中国石化先进过程控制应用现状

赵恒平

（石化盈科信息技术有限责任公司上海分公司，上海 200120）

随着原油价格不断攀升、原油的质量大幅度降低，石化企业的加工成本越来越高，这使得石化企业不得不以节能降耗为着力点，努力提高装置的生产效益。先进过程控制（advanced process control，简称“APC”或“先进控制”）直接对生产装置实施优化控制，把效益目标直接落实到阀门，是装置进一步挖潜增效的有效手段；APC能够解决常规PID控制无法解决的延迟、耦合等问题，使装置操作更加平稳，并在此基础上实现装置的卡边操作，提高高附加值产品收率，降低装置能耗。

中国石化十多年的APC推广应用经验表明，APC不仅提高了装置的控制能力和管理水平，提升了企业的竞争能力，推动了工厂的科技进步，而且还为企业创造了可观的经济效益。

1 APC技术及国内外发展应用现状

1.1 APC技术介绍

传统的PID控制系统对于一般的工业生产过程基本上都能满足控制要求，再加上这种控制方式比较简单，也容易操作，所以受到工业界的普遍欢迎；但是，随着工业生产过程规模的扩大和复杂性的增加，对产品质量和过程被控变量的波动范围要求越来越严格，特别是对于那些与工业企业经济效益密切相关的工业生产过程，简单的PID控制系统已远远不能适应。具体表现在：①PID控制系统波动较大，难以实现卡边控制；②简单的PID控制方法不能实现多变量协调控制。

自20世纪60年代发展起来的现代控制理论，在航空航天领域取得了较好的应用以后，人们一直寻求各种现代控制算法，企图能在复杂的工业生产过程控制中应用。经过三十多年的努力，首先是基于模型的预测控制方法，由过程控制界的两位开拓者，法国的Richalet[1]和美国的Culter[2]在1980年前后提出，并在复杂的工业生产过程中取得成功应用，从而形成了先进控制在工业生产过程中应用的新 时代。

先进控制技术是指一类在动态环境中基于生产实践模型，尤其是动态数学模型的控制策略，借助计算机的计算能力将工艺生产协调控制在一个最佳状态的技术；先进控制技术是在常规控制的基础上，采用先进的建模、多变量预估控制、软测量技术[3]等手段，对装置或工艺单元进行多变量协调优化控制。通过实施先进控制，为操作人员提供一个方便的工具，承担大多数常规操作任务（相当于一个优秀的操作员全天24h工作），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，从而实现生产装置的卡边控制，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、减少环境污染等目的。

1.2 国内外发展应用现状

1.2.1 国外发展应用现状

国外著名石化企业先进控制系统在生产装置上已经普遍应用，在美国、西欧、日本等发达国家超过半数以上的生产装置都实施了先进控制技术，美国90%的重点装置已经普及了先进控制。目前，企业应用重点已经从装置优化转向炼厂整体优化，部分企业已经实现与供应链系统集成。

（1）ExxonMobil广泛采用先进控制技术，已在炼油、石化等众多装置上实施了先进控制项目，通过技术转移，ExxonMobil已建立了自己的先进控制工程实施队伍及先进控制系统应用维护队伍。

（2）Dow化学公司在全球15套乙烯装置上实施了先进控制与实时优化，在减少装置波动，提高目的产品收率以及节能降耗方面，4年内累计所产生的经济效益高达1.75亿美元。

（3）Chevron在所属的8个炼油厂主要装置实施了先进控制系统，并在系统维护方面采用了智能化自动测试软件工具，应用于控制器维护。

（4）BP广泛实施了先进控制系统，包括乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PX、PTA等装置。

1.2.2 国内发展应用现状

对于国内的大型石化企业，先进控制技术与产品都有了普遍应用，但应用规模各不相同。目前多数用于炼油装置，近年来，由于产品与技术的发展，先进控制在化工装置开始应用，并取得了较好的应用效果；今后一段时间内，化工装置（例如乙烯、聚乙烯、聚丙烯等）的先进控制系统应用仍是一个重点。随着先进控制系统应用普及，生产装置区域优化、实时优化生产系统管控一体化将成为其应用的发展趋势。

在先进控制系统项目的实施方面，大型石化公司已经开始根据企业的信息化发展规划进行统一规划，坚持效益优先的原则，首先在炼化主体装置实施先进控制系统，并开始实施区域优化，取得了显著的效果。

（1）中国石化作为国内引进先进控制技术较早的企业，从20世纪90年代初就开始在炼油装置上进行先进控制应用的试点工作，截至2014年5月，已经立项建设APC项目200多套，取得了较好的经济效益和社会效益。

