杜建莉

(中國石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610000)

目前,天然氣加工行業(yè)采用DCS[1]已基本實現(xiàn)了主要工藝參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的顯示、記錄、累計、報警和設(shè)備運行聯(lián)鎖功能，并通過常規(guī)PID控制[2-3]提高了裝置的自控水平。目前對天然氣各組分的分離要求越來越高，如從天然氣中回收乙烷等組分，工藝流程長，具有非線性、大滯后和多變量耦合等特點，就目前工藝過程控制現(xiàn)狀，以PID控制回路為主的常規(guī)控制策略難以達到理想的控制效果。裝置的生產(chǎn)操作仍需要依賴大量的人工經(jīng)驗，存在操作不及時、調(diào)節(jié)幅度不匹配、能耗高、產(chǎn)品收率不理想等問題，難以較好地克服系統(tǒng)波動和外界干擾。因此，采用先進控制(APC)技術(shù)，實現(xiàn)乙烷回收裝置的精細化控制，達到降低生產(chǎn)操作強度和節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率的目的。

1 天然氣乙烷回收先進控制需求分析

乙烷回收裝置工藝過程控制的核心是穩(wěn)定生產(chǎn)過程操作，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗。常規(guī)PID控制仍需要依賴大量人工經(jīng)驗，操作強度大，運行穩(wěn)定性欠佳。常規(guī)PID控制在乙烷回收裝置應(yīng)用中存在以下問題：

1)由于乙烷回收裝置的復(fù)雜工藝特性，一旦受到外界干擾(如進料組分)影響，常規(guī)單回路控制無法滿足工藝指標平穩(wěn)控制的要求，仍需人工輔助控制。在生產(chǎn)過程中，可能會出現(xiàn)因人工調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)幅度不合適等因素而影響工藝指標的平穩(wěn)運行。

2)常規(guī)控制算法以PID反饋控制為主，將塔釜等系統(tǒng)簡化為若干個單變量來處理，無法滿足實際生產(chǎn)過程需要兼顧多個目標的工藝控制要求。

3)整個裝置屬于多變量耦合系統(tǒng)，在生產(chǎn)操作過程中需要克服變量間的強耦合特性，以保持裝置之間以及各單元操作內(nèi)部的物料平衡和能量平衡，基于常規(guī)PID控制和人工經(jīng)驗的過程控制難以確保裝置的平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗，操作難度較大。

目前，APC技術(shù)在煉化裝置中的應(yīng)用較為廣泛[4-5]，隨著天然氣加工行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，APC技術(shù)在該行業(yè)的應(yīng)用也日益增多。結(jié)合乙烷回收裝置的工藝特點和過程控制需求，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上采用模型預(yù)測控制、智能軟測量等APC策略，進一步提高裝置的綜合自動化水平，確保生產(chǎn)安全，增強裝置的抗干擾能力，提高裝置運行平穩(wěn)性和產(chǎn)品收率，降低能耗。

2 先進控制應(yīng)用范圍

天然氣乙烷回收裝置APC技術(shù)主要應(yīng)用于脫甲烷塔、脫乙烷塔、脫丁烷塔，由于脫甲烷塔重沸器、脫乙烷塔重沸器以及脫丁烷塔重沸器與各精餾塔系統(tǒng)密不可分，因此APC技術(shù)應(yīng)用范圍也涵蓋了各精餾塔重沸器。

3 先進控制應(yīng)用目標

APC技術(shù)在乙烷回收裝置的應(yīng)用需達到如下目標：

1)提高主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)性，與常規(guī)控制相比，關(guān)鍵工藝參數(shù)的波動幅度降低30%以上。

2)基于裝置的平穩(wěn)操作，對裝置相關(guān)工藝指標進行“卡邊”優(yōu)化控制，挖掘裝置潛力，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低單位產(chǎn)品能耗。

3)實現(xiàn)乙烷回收裝置的自動變負荷控制，提高裝置運行的平穩(wěn)性。

4)提高目標產(chǎn)品乙烷、丙烷和丁烷的回收率。

5)在正常生產(chǎn)條件下，保證APC系統(tǒng)的投運率達到95%以上，以保持生產(chǎn)操作的一致性，減少人為干擾，降低勞動強度。

4 先進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)乙烷回收裝置的運行特點和過程控制需求，在現(xiàn)有DCS的基礎(chǔ)上，以軟測量為媒介，通過APC控制器、協(xié)調(diào)優(yōu)化控制器、工況智能診斷、特殊工況處理等模塊[6]，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的APC。乙烷回收裝置APC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

