功投用,这两项先进控系统投用后,实现了产品质量优化卡边控制,提高了轻质油的收率。当时这两项成果在年加工能力120万吨的1#催化应用,创造的经济效益可达数百万元。两项成果都获得中石化集团公司科技进步三等奖。

    在长炼催化轻柴油倾点先进控制系统中采用了在线质量仪表的测量值作为主要受控变量CV,催化分流塔的中部柴油抽出温度、塔顶温等为受控变量,采用系统辨识预测控制的先进控制技术分别控制与分馏塔相关的温度、流量、压力;控制轻柴油产品质量,提高产品质量和轻质油收率。催化汽油蒸汽压先进控制系统也是采用在线质量仪表的测量值等作为主要受控变量CV,采用系统辨识预测控制的先进控制技术提高产品质量和汽油或液态烃收率。

    中石化集团公司从1998年开始进行先进控制技术的试点和推广工作,主要采用HONEYWEL公司的RMPCT鲁棒多变量预估控制技术和APSPEN公司DMCplus的先进控制技术。长炼紧跟总部部署,在总部进行了先进控制项目的立项。长炼1999年在1#常减压装置进行先进控制系统项目开发和实施,先后在1#催化裂化装置、聚丙烯装置、重整装置、焦化装置开发和实施了先进控制。其中,焦化装置加热炉控制采用了清华大学的状态空间方程技术;焦化装置装置、聚丙烯装置采用HONEYWEL公司的RMPCT鲁棒多变量预估控制技术;重整装置采用了APSPEN公司DMCplus的先进控制技术。

    这些先进控制系统中大量的采用了在线质量仪表校正软仪表方法,由于这些在线质量仪表分析测量的都是产品重要的炼油加工目的产品的质量值,也是先进控制系统的主要受控变量CV,在当前原油性质变化较大的情况下采用质量仪表校正软仪表的计算使得软仪表实际精度得到提高。在先进控制系统中作为软仪表校正部分在线质量仪表如表2-1

    装置名

    质量仪表

    分析产品

    分析值

    生产厂家

    1#常减压

    倾点分析仪

    常二线柴油

    倾点

    武汉通力

    1#常减压

    倾点分析仪

    常三线柴油

    倾点

    武汉通力

    1#常减压

    倾点分析仪

    减一线柴油

    倾点

    武汉通力

    1#催化裂化

    馏程分析仪

    轻柴油

    馏程

    武汉通力

    1#催化裂化

    倾点分析仪

    轻柴油

    倾点

    武汉通力

    1#催化裂化

    蒸汽压分析仪

    稳定汽油

    蒸汽压

    武汉通力

    延迟焦化

    密度分析仪

    焦化进料

    密度

    英国输力强

    延迟焦化

    馏程分析仪

    柴油

    馏程

    武汉通力

    延迟焦化

    馏程分析仪

    柴油

    馏程

    德国本克

    聚丙烯装置

    色谱仪

    丙烯氢含量

    氢含量

    德国西门子

    聚丙烯装置

    融溶指数分析仪

    聚丙烯

    融溶指数

    德国

    重整装置

    近红外分析仪

    重整反应原料

    烷烃、环烷、烃芳烃

    德国布鲁克

    重整装置

    近红外分析仪

    重整生成油

    苯、甲苯、二甲苯、总芳、RON(研究法辛烷值)

    德国布鲁克

    2-1、先进控制系统中作为软仪表校正部分在线质量仪表

    2-1只列出了部分参与APC在线质量仪表,还有部分没有列出。先进控制系统采用在线质量仪表校正软仪表作为一种先进的方法既利用了质量仪表常规的指导生产作用,又发挥了质量仪表提高先进控制的控制精度和应用效果的作用。先进控制系统采用在线质量仪表校正软仪表结构图如图2-2

     