（2）中国石油已在40多套生产装置实施先进控制，中海油也在惠州炼化公司重整、焦化、加氢裂化、乙烯等多套炼化装置应用了先进控制技术，均取得了很好的效益。

部分大型石化公司已经建立先进控制技术维护中心，通过先进控制维护管理平台，统一对本公司的先进控制系统进行维护。这种系统维护模式已经初见成效，将成为今后我国先进控制系统运行维护的发展趋势。

2 中国石化APC建设与应用情况

中国石化APC技术推广应用工作是由总部统一规划的，项目实施采用了先试点后推广的方法。从1996年开始进行APC项目的首批试点工作，包含常减压、催化裂化、聚丙烯等12套装置。试点成功后，在中国石化总部统一组织和领导下，进行了较大规模的推广应用；特别是2012年以来，按照集团公司党组领导关于“信息化要在提高生产运营效率、经济效益，促进安全环保、节能减排上发挥作用，进一步提高信息化投资回报”的要求，中国石化进一步加强了APC建设管理，强化了APC应用的考核和运维支持，APC在质量控制、挖潜增效、节能降耗等方面取得了明显的效果。

2.1 建设与应用情况

截止到2014年5月，在中国石化APC立项建设的二百多套装置中，其中的135套（其中炼油装置78套，化工装置57套）实现了在线实时监控 运行。

中国石化APC应用主要集中在常减压（16套）、催化裂化（26套）、延迟焦化（20套）、重整（18套）、加氢（裂化9套，处理3套，精制9套）、气体（22套）、芳烃（12套）、PP（20套）、PE（12套）、PTA（7套）、乙烯（7套）等16类装置。

近几年，对于部分新建炼化企业，一旦装置开工运行正常后，就开始在常减压、催化裂化、延迟焦化、连续重整等主要装置上实施APC技术，一次性实现全厂主要生产装置的APC全覆盖。

2.2 应用效果

炼化企业生产装置实施APC技术，效果非常明显，主要表现在以下几个方面。

（1）提高了装置平稳率，减轻了操作人员的劳动强度。APC的应用使装置的运行参数保持平稳，减小了操作波动，提高了装置平稳率。炼油装置主要被控工艺参数的平均方差降低了20%以上，化工装置主要被控工艺参数的平均方差降低了15%以上；APC根据设定目标值或范围实时自动调节多个相关参数，改变了以前人工单回路调节的装置操作模式，减轻了操作人员的劳动强度，统一了操作方法，减少了人工调节所带来的干扰。

（2）实现了卡边控制，提高了高价值产品收率。APC不仅使装置运行更加平稳，并且可以实现实时卡边控制，以提高高价值产品收率。统计数据表明，APC投用后，常减压、催化裂化、延迟焦化、连续重整、加氢裂化、气分等装置主要产品的收率可提高0.25%以上。如某延迟焦化装置APC投用后，通过质量卡边操作，轻油收率提高1.48%，年增经济效益1399万元。

（3）降低了单位增加值能耗，节能降耗效果明显。APC综合考虑加热炉的各种工艺约束和设备限制，平衡加热炉各支路流量和温度等，从而降低燃气消耗和排烟温度，提高能源使用效率。统计数据表明，APC投用后，装置能耗降低0.25%以上；加氢精制、硫黄回收、酸性水处理、制氢等环保（辅助）装置能耗降低0.5%以上。如某连续重整装置APC投用后，瓦斯的月平均单耗下降了1.3739kg/t原料，年创经济效益445万元。

根据中国石化已验收APC项目的效益统计，炼油装置平均每套年效益571.5万元，化工装置每套平均年效益366.7万元，135套装置每年约创效益5亿多元，具体见图1。

图1 中国石化炼化装置APC实施效益分析

2.3 系统运行与维护

为加强APC系统现场运行状态的跟踪考核，中国石化组织起草了《中国石化先进控制（APC）应用管理办法》、《中国石化先进控制（APC）应用评价办法》，落实各级管理、维护及使用人员的职责，建立了月度运维考核机制，形成了中国石化APC系统运行维护管理体系（图2）；并依托石化盈科信息技术有限责任公司上海分公司（以下简称“石化盈科上海分公司”）成立了中国石化APC技术支持中心，对已上线的APC系统进行维护和技术支持。

图2 中国石化APC系统运行维护管理体系

图3 中国石化APC运行监控系统

为了更好地对APC建设和应用情况进行跟踪检查和监督管理，2011年中国石化APC技术支持 中心开发了“中国石化APC运行监控系统”，通过该系统可实时监控各APC系统在线运行情况，按月评价各下属企业APC应用水平，发布中国石化APC应用和维护管理进展情况，并提供在线技术交流和技术支持。实时监控页面见图3。

伴随着APC运维管理体系的不断完善，近三年，各企业普遍增强了APC应用工作的重视程度，加强了APC应用考核力度，借助APC监控平台及时发现并解决APC运行中出现的问题，不断提高APC的应用水平，各类装置控制器投用率均在90%以上，具体见图4。