5 先進控制設(shè)置方式

5.1 控制策略

天然氣乙烷回收裝置APC控制器主要有： 脫甲烷APC控制器、脫乙烷APC控制器，脫丁烷塔APC控制器。乙烷回收裝置多變量預(yù)測控制器以操縱變量、干擾變量與被控變量之間的動態(tài)響應(yīng)模型作為控制器內(nèi)部模型，在此基礎(chǔ)上將被控變量的設(shè)定值、上限、下限進行分級優(yōu)化設(shè)置，達到整體最優(yōu)。APC技術(shù)控制策略如圖2所示。

圖1 乙烷回收裝置APC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

圖2 APC技術(shù)控制策略示意

乙烷回收裝置APC的主要任務(wù)是有效抑制內(nèi)外部擾動，如進料組分波動、負荷波動、熱源波動及上下游工況波動等，合理動態(tài)調(diào)節(jié)各操縱變量，平穩(wěn)控制各關(guān)鍵工藝指標及精餾塔內(nèi)組分分布，實現(xiàn)對乙烷回收裝置的精細化控制，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低裝置能耗，即實現(xiàn)乙烷回收裝置的經(jīng)濟效益最大化。

5.2 先進控制器變量列表

乙烷回收裝置APC控制器的主要變量見表1所列。

5.3 先進控制器設(shè)計

以某座精餾塔為例，本文闡述多變量預(yù)測控制器的設(shè)計思路。

1)控制器變量選擇。根據(jù)精餾塔工藝特點，梳理其相關(guān)控制變量的耦合關(guān)系，如圖3所示。

2)控制器模型建立。通過對精餾塔的階躍測試和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的深入分析，應(yīng)用APC軟件進行模型辨識，并采用歷史數(shù)據(jù)對模型進行擬合驗證，得到符合精餾塔工藝特性和過程控制要求的控制模型[7]。

表1 乙烷回收裝置先進控制器主要變量

圖3 精餾塔控制變量耦合關(guān)系示意

3)多變量預(yù)測控制器參數(shù)設(shè)計。采用APC軟件的多變量預(yù)測控制算法建立精餾塔多變量約束控制器，將辨識得到的模型作為控制器的內(nèi)部模型，同時設(shè)置合適的參考軌跡、操作變量約束、被控變量約束、優(yōu)化方法、控制結(jié)構(gòu)及一系列相關(guān)控制參數(shù)，實現(xiàn)對精餾塔各工藝指標的分級優(yōu)化控制。

a)操縱變量控制參數(shù)包括： 控制等效偏差、平滑系數(shù)、控制時域、優(yōu)化目標方法、優(yōu)化成本、操作值上下限、報警值上下限、優(yōu)化最大/最小增量，控制最大/最小增量等。

b)被控變量控制參數(shù)包括： 控制權(quán)重、時滯、最大/最小優(yōu)化增量、最大/最小控制增量、操作約束上下限、操作約束等級、操作約束上下限等級、操作約束控制等效偏差、設(shè)定值優(yōu)化等級、設(shè)定值區(qū)域上下限，設(shè)定值優(yōu)化等效偏差等。

精餾塔多變量預(yù)測控制器通過實時動態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)重沸器導(dǎo)熱油流量、丙烷流量、塔頂采出量、塔釜采出量、塔頂冷卻量等操作變量，克服進料量、進料溫度、蒸汽壓力的波動，實現(xiàn)精餾塔整體物料平衡和能量平衡，平穩(wěn)控制塔釜液位和回流罐液位，實現(xiàn)塔內(nèi)溫度的合理分布，重點保證塔釜溫度和塔頂溫度的平穩(wěn)控制，提高分離精度，平衡好重沸器丙烷流量、塔頂冷卻量的合理匹配，保證分離效果，保持經(jīng)濟運行。

4)軟測量技術(shù)。由于在線分析儀表設(shè)置有限，所以在產(chǎn)品質(zhì)量控制過程中，一般采用在線分析儀分析數(shù)據(jù)與實驗室化驗分析數(shù)據(jù)相結(jié)合的質(zhì)量控制方法。該種方法的最大問題在于調(diào)節(jié)的滯后性，無法保證實時產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤及變化趨勢分析。而軟儀表技術(shù)[8]則能利用一些可測量的參數(shù)如溫度、壓力、流量等來計算出無法在線測量的工藝參數(shù)。

6 先進控制技術(shù)安全措施

6.1 安全解決方案

安全解決方案包括以下主要內(nèi)容：

1)為保證DCS平穩(wěn)運行，其常規(guī)自動控制回路和APC系統(tǒng)之間切換時必須是無擾動切換，DCS常規(guī)控制回路的設(shè)定值(SP)和APC輸出能夠互相跟蹤[9-10]。

2)APC系統(tǒng)具有賦值保護功能，確保非正常的APC計算值不會賦值到DCS常規(guī)控制回路中。

3)APC系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)變化率報警功能,如在10 s內(nèi)操作溫度增加或減少5 ℃就需要報警，具體可根據(jù)實際工況調(diào)整。

