先进控制技术推进炼化公司化工生产节能增效

唐娟

摘要：近年来，石化企业在能源消耗和能效水平方面面临巨大压力，先进控制与优化技术作为一项节能降耗技术措施，已在兰州石化化工生产过程中成功应用，在节能增效中发挥了重要的作用。本文首先简要介绍了先进控制实现节能增效的技术基础，包括软测量技术、多变量预测控制、先进控制与常规控制的综合与集成。随后详细论述了先进控制与优化技术在丙烯腈、芳烃抽提、乙烯、聚丙烯等重点装置为代表的化工生产过程中推动节能增效的典型应用。

关键词：先进控制；节能；化工过程

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0204-03

Advanced Control Technology to Promote Energy Conservation of Chemical Production For Refining & Chemical Company

TANG Juan

（Lanzhou Research Institute of Petrochemical Industries Co， Lanzhou 730060， China）

Abstract： In recent years， facing tremendous pressure in the energy consumption and energy efficiency levels for the petrochemical plants， advanced control and optimization technology as an energy saving technology measures has been successfully applied in Lanzhou petrochemical chemical production process， which play an important role in the energy saving and efficiency. First， this paper introduces the technological base to realize energy saving and efficiency， including soft measurement technology， multi variable predictive control， and advanced control and conventional controls Synthesis and integration. And then ， it discusses in detail the typical application of advanced control and optimization technology in the process of chemical production， focusing on Acrylonitrile Unit， Aromatics Unit， Ethylene Unit， and Polypropylene Unit.

Key words： advanced control technology； energy conservation； chemical production

1 概述

国家“十二五”规划提出了节能减排的目标和要求，石油石化等高耗能行业企业到2015年末完成单位GDP工业增加值能耗分别比2010年下降18%，主要污染物排放总量减少10%的目标。规划明确提出石油化工行业节能途径与措施：全面推广大型乙烯裂解炉等技术；重点推广裂解炉空气预热、优化换热流程、优化中段回流取热比、中低温余热利用、渗透汽化膜分离、气分装置深度热联合、高效加热炉、高效换热器等技术和装备；示范推广透平压缩机组优化控制技术、燃气轮机和裂解炉集成技术等；研发推广乙烯裂解炉温度与负荷先进控制技术、C2加氢反应过程优化运行技术等。针对乙烯、芳烃、合成材料及单体等石油化工行业重点产品提出了指导性节能措施。

石油化工行业面临严峻的节能减排形势，“十二五”是实现节能减排约束性目标的关键时期。石油化工行业节能减排工作开展需全方面行动，加强能源管理，开发节能生产工艺、节能设备与技术评价、能源管控人才培养等方面同时进行，实现石化工业的可持续发展。除节能管理措施外，节能减排技术的突破是石油化工行业降低能耗的关键。近年来，随着某兰州石化公司“十一五”、“十二五”信息化发展规划的建设与实施，先进控制与优化、能源管理系统（EMS）、流程模拟及生产全过程评估、排产系统等信息化技术在化工过程节能降耗中得到广泛应用。先进控制与优化技术在多套重点装置的成功实施在促进化工生产过程节能增效中发挥了重要的作用。国外先进的石油化工企业已经走在该领域的前沿，应用实践表明先进控制技术应用广泛、运行水平良好、投用率高、效果明显、投资回报率高，是实现节能降耗、减排增效的良好技术手段。

2 先进控制实现节能增效的技术基础

2.1软测量技术简介

软测量技术基本思想是把自动控制理论与生产工艺过程有机结合起来，应用特定的计算机技术，针对一些难以测量或暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件（传感器）功能，它的核心技术是建模。这类方法具有响应迅速，连续给出主导变量信息，且具有投资低、维护保养简单等优点。现阶段工业过程的软测量实现流程主要包括：辅助变量的选择、过程数据的预处理、软测量的建模和模型的校正。

2.2预测控制技术

预测控制有三个基本特征：模型预测、反馈校正、滚动优化。预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出。状态方程、传递函数这类传统的模型都可以作为预测模型。对于线性稳定对象，甚至阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型也可直接作为模型使用。此外，非线性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可以在这类系统进行预测控制时作为预测模型使用。

反馈校正的形式是多样的，不论采取何种修正形式，模型预测控制都把优化建立在系统实际的基础上，并力图在优化时对系统未来的动态行为做出较准确的预测。因此，模型预测控制中的优化不仅基于模型，而且构成了闭环优化。为了在模型失配中时有效地消除静差，可以在模型预测值的基础上附加一个误差项。在预测控制中使用一种反馈修正法，即闭环预测。

预测控制中的优化是一种有限时段的滚动优化。在每一采样时刻，优化性能指标只涉及从该时刻起未来有限的时间，而到下一采样时刻，这一优化时段同时向前推进。因此，预测控制不是用一个对全局相同的优化性能指标，而是在每一时刻有一个相对于该时刻的优化性能指标。不同时刻优化性能指标的相对形式是相同的，但其绝对形式，即所包含的时间区域是不同的。因此，在预测控制中，优化不是一次离线进行，而是反复在线进行，这就是滚动优化的含义。

