先进控制应用在重油催化裂化装置中

一 前言
    在石油化工等流程过程工业中，先进控制(APC)和在线优化(OPT)技术是在工厂已采用DCS等设备，并完成常规控制之后，特别是炼油厂经常采用的自动化措施之一。先进控制及过程优化技术的应用可有效稳定生产过程的操作、改善产品质量、提高产品收率(数量)、优化产品分布，直接为企业创造效益。其中多变量预测控制算法由于对模型度要求不高，用它解决多变量之间耦合、大延迟、非线性时变等难以用常规控制完成的系统控制是很有效的。实际作为整个装置单元操作，通过克服扰动等影响，提高操作平稳性，进一步优化操作，实现"卡边"控制，提高产量。结合应用软测量技术可获得重要质量指标(如汽油干点等)，提高产品质量。先进控制和优化控制的优点是投资少、效益高，俗称“不用投资的技术改造”。美国DMA公司曾给出投资与效益曲线，示意投资的70%用于购置DCS，换回的效益是15%; 增加10%投资用于先进控制，换回35%的效益; 增加10%投资用于在线优化，换回40%的效益
。全世界投用的先进控制软件已有数千套，一般率为10美元/1美元。 
    呼和浩特石化公司7.5万吨/年重油催化裂化装置DCS采用Honeywell的TDC3000，其先进控制采用美国AspenTech公司DMCplus动态矩阵多变量预测控制技术，成功实现了APC控制，达到了预期目的。
    二 动态矩阵多变量预测控制(DMCplus)
    1. DMCplus控制器主要特性
    DMCplus控制器应用过程模型，克服扰动，预测未来动态，使动态响应过程的标准偏差减少。更重要的是，DMCplus以线性规划(LP)为基础，能使控制器及时获得在当前约束范围内zui有效益的生产工况，其动态加权能力能有效针对过程约束情况不断进行调整，确保严格控制和优化操作。DMCplus控制器根据控制参数和成本因素进行计算并给出优化控制方案，依此对操作变量(MV)进行调整，使控制变量(CV)与目标值之间偏差zui小。DMCplus控制器中的变量被严格区分为独立变量和非独立变量。其中独立变量包括操纵变量和前馈(干扰)变量，非独立变量为被控变量。DMCplus的主要特性可归纳如下：
    (1)具有完善的多变量动态过程模型辨识软件；
    (2)能有效处理大规模复杂控制问题；
 
    (3)能较容易处理大纯滞后及大的时间常数过程；
    (4)应用线性规划原理来实现经济性能指标的zui优化；
    (5)采用操纵变量经济性能指标线性规划以及应变量相对重要性分析原理，能较易处理操纵变量多于被控变量或被控变量多于操纵变量的情形；
    (6)对于约素条件处理，能够考虑整个动态响应区间内被控变量和操纵变量的约素；   
    (7)DMCplus控制器具有动态加权和在线整定功能。
    三 AspenTech 先控技术软件组成
    呼和浩特石化公司选用的Aspen-Tech先控技术软件包括如下部分：DMCplus控制器软件(DMCplus Desktop、DMCplus Online)和建立软仪表的软件(ASPEN IQ)。其中DMCplus Desktop用于模型辨识建模，并形成组态文件，在客户端的windows NT/95环境下运行。DMCplus Online包括在线控制器运行的组件，安装在Alpha机的OpenVMS操作环境下，以及安装在PC机或X-Window下的DMCplus View软件。ASPEN IQ软件是软仪表的建立工具，包括离线和在线部分。
    呼和浩特石化公司重油催化裂化先进控制的实施包括以下阶段：装置预测试，软测量数据采集，工艺计算开发，软测量模型开发和投用，装置测试，控制器模型的建立及仿真，控制器的投用。
    四 DMCplus控制器组成
    根据呼和浩特石化公司重油催化装置的特点，设计了一个大型控制器覆盖整个重油催化裂化装置，即覆盖反应器、一再、二再、外取热器、主分馏塔、吸收塔、解吸塔、再吸收塔及稳定塔。该控制器由反/再/主分馏塔系统子控制器和吸收稳定单元子控制器构成。
    1. 反应再生控制器
    反应器/再生器/主分馏塔控制器覆盖：反再系统的反应器、烧焦罐、第二级再生器、外取热器的操作，及主分馏塔系统的操作。分馏塔系统包括主分馏塔，塔顶回流罐、回炼油罐及轻柴油汽提塔。反应器/再生器/主分馏塔系统控制器共包括31个操纵变量，25个前馈/干扰变量，42个被控变量。
    (1)操纵变量(MV)
    反/再主分馏塔控制器的操作变量如：蜡油进料、渣油进料、脱油进料、新鲜原料量、回炼油流量、原料预热温度、预提升干气、预提升蒸汽、反应温度设定值；一再压力设定值，二再压力阀位；分馏塔顶温度控制等。
    (2)前馈/干扰变量(FFW/DV)
    反/再主分馏塔控制器的前馈/干扰变量如：气压机转速、沉降器汽提段藏量、二再藏量、外取热增压风、套筒风、输送风、一再主风、富吸收油返塔温度、富吸收油流量等。
    (3)被控/约束变量(CV)
    反/再主分馏塔控制器的被控变量如：二再烟气中氧含量、原料罐V207液位、二再和沉降器间压差、再生滑阀两端压差、一再和反应器间压差、再阀开度，以及采用软仪表测量的汽油干点、柴油凝固点、轻柴油闪点、轻柴油干点、油浆密度等。