4)APC系統(tǒng)具有通信監(jiān)控功能，通信中斷，保證DCS能夠切回本地，并處于安全狀態(tài)。

5)APC系統(tǒng)具有異常情況處理功能，對所有被控變量、操作變量及APC計算值進行監(jiān)控，遇到異常情況，自動切除APC系統(tǒng)。

6.2 安全措施

安全措施的主要實施方式如下：

1)通信保護程序。由APC上位機和DCS中的保護程序共同組成。當APC上位機一定時間不響應(yīng)時，視作通信連接出現(xiàn)問題，切除所有APC到常規(guī)控制，并報警提示。通信狀態(tài)監(jiān)控功能在DCS中通過編程或模塊組態(tài)來實現(xiàn)。

2)安全保護邏輯程序。主要目的是保證APC系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定，安全有序運行，避免意外問題影響系統(tǒng)正常。如： 在常規(guī)操作下有些情況并不適合切入APC，某些條件必須切除APC等。由于APC系統(tǒng)操縱變量和被控變量均有上下限約束保護，APC控制量只在約束范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不會導(dǎo)致系統(tǒng)觸發(fā)聯(lián)鎖保護條件；通過安全保護邏輯程序，可以實時監(jiān)控相關(guān)聯(lián)鎖保護狀態(tài)，及時做出報警并切除部分或整個APC系統(tǒng)。

3)安全切換功能如下：

a)APC回路切除。當通信故障出現(xiàn)時，切除所有APC開關(guān)；某個子控制器APC開關(guān)切除時，將該控制器所有APC回路開關(guān)切除；當某個回路的APC投運條件不具備時，切除該回路的APC；針對某些重點控制回路進行判斷，當該回路發(fā)生堵塞或執(zhí)行不到位時，切除該回路APC，并報警提示。

b)無擾動切換。未投運APC系統(tǒng)時，APC設(shè)定值自動跟蹤控制回路的設(shè)定值，當APC投運時實現(xiàn)無擾動切換。

c)常規(guī)控制切換到APC。APC未投運時，APC控制量跟蹤控制回路實際調(diào)節(jié)量(設(shè)定值或閥值)；投運過程中，控制模式從常規(guī)模式切換到APC模式。

d)APC切換到常規(guī)控制。APC切換到常規(guī)模式時，控制模式從APC模式切除到常規(guī)控制模式；各種對應(yīng)標志狀態(tài)需要從APC狀態(tài)切換到常規(guī)控制狀態(tài)。

e)APC計算值校驗。為避免上位機計算出錯，或通信過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，APC計算值在寫入對應(yīng)的SP/MV之前，必須進行賦值保護校驗，確認無誤后才能進行賦值。校驗內(nèi)容有： APC模式確認，確認各項APC運行狀態(tài)標志正常，且回路的控制模式為APC模式；控制量步幅約束確認，APC控制量與DCS回路值實際之間的偏差小于某個數(shù)值(步幅約束)。

f)多變量預(yù)測控制器切換報警。當控制器或控制回路投運或切除APC時，DCS自動進行報警提示。

7 先進控制網(wǎng)絡(luò)配置

為了確保裝置運行的安全，APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均采取上位機方式，通過OPC通信接口[11]實現(xiàn)上位機與DCS之間數(shù)據(jù)的實時交換。常規(guī)PID控制運行在DCS上，多變量預(yù)測控制器、工藝計算在APC服務(wù)器上運行。APC硬件系統(tǒng)通過交換機或直接與安裝有標準OPC接口軟件的服務(wù)器連接，建立APC服務(wù)器與DCS控制站數(shù)據(jù)傳送的物理鏈接。

8 結(jié)束語

從某種程度上來說，控制水平代表了裝置的技術(shù)水平。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，各種工藝裝置越來越復(fù)雜，調(diào)節(jié)回路越來越多。對自動化程度要求也越來越高。自動控制方式直接影響了整個工廠自動控制的投用率，在一些大型的煉化裝置，工藝過程控制更為復(fù)雜，經(jīng)濟效益要求更高，APC技術(shù)在工藝過程控制中的應(yīng)用也越來越多。本文從APC的需求、應(yīng)用范圍和目標以及設(shè)置方式出發(fā)，系統(tǒng)闡述了APC在天然氣加工行業(yè)中的應(yīng)用方式。為保證APC能有一個更好的應(yīng)用體驗，達到既定控制目標，在選擇APC控制器時，應(yīng)結(jié)合工藝特點及需求，確定APC應(yīng)用范圍，若現(xiàn)場儀表和閥門測量精度及控制精度無法滿足要求，應(yīng)更換現(xiàn)場儀表和閥門。