2.3先进控制与常规控制的集成

1）软硬件平台

先进控制系统一般建立在集散控制系统（DCS）之上实施，采用先进控制上位机方式实现。多变量控制系统的输入输出变量可分为被控变量、操纵变量和干扰变量，先进控制上位机选用可24小时运行的服务器，为先进控制提供相关运算运行环境，具体操作在DCS中实现。先进控制硬件系统由先控服务器和工程师站两台上位机、网络交换机、DCS应用站下位机构成。上位机通过网络交换机与DCS应用站连接在以太网上，由于上位机与下位机通过OPC标准协议建立了数据传送的物理链接，先进控制系统与DCS控制站实现了数据传送的物理链接。根据各装置生产工艺特点，选用合适的先进控制软件平台。

2）先进控制与集散控制（DCS）无扰切换

先进控制器通常运行在上位机上，其输出的操作变量为DCS上PID回路的设定值。在常规控制时，PID回路由操作人员手工设定。APC控制器的输出作为PID基本回路设定值的前提是当前调节回路处在先控运行状态，这样就存在先控运行模式和常规运行模式两种运行模式之间的无扰切换问题。先进控制操作界面、逻辑切换及有关保护程序在DCS中实现，即保证了先控系统运行时生产装置的安全，同时又满足了操作人员的操作习惯。根据生产装置对先进控制系统的安全要求，在DCS中建点并实现安全切换程序。

3 先进控制技术在炼化公司化工生产中的典型应用

目前，先进控制与优化技术已经在兰州石化公司生产过程中的11单元、500万吨/年常减压、550万吨/年常减压、300万吨/年重催、烷基化、连续重整、延迟焦化等装置，以及化工生产过程的苯乙烯装置、40万吨/年芳烃抽提装置、乙烯裂解炉、丙烯腈装置、聚丙烯装置和丁二烯装置等重点装置得到成功应用，为炼化行业带来了显著的经济效益和社会效益。下面是着重论述先进控制技术作为工业节能新技术在兰州石化石化公司化工生产过程中的典型应用情况。

3.1先进控制技术在丙腈烯装置中的应用

兰州石化公司丙烯腈装置采用美国索荷俄公司丙烯氨氧化专利技术，将丙烯、氨和空气按一定比例在钼系催化剂作用和一定温度、压力条件下在流化床反应器中进行氧化反应得到主产物丙烯腈及副产物乙腈、氢氰酸等。装置采用丙烯、氨、空气为原料，在硫化床反应器中通过催化剂制得丙烯腈，装置生产能力为3.12万吨/年，装置分合成、分离、后处理、乙腈四个工序。

针对丙烯腈反应器控制情况和用户的需求，设计反应器温度和进料量先进控制的方案。反应温度的主要控制手段是26组撤热水，微调（反应温度小于5℃）可以通过丙烯进料量实现。广义预测控制（GPC）的被控制变量为反应温度，GPC的控制量为丙烯进料量的调整值，这个调整值与丙烯进料量的设定值（车间生产任务决定）相加作为实际的丙烯进料PID回路设定值，通过微量的丙烯流量变化达到调整反应温度的效果。通过对反应器运行机理及历史数据分析，建立了反应温度、丙烯进量、氨进量、空气进量、反应压力及饱和蒸汽压力的GPC控制，将反应温度控制在0.5℃之内，平稳操作，提高丙烯腈的收率。对丙烯腈装置流化床催化反应器进行操作优化，考虑到丙烯腈流化床反应器的复杂性，在项目实施过程中采用了基于多元逐步回归分析的在线优化。建立丙烯腈产量的Hammerstein模型，再计算满足各种约束条件的反应器优化操作参数。

根据项目验收标定数据，在常规操作时温度运行方差为0.08，温度最大波动1.15℃；在GPC控制时温度运行方差为0.01，温度最大波动0.4℃。两组运行数据比较，反应温度方差减少了88.2%。在一定的反应器负荷下，在线优化方法，计算出相应的优化操作参数，调整反应器操作参数的设定值，从而改善反应器的操作条件，能够自动跟踪反应器负荷、工艺条件和环境等不确定因素，使反应器一直处于良好的工作状态，实现在线优化，使反应器工作在最优的操作条件下，达到了降低原料丙烯、氨的单耗，抑制副产物生成，降低催化剂损耗，延长催化剂寿命，提高丙烯腈收率。

3.2 先进控制技术在芳烃抽提装置中的应用

40万吨/年芳烃抽提装置是兰州石化公司大乙烯装置配套项目，采用北京金伟晖工程技术有限公司研发的SUPER-SAE-Ⅱ芳烃抽提技术。以乙烯副产裂解汽油经加氢后的加氢汽油为原料，经抽提、精馏后生产三苯。装置于2007年6月29日建成投产。由抽提单元、精馏单元、溶剂再生单元、辅助单元、蒸汽及冷凝水单元五个单元组成。