2.4 技术培训

图4 中国石化APC投用率

APC技术是一项专业性、技术性很强的跨学科综合性技术，为保证APC项目的成功并持续获得效 益，需要对各级领导、项目开发人员、维护人员及操作人员进行APC技术培训。目前中国石化已形成完整的APC培训体系（图5），从3个层次培养企业APC开发、应用、运维技术人员，已累计培训企业人员近千人。

通过理论基础、工程技术以及运维技术培训，使项目开发人员及维护人员明白APC控制机理、实施策略和APC系统的使用与维护方法，基本上可以解决日常生产运行过程中APC出现的简单问题；通过操作培训，使操作人员能够熟练地掌握和应用先进控制，充分发挥APC的效果。

3 中国石化APC应用经验

不同于其他信息化系统，APC系统建设与应用水平不仅受制于现场工艺、仪表条件，而且与领导重视程度、维护使用人员能力息息相关，导致系统建设与应用困难重重。

中国石化坚持推广应用APC系统应用已经十几年，历经坎坷，目前基本上得到了各级领导、装置工艺和操作人员的认可，并且大多数装置效益非常明显。总结起来，成功的经验主要有以下几个方面。

图5 中国石化APC技术培训体系

（1）领导重视、组织落实。为全面提升中国石化生产装置APC系统的建设和应用水平，在总部层面上，在APC领导小组的统一领导下，组建了以炼油事业部、化工事业部为APC应用管理牵头部门，以信息系统管理部为项目立项、建设等综合管理部门，中国石化APC技术支持中心具体负责项目实施、日常技术支持和服务工作；在企业层面上，各企业均成立了APC应用领导小组和工作小组，结合本单位实际情况制定了APC应用管理考核办法，负责APC项目的实施、跟踪、考核及日常运行维护等工作企业负责日常运行和维护。

（2）总体规划、分步实施，稳步推广应用APC。结合多年的APC的建设经验和APC具有优化装置操作，获取最大经济效益的特点，中国石化采取了“总体规划、分步实施、效益优先、成批推广”的建设原则，并按照“装置三年无大改造、现场基础条件好、企业重视、人员到位”的标准选择实施装置，以确保保项目的顺利实施，并发挥应有的作用。

（3）建立稳定的APC实施队伍。中国石化APC系统建设由石化盈科上海分公司负责。石化盈科上海分公司从2004年起组建APC项目部专门负责先进控制的实施、新技术推广、人员培训、运行监控与现场维护等技术支持与服务工作。经过十几年的发展，石化盈科上海分公司形成了一支国内规模最大的APC项目实施专业技术队伍，拥有了一批深入了解中国石化APC系统的专业技术人员，具有丰富的APC项目设计、实施和运维经验。

（4）持续关注及总结。中国石化在APC系统项目建设与应用实践过程中，持续不断地分析实施和应用APC系统的成功经验，并总结APC系统性能下降的原因，形成并不断充实应用APC知识库，提炼总结APC系统应用关键要素。目前中国石化通过持续关注及总结，已提炼出建好和用好APC系统 的五大关键要素，即实施条件、控制技术、实施方法、岗位与考核、长期维护机制。

（5）重视APC系统运行维护。为确保APC系统的性能优化和长期运行，中国石化依托石化盈科上海分公司成立了APC系统运维技术支持中心，负责中国石化APC系统运行维护工作，并开发APC监控软件对系统投用情况进行实时监视，确保投入运行的APC系统都纳入中国石化总部监控。运维技术支持中心依据监控情况及时提供技术支持，保证APC系统的正常运行，并依据故障情况提供高效有序的系统维护服务。

4 结 语

国内外的成功经验和中国石化二十多年来APC建设的实践充分说明了实施APC是大幅提高炼油化工装置控制水平的必然选择，是用先进信息技术改造和提升传统产业的重要手段，是炼油化工企业提高生产力水平的有效途径。

当前，智能工厂被列为中国石化信息化四大示范工程之一，在智能工厂试点建设方案中，APC是智能工厂的重要建设内容，是炼化企业提高盈利能力的重要手段。未来三年，中国石化将会围绕智能化工厂建设，在巩固已有APC建设的基础上，加快炼化企业APC建设推进步伐，以实现多数炼化企业的主要生产装置实现APC控制。伴随着三年规划的实施，未来中国石化的APC建设和应用工作必将迈向一个新的阶段，再创APC建设和应用的辉煌。

[1] Richalet J，Rault A，Testud J L，et al. Model predictive heuristic control：Application to industrial processes[J].Automatica，1978，14（5）：413-428.

[2] Culter C R，Ramaker B L. Dynamic matrix control——A computer control algorithm[C]//Proc.JACC. San Francisco，1980.

[3] 俞金寿，刘爱伦，张克进. 软测量技术及其在石油化工中的应用[M]. 北京：化学工业出版社，2000.