王士新

（中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300040）

當前企業(yè)的煉油裝置經常采用DCS 進行控制，DCS 的采用為企業(yè)提高控制和管理水平起到了巨大的作用，而在DCS 的基礎上對控制系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化則可以用較小的投入取得較大的收益。

自控率指投入自動控制的回路數(shù)占實際運行的總回路數(shù)之比，是評估企業(yè)自動化程度的核心指標，是儀表應用管理重要組成部分；平穩(wěn)率指工藝卡片超標累計和與總的工藝卡片參與考核累計和之比，是衡量裝置運行狀況的的量化指標，是工藝管理的重要內容。這兩個指標的提升與優(yōu)化，關系到煉油裝置“安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷、優(yōu)質”的運行，及其產品能否得到最優(yōu)的質量、收率、能耗和經濟效益的關鍵控制點。

1 目前煉化裝置在自動控制方面存在的主要問題

隨著裝置長周期運行與精細生產理念的提出，煉油裝置通過節(jié)能、隱患治理、質量升級、環(huán)保治理等技術改造，工藝技術及安全水平不斷提高，結構負荷得到了改善，但受操作習慣、控制方案、設備狀況等多種因素的制約，裝置自控率和裝置平穩(wěn)率仍相對薄弱，特別是部分裝置實際自控率依然處于一個偏低的水平，沒有充分發(fā)揮出控制系統(tǒng)的自動化、最優(yōu)控制功能，操作人員的工作強度依然較高，誤操作的風險仍然存在。

通過梳理某企業(yè)催化裂化、加氫裂化、延遲焦化幾種典型煉油裝置，主要存在問題如下。

（1）部分PID 控制器處于手動狀態(tài)，波動較大，一些PID 調節(jié)器沒有投自動或難以長周期在自動狀態(tài)下運行，部分已投入自動運行的PID 回路運行效果也不好，表現(xiàn)為被控參數(shù)波動幅度過大，有的甚至接近等幅振蕩。有的投入自動運行回路即使被控參數(shù)波動不大，但是閥門經常進行頻繁大幅度開關動作，造成下游工況的惡化，設備損耗嚴重，影響裝置的平穩(wěn)運行。

（2）一些串級、均勻、前饋等復雜控制回路難以長時間在自動狀況下運行，不能實現(xiàn)高精度控制，影響裝置指標卡邊操作及節(jié)能降耗。

（3）對于操作人員，裝置系統(tǒng)操作難度及操作強度較大，操作彈性較小。

（4）裝置生產運行不穩(wěn)定，部分回路報警頻繁。

（5）控制方案不夠完善，即使負荷穩(wěn)定狀態(tài)下也達不到全自動化操作。

在某企業(yè)自控率提升項目前期數(shù)據(jù)收集階段，對項目涉及到的部分裝置進行了DCS 自動回路投用狀況的調研工作，調研數(shù)據(jù)見表1。

表1 典型裝置優(yōu)化前調研數(shù)據(jù)

由表1可以看出，各裝置的自控率和串級投用率都不高，這些問題的核心和實質就是控制器設計不夠優(yōu)化和參數(shù)整定不合理造成自控率較低。

2 提升優(yōu)化項目的技術路線

2.1 進行裝置內逐個單回路的優(yōu)化

回路優(yōu)化時要求不僅要回路控制得穩(wěn)，更重要的是控制閥門動作要穩(wěn)。

2.2 完善裝置的控制回路方案

目前，很多生產裝置的回路設計還不完善，造成操作人員干預太多，而每個操作人員的操作手法差別較大，不熟練人員操作易造成裝置波動。本項目中，將根據(jù)工藝過程和全流程自動控制的需要完善控制回路，使裝置能滿足全流程自動控制的要求。

2.3 考慮上下游協(xié)調的控制優(yōu)化和全流程自動的實施

考慮裝置的上下游之間的協(xié)調，進行控制器的優(yōu)化，并按照全流程自動的思想實施，保證整個裝置的平穩(wěn)、優(yōu)化。

2.4 實施“基于樹狀結構的帶評比考核功能的裝置自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控”

目前裝置自控率、平穩(wěn)率的監(jiān)控功能比較簡單、人工輸入強度大，很難起到及時的監(jiān)督、考核、改進的作用。實施自動化的自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控”，能準確、真實反映和記錄裝置實際狀況，并進行所有裝置的排序和評比，能極大地督促和保證裝置自控率、平穩(wěn)率的提高。