芳烃抽提装置先进控制系统建立1个大的APC-Adcon控制器来对装置进行控制。整个控制器由提单元、水循环系统、精馏单元三个部分组成，包括7个子控制器。抽提单元由抽提塔子控制器、汽提塔子控制器、回收塔子控制器构成，精馏单元针对苯塔、甲苯塔、二甲苯塔设计了3个子控制器。装置的经济目标通过多变量模型预测控制和过程参数平稳控制基础上的“卡边”优化来实现。

根据用户方提供装置标定报告，芳烃抽提装置先进控制系统使装置重要运行参数运行方差减小40%以上；主要产品（苯、甲苯及混合碳八芳烃）产率由投用先控前的98.7%提高到目前的99.03%，提高了0.33%；装置综合能耗下降0.76kgEO/t加氢汽油，降低了能源消耗量；溶剂消耗量降低1%以上。

3.3 先进控制技术在乙烯装置裂解炉中的应用

46万吨/年乙烯装置裂解炉采用KBR和ExxonMobil共同开发的SC-1型管式裂解炉。可以加工处理石脑油、加氢尾油、LPG、丙烷、循环乙烷/丙烷等五种原料。裂解炉的工艺流程可分为原料预热、对流段、辐射段、高温裂解气急冷和热量回收等几个部分。

乙烯裂解炉先进控制系统以模型预测控制为技术手段，为每台裂解炉设计了一个平均COT温度控制器，一个裂解炉管出口温度平衡控制器及总进料流量提、降量控制器。

整个5台裂解炉先进控制系统正式投入运行后，经生产装置连续运行考验，控制系统反映出良好的动态和稳态性能，改善了裂解炉的运行状态，提高了控制品质，大幅度降低了操作人员的劳动强度。根据装置连续运行的结果，通过对比先控投用前后的标定数据，取得如下控制效果：平均COT温度波动幅度由投用前的士5℃左右下降到士1℃，大干扰时，由原来的土10℃下降到±3℃以内；管间温差由原来的6℃左右下降到2℃以内，温度的波动小了，超高温现象减少。

3.4 先进控制技术在聚丙烯装置中的应用

30万吨/年聚丙烯装置采用意大利Basell公司的Spheripol-Ⅱ代聚丙烯工艺技术，2006年10月建成投产。装置设计生产能力为30万吨/年聚丙烯颗粒，年操作8000小时，可生产均聚物（56个牌号）、无规共聚物（21个牌号）、抗冲共聚物（26个牌号）共103个产品牌号，产品用途覆盖面广，技术指标先进。

先进控制系统采用多层次结构。由软测量系统根据软测量机理模型，利用DCS常规控制层提供的生产过程的实时可测数据计算控制熔融指数、等规度和悬臂梁冲击强度等聚丙烯产品重要的质量指标。先进控制层根据基于机理分析的状态空间模型，利用软测量提供的质量指标以及DCS常规控制层提供的生产过程实时数据进行预测和控制，实现质量指标的闭环控制，针对200单元的R200单环管预聚合反应器和R201、R202双环管聚合反应器以及400单元气相聚合反应器实施先进控制，控制器包括反应温度、反应密度、氢气浓度、熔融指数、等规度、反应器压力、悬臂梁冲击强度、乙烯含量等16个被控变量。同时，以催化剂作为操作手段对丙烯聚合产量进行“卡边”约束优化。自动牌号切换系统通过先进控制系统和常规控制系统实现各个牌号的自动切换，聚丙烯装置重点实施T38F、T30S、T28FE等三种熔融指数相近牌号的切换控制与配方管理。

在保证产品质量前提下，稳定了反应器反应温度，减少夹套水水量，节省燃料气消耗量，起到节能节水作用。根据标定数据，R201与R202反应温度投用先进控制前后方差分别减少28%、26%，R201与R202反应密度投用先控前后方差分别减少25.7%、26.9%，R201与R202熔融指标投用先控前后方差分别减少26.6%、26.7%。产品质量指标实现闭环控制，稳定提升了产品质量，通过产量优化控制，提高了装置处理量，增加了经济效益。牌号切换过程以最优的路径平滑协调地完成切换过程，减少了牌号切换时间及过渡料，牌号切换时间减少了30%以上。

4 结论

在建设节约型社会、循环经济、绿色工厂的要求下，石化企业在节能减排方面面临巨大压力，但节能降耗也有很大潜力空间。相对节能管理措施，节能技术措施对节能目标更重要，先进控制技术作为新节能技术在节能降耗方面的作用不容忽视。先进控制技术已经在兰州石化公司化工生产过程得到广泛成功应用，先进控制保证过程参数的稳定，并达到比常规控制精度要高的技术指标，从而稳定生产、提高产品质量，而在线优化（RTO，Real Time Optimization）与MES（ManufacturingExecutionSystem）、ERP（Enterprise Resource Planning）、APS（Advanced Planning System）等信息化技术的结合应用，能够实现装置操作优化使装置长期处于最优或良好的状态，有效推动企业生产安全、自动化和信息化程度、节能减排、增产增效等目标的实现，是化工过程节能增效的加速器。

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