先进过程控制在气分装置中的应用

张韶煜，柴昕，刘炳杰

（1.洛阳三隆安装检修有限公司，河南 洛阳471012；2.中国石化股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳471012；3.浙江中控软件技术有限公司，杭州310053）

先进过程控制（APC）技术是流程企业综合自动化的重要组成部分，也是生产装置安全平稳运行和节能降耗增效的主要手段之一。中国石化股份有限公司洛阳分公司气分装置于2011年11月采用先进控制，开展优化工作，提升了该装置优化与节能应用的水平。

1 流程特点

气分装置主要包括液化石油气脱硫醇和气体分馏两个生产单元。原料由催化裂化装置和焦化装置分别提供，即液化石油气脱硫醇后，作为气体分馏装置的进料。气体分馏装置利用物理分离的原理，对液化石油气中各组分在同一压力下具有不同的挥发度加以分离，生产出较高纯度的丙烯、丙烷等产品。此次采用APC技术的气体分馏单元，采用脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯精馏塔、脱异丁烷塔四塔流程。

2 装置现状与控制方案

2.1 装置现状

气分装置采用CS3000集散控制系统（DCS）进行集中控制，具备实施APC的基础平台。目前采用的常规PID控制，通常是针对单输入单输出对象的单变量控制，而对于精馏塔这样具有多变量、有约束边界、强耦合的复杂对象，难以实现在大扰动和多约束条件下的品质控制，无法满足生产过程中产品质量和收率控制的要求。

目前气分装置存在以下3个控制问题：装置中一部分重要回路不能投自动，需要手动调节，存在控制不及时的问题，不能达到平稳的控制效果；装置内的干扰因素较多，各个目标互相制约，比如：T503A／B，无法通过人为操作实现最佳调优。装置内部热集成度高、耦合严重，无法通过常规控制实现单元间解耦控制。

2.2 实施范围与控制目标

实施范围包括脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯精馏塔（A／B）、丙烯精馏塔（C／D）、脱异丁烷塔及其相关部分。

气分装置APC实施后，要进一步提高气分装置的自动化水平、抗干扰能力和关键工艺参数的平稳率，并在确保装置安全平稳的前提下，优化分馏塔的操作，提高目标产品的切割精度，提高高价位产品（丙烯）拔出率，降低装置能耗和操作人员劳动强度，提高劳动生产率。具体建设目标如下：

稳定装置的操作，要求关键控制变量的标准偏差比之前降低30%以上；符合所有工艺和安全的约束条件；提高装置的自动控制水平，降低劳动强度，在正常生产条件下，控制器的在线投用率达90%以上；实现产品质量的卡边控制，丙烯收率提高0.5%；提高丙烯拔出率，获得最大的产量；装置总能耗降低0.3%，最大程度地提高能量利用效率。

2.3 技术路线

该项目采用了具有良好鲁棒性的多变量预测控制软件DMC plus，其可以在较宽的范围内，适应由各种干扰和不确定因素所引起的控制器模型与装置实际模型之间的误差。同时还具有产品价值优化功能，可以实现装置经济效益的优化目标。DMC plus控制器设计了多个子控制器。子控制器将大型单一控制器分割为逻辑过程部分，可以同时从控制器中开启或者关闭一组有关的操作变量和被控变量。子控制器可以让操作更简单，但又不会改变控制器内在的总体协调优化的真正结构。因此，APC系统将装置的经济目标通过大控制器统筹考虑和优化，再将实现经济目标的调节手段分解给子控制器来实现。

控制产品质量是装置优化控制的基础，只有在产品质量合格的前提下，才能追求产品的产量最大和生产的消耗最小。在产品的质量控制中，实时在线质量分析数据是十分重要的。

2.4 总体结构

气分装置的APC系统包括脱丙烷塔控制器、脱乙烷塔控制器、丙烯精馏塔（A／B）控制器、丙烯精馏塔（C／D）控制器及脱异丁烷塔控制器。各控制器相互独立，又有一定的内在联系，共同保证了装置生产的稳定运行。

同时，通过丙烯精馏塔塔顶在线分析仪表，以丙烯纯度为控制目标之一，融合于APC系统中，指导气分装置的日常生产与优化，实现“卡边控制”，提高丙烯产品的收率，降低装置生产能耗，实现良好的经济价值。总体结构如图1所示。

图1 先进控制系统总体框架示意

2.5 软硬件平台

气分装置APC系统通过OPC Server与CS3000系统进行双向数据通信，在APC服务器上实现控制器运行，在CS3000系统平台上实现现场数据采集和具体调节，共同实现气分装置平稳控制和“卡边”优化。APC软件运行在APC服务器上，APC服务器操作系统采用Windows 2003Sever SP2。APC软件为AspenTech的DMC Plus多变量预测控制系统，其主要包括：AspenTech DMC Plus，AspenTech IQ，CIMIO for OPC等组件。