3 提升優(yōu)化項目的具體技術措施

當前，裝置控制器普遍采用PID 調節(jié)，PID 調節(jié)的具體情況如下。

（1）PID 控制的形式固定，無論是溫度、流量、液位還是壓力，也不管對象的具體特點，控制形式均采用一種相同的PID 控制形式，如采用：

其中K、T1、T2為比例、積分、微分系數(shù)，即為PID 參數(shù)。而實際上，由于對象特性不同，響應時間不同，其PID 控制器的形式也應該是有差異的，而目前的組態(tài)方式并沒有體現(xiàn)出這一差異而區(qū)別設置。

（2）PID 參數(shù)的設置（PID 參數(shù)的整定）往往很不合理

如某進口品牌DCS 中，缺省PID 參數(shù)廠家若設置為100，20，0；組態(tài)完畢進入生產裝置以后，操作工或工藝人員整定PID 參數(shù)時，往往只是在100，20，0附近進行一些修改，而實際上，優(yōu)化的PID 參數(shù)往往與以上數(shù)據(jù)有巨大差別。而此時如何進行設置，操作人員、工藝人員難以說清楚，并且手工湊試往往滿足不了要求。

針對以上問題，項目的研究開發(fā)內容可以歸結為幾個方面。

①根據(jù)生產裝置控制對象的不同特點，選用不同的PID 控制類型，如流量的調節(jié)可采用以下PID 形式：

在這種形式下，流量調節(jié)閥對流量擾動干擾的影響將減小，能起到較好的控制效果。

②對于一個對象，對該對象選定的特定的PID 控制形式，根據(jù)對象的具體特點，用預測、內模等先進控制算法去整定PID 的參數(shù)，使對象穩(wěn)定，響應速度快，控制精度高。對特定的對象，對選定的控制器PID 形式及參數(shù)進行仿真，若仿真能達到良好的效果，則將控制器PID 的形式及PID 參數(shù)下裝到DCS 中對應的回路。

③對于系統(tǒng)中需要濾波的環(huán)節(jié)，組態(tài)增加一組一階數(shù)字濾波器，一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)如下：

④根據(jù)工藝流程特點，根據(jù)全流程自動的思想，按照優(yōu)化控制的需要，適當修改控制方案（如組態(tài)串級方案，比例控制等），實施全流程的自動，以期達到平穩(wěn)操作，確保產品質量和節(jié)能降耗的需求。

⑤實施“基于樹狀結構的帶評比考核功能的裝置自控率、平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)”，從運行管理上督促和調整裝置自控率、平穩(wěn)率的提高。

4 提升優(yōu)化項目的實施內容

4.1 搭建自控率平穩(wěn)率監(jiān)控系統(tǒng)

按照公司、分廠、生產裝置、回路的樹狀結構進行展示，分層統(tǒng)計自控率，包括分公司自控率、廠自控率、生產裝置自控率、回路自控率。自控率計算方法為：自控率＝所統(tǒng)計時間段內投自動的點數(shù)/總點數(shù)。系統(tǒng)可以任意查詢5年內任意時間段、任意裝置、任意回路的自控率、平穩(wěn)率，采用一系列的數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術進行處理，以提高性能和速度。

4.2 控制回路的參數(shù)采集

搭建自控平穩(wěn)率監(jiān)控平臺、PID 及參數(shù)采集系統(tǒng)，方便后續(xù)優(yōu)化工作展開，每套生產裝置原始數(shù)據(jù)的采集，對裝置每一個PID 控制回路，采集PV（過程值）、SV（給定值）、MV（閥位值）、MODE（手自動模式值）。

4.3 優(yōu)化生產裝置PID控制器的形式

目前，裝置中PID 控制的形式固定，無論是溫度、流量、液位還是壓力，也不管對象的具體特點，控制形式基本采用一種相同的PID 控制形式。

本項目中，運用先進控制的思想去整定和優(yōu)化PID 控制器的形式和控制器參數(shù)，既保留了先進控制的優(yōu)點、又保持了PID 的魯棒性，并且避免了一些先進控制需單獨設置工作站、技術復雜、造價昂貴的缺點。

如圖1所示，常規(guī)PID 控制如圖1左上，一般的先進控制的實施如圖1右上和圖1左下，本項目中，將先進控制與PID 相結合，其具體實現(xiàn)如圖1右下。