    2-2、先进控制系统采用在线质量仪表校正软仪表结构图

    2-2中的在线质量仪表作为软仪表的连续输入校正数据,克服了原先进控制系统软仪表采用化验数据校正的不及时性和偏差带来的影响软仪表精度的问题。

    3、在线质量仪表在先进控制系统应用效果

    由于采用了在线质量仪表作为校正软仪表方法,提高先进控制软仪表的预估精度,使APC系统中主要受控变量的控制精度提高,长炼APC控制系统投用后取得于良好的工业运行效果。APC系统应用的装置关键控制指标的波动标准偏差降低20%以上,先进控制的应用达到了挖潜增效,优化控制、平稳操作、节能降耗、提高产品收率、提高经济效益的目的。

    目前,长炼控制器在已投用了十五套先进控制控制器在生产装置运行,全年投用率在95%以上,这些先进控制项目通过了长岭分公司及总部的验收,先进控制 应用取得了上千万元的经济效益。总部炼油事业部、信息部的领导与专家曾到长炼生产装置现场对先进控制应用进行了实地考察,对长炼的先进控制应用给予很高评价。充分肯定了长岭分公司的先进控制技术的应用效果,认为长炼先进控制的应用在中国石化排名前列。

    如下列举1#催化装置先进控制系统应用取得效果:

    (1)       先进控制投用后,催化装置被控指标CV(如再生器氧含量、主分馏塔顶温度、各塔器液位)和质量指标CV(如汽油干点)的波动有明显减小,而各调节手段(MV)的波动幅度也有所减少,装置生产更加平稳。

    (2)       先进控制投用后,催化再生器密相温度高位平稳运行、外取热器汽包蒸汽产量有所增加、主分馏塔顶冷回流流量有所降低,实现了部分优化生产的功能。汽油和柴油收率以实施卡边控制,从而实现汽油和柴油收率的最大化。

    (3)       先进控制投用前后的效果曲线

    A)、图3-1 先进控制投用前/后,主分馏塔顶汽油干点(上)、副分馏塔中部温度(中)、副分馏塔顶回流罐液位(下)的曲线对比

     

    3-1  先进控制投用前/后,副分馏塔顶汽油干点(上)、副分馏塔中部温度(中)、副分馏塔顶回流罐液位(下)的曲线对比                             

        稳定塔塔底温度、汽油蒸汽压曲线

    B)稳定塔塔底温度曲线见图3-2

            
       图3-2稳定塔塔底温度曲线(图中蓝色曲线为未投用APC时的曲线,红色曲线为投用APC时的曲线)

    C)稳定汽油蒸汽压曲线见图3-3


         
       图3-3汽油蒸汽压曲线(图中蓝色曲线为未投用APC时的曲线,红色曲线为投用APC时的曲线)

     

    4、结束语

    在线质量仪表作为产品质量在线检测设备已经在石油化工等各生产环节中,进行实时测量分析、参与实时控制,为稳定产品质量、优化产品结构、降低劳动强度、提高经济效益发挥着重大的作用。先进控制(APC)作为企业挖潜增效的重要手段越来越受到石化企业的重视,在线质量仪表可以作为APC系统软仪表的校正信号,提高了软仪表准确率,提高了APC的控制精度和控制效果,在先进控制应用中也起到重要的作用。在目前我国大量的进口原油,炼油企业油品性质变化很大的情况下,由于油品在线质量仪表具有连续分析、不受油品性质变化影响的特点。克服了化验人员分析和采样时间的偏差导致软仪表计算不准;生产波动较大时和油品性质发生变化较大时化验值对软仪表进行在线校正不能跟踪实际产品质量的变化,影响APC的控制效果的问题。所以采用在线质量仪表对进行软仪表校正,是目前解决先进控制系统中软仪表计算不准,影响APC的控制效果一个重要的方法和途径。另外,在线质量仪表在先进控制系统发挥了其重要作用,也需要搞好质量仪表维护,确保质量仪表长周期运行。

     

     

    作者简介:李桦 中石化长岭分公司信息技术管理中心副主任,高级工程师,长期从事先进控制和信息化技术应用工作。