3 APC系统方案实施

3.1 控制器设计

从统一整体考虑，通过物料平衡和能量平衡两大方面实现控制策略：

1）物料平衡。引入脱丙烷塔进料作为主要前馈变量，充分发挥脱丙烷塔、脱乙烷塔、丙烯精馏塔（A／B）、丙烯精馏塔（C／D）和脱异丁烷塔塔底液位及相关缓冲罐的缓冲作用，实现5塔之间物料传递平衡，继而实现整个气分装置物料平衡。

2）能量平衡。能量平衡主要体现在冷热媒部分，策略实现也主要包括两方面：对于单个精馏塔而言，实现提馏段与精馏段之间供热和取热平衡，保证该塔内部组分分布；对于单元间供热和取热而言，特别是塔顶取热系统（主要是循环冷却水），实现供热介质或取热介质平衡过渡，消除由于单元间某一股介质调整幅度大对整个单元的影响，实现整个供热或取热系统内部变量的解耦。

3.2 基础控制的完善

对APC涉及的变送器、调节阀重新进行校验，并重新整定相关回路的PID参数。更新在线分析仪，便于实现控制器对产品质量的控制。

一些参与APC的测量值无法满足APC的要求，项目组利用DCS的滤波器模块对测量值进行滤波处理，改善先进控制器的实施条件。

3.3 安全策略

1）中间点的建立。为实现APC和优化系统与常规控制之间的切换，需要在DCS中建立中间位号。这些中间位号包括：DCS通信保护程序相关位号，控制器开关、报警位号，APC和优化系统位号。

2）通信监控程序。为保障系统安全，在APC上位机和DCS之间的通信中断、APC上位机发生死机等异常状况时，需要切除APC和优化系统，并给出报警提示便于操作人员进行处理。这些功能是通过在DCS上建立通信监控程序来实现的。

3）安全切换程序。安全切换程序包括控制器安全的投运和摘除、设定值和操作变量的上下限保护与报警。安全切换程序的主要目的是实现APC系统与常规控制系统的切换工作。为了让APC系统具有良好的灵活性，APC系统每一回路均可以自由切换。

3.4 建立APC界面

为满足APC操作的需要，对DCS进行在线下装，组态了APC的操作画面、切换和保护逻辑，在满足APC控制器操作和装置安全需求的同时，也考虑到操作人员的使用习惯，并且尽量减少DCS控制站的工作负荷和ACG数据传输的负荷，使DCS既能充分满足APC的要求，又能保证装置的安全稳定运行。

4 运行效果

4.1 提升控制品质

该项目实施之后，主要工艺参数的控制效果得到明显改善，实现了平稳控制，达到了预期控制效果，各精馏塔关键工艺指标数据比APC投运前有了较大程度的改善，波动幅度减小。现选取具有代表性的回路进行比较，如图2～图5所示。

图2 脱乙烷塔塔底温度

图3 丙烯精馏塔（A／B）塔顶回流罐液位

图4 丙烯精馏塔（C／D）丙烯体积分数

图5 丙烯精馏塔（C／D）塔顶回流罐液位

4.2 效益估算

气分装置APC投用以后，对气分装置操作参数、指标逐步进行优化，实现节能和质量的卡边操作，提高了丙烯产量，降低了丙烷中丙烯体积分数，最终达到实现装置效益最大化的目的。

4.2.1 装置能耗分析

气分装置从2012年4月APC投入运行之后，经过近半年的运行、优化，装置平均能耗降低见表1所列，节能效果明显。

表1 气分装置能耗数据 kJ／t

4.2.2 经济效益分析

投用APC后，通过质量“卡边”操作，指标得到优化，降低了丙烯塔塔底丙烯携带量，2012年与2013年1～4月同期对比见表2所列，丙烷中丙烯体积分数由0.420%降至0.056%。

表2 气分装置2012年与2013年1～4月丙烷中丙烯体积分数对比 %

按目前产量计算，月可多产丙烯约15.5t，如果丙烯按9 000元／t、原料液化石油气按平均价6 000元／t计算，则每月可多创效益约4.65万元。

5 结束语

该公司气分装置APC系统各单元控制器已经投入连续运行，明显降低了操作人员的劳动强度，可以实现丙烯质量的卡边操作，降低丙烷中的丙烯体积分数和装置能耗，并提高了丙烯产量和装置的综合经济效益。

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