圖1 當前先進控制實施的形式

下面以內?！狿ID 為例說明本項目中先進控制優(yōu)化整定PID 參數(shù)的具體思路。圖2 中描述了PID 控制和內?？刂浦g的等價關系，可以非常方便地建立起內模先進控制和普通PID 之間的關系，即Gc=（I+CGm）-1C，從而可以從內?？刂艷c 求解出PID控制器C，從而得到PID 的參數(shù)，完成了內?！狿ID的整定，并且整定后的PID 參數(shù)具有內模先進控制的優(yōu)點。

圖2 用內模控制整定PID控制器參數(shù)原理

4.4 優(yōu)化PID參數(shù)的設置

對裝置上所有的回路進行PID 參數(shù)整定，提升各回路的自動控制效果，并解決參數(shù)不起控制作用的假自動問題。經過參數(shù)優(yōu)化后，對于手動回路以及未投用的復雜控制回路試投用并觀察運行狀況。目前使用的手工湊試整定方法不能完全滿足PID 參數(shù)整定需要。項目實施中根據(jù)對象的具體特點，用預測、內模等先進控制算法去整定PID 的參數(shù)，使對象穩(wěn)定，響應速度快，控制精度高，對特定的對象，對選定的控制器PID 形式及參數(shù)進行仿真，若仿真能達到良好的效果，則將控制器PID 的形式及PID 參數(shù)下發(fā)到DCS 中對應的回路。

5 提升優(yōu)化項目的工作效果

項目實施過程中，各裝置很多回路控制效果大幅改善，并在此選取各裝置部分回路舉例說明控制效果提升情況。

5.1 加氫裂化裝置

高低分畫面低分液位控制LIC3305優(yōu)化前無法投用串級自動控制，需要手動調整流量，操作較多，控制效果較差，波動范圍達到12%。經過優(yōu)化實現(xiàn)串級自動控制，波動范圍減小到2.5%，能夠長期平穩(wěn)運行，降低了勞動強度，提高了低分液位的穩(wěn)定性。優(yōu)化前后控制效果對比如圖3所示。

圖3 高低分畫面低分液位控制LIC3305優(yōu)化前后控制效果對比圖

5.2 2#加氫裂化裝置

石腦油分餾塔回流罐界位LIC21002優(yōu)化前已投用自動，但是控制效果不佳，界位始終處于大幅波動，無法達到穩(wěn)定狀態(tài)。經過參數(shù)優(yōu)化后，此界位控制回路控制效果大幅提升，界位波動幅度由3.5%降至0.3%，能夠穩(wěn)定在設定值附近，同時凝結水量采出閥也基本維持穩(wěn)定，不再大開大合。優(yōu)化前后控制效果對比如圖4所示：

圖4 石腦油分餾塔回流罐界位LIC21002優(yōu)化前后控制效果對比圖

5.3 2#延遲焦化裝置

穩(wěn)定塔底液位LICA30701優(yōu)化前投用先進控制，但是由于控制作用不及時，使得穩(wěn)定塔底液位控制波動較大。經過參數(shù)調整以及自動控制投用之后，控制效果明顯改善，波動范圍從10%降至1%。穩(wěn)定塔液位平穩(wěn)使得穩(wěn)定塔整體控制平穩(wěn)性有所提升，同時穩(wěn)定塔采出流量也不再大幅變化。優(yōu)化前后控制效果對比如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定塔底液位LICA30701優(yōu)化前后控制效果對比圖

5.4 催化裂化裝置

再吸收塔液位控制LIC303優(yōu)化前處于自動控制，但由于參數(shù)設置不合理，液位存在一定的波動，同時閥門也有波動，返回T2003的量也存在一定的波動。優(yōu)化前后效果對比如圖6所示。

圖6 再吸收塔液位控制LIC303優(yōu)化前后控制效果對比圖

6 結束語

通過此項目的實施，4套裝置的自控率都有很大程度的提升，目的產品收率的波動有所降低，產品平穩(wěn)率和合格率得到了相應提高（表2）。操作人員的勞動強度也降低到了項目實施前的1/5，裝置的報警也有很大程度的減少，從而為裝置增產增效，節(jié)能降耗提供了有力保障（表3）。

表2 典型裝置優(yōu)化前后自控率、平穩(wěn)率對比 %

表3 典型裝置優(yōu)化前后報警次數(shù)對比