柴油加氢改质装置反冲洗过程优化控制

刘会平，陈郇，李大字

(1. 中国寰球工程有限责任公司 东南亚地区管理公司，新加坡 416202；2. 北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029)

加氢改质装置是石油化工行业常见的重要的二次加工装置，通过在一定条件下的加氢技术来深度提升油品质量[1]。为减少系统中重质成分在管道内的积聚，以防管路阻塞，实现对管道的定期冲洗，自动反冲洗过程是其中的重要环节，该环节采用过滤后的清洁油品冲洗过滤器和排污油罐。但投运后自动反冲洗频率高，造成该过程中由于原料油的流量突然变化使得原料油缓冲罐液位发生很大的波动，会对整个装置都有很大的影响[2]。为了解决该问题，一种方法是使用前馈串级回路，通过控制原料油进料量以提前调节原料油缓冲罐液位，虽然该方法能有较强的抗干扰能力，但使得系统的响应变得较慢[3]。另一种方法是采用自抗扰控制，该方法拥有很强的抗干扰能力与快速的响应时间，所以本文将该控制算法应用在原料油缓冲罐液位的控制中，以获得更好的控制性能。

1 问题描述

本文以某公司柴油加氢改质装置为研究对象，原料油缓冲罐控制回路如图1所示。自上游而来的原料油需经过自动反冲洗过滤器过滤，再经换热器(E213，E211)冷却后，进入原料缓冲罐(D101)。当流入过滤器的原料油进出口两端差压(PISA202)达到设定值时自动启动反冲洗操作。在对D101罐进行反冲洗时，由于冲洗介质为原料油，原料油进口流量的突然变化，造成D101罐液位(LIC601)波动较大，其波动范围为55%～65%，同时造成罐顶压力(PIC601)和E211温度(TIC101)等控制回路的波动，给后续流程造成影响。

图1 原料油缓冲罐控制示意

2 自抗扰控制

自抗扰控制算法自提出以来已经在许多实际过程中得到应用与验证[4-5]，该算法在继承传统PID对模型无依赖的优势外，还具有较强的抗干扰能力。本文将其应用在液位LIC601的控制中，使得原料油缓冲罐环境变化对周围回路的影响降到最小。该算法最早由韩京清教授提出[6]，最初提出时为非线性形式，虽然具有很好的控制性能，但由于参数众多，在实际应用中较难推广。高志强在该基础上提出线性自抗扰控制算法，并提出带宽参数化的调参方法[7-8]，使得自抗扰控制在实际生产中获得进一步的推广应用[9]。

线性自抗扰控制器主要包含“扩张状态观测器”和“线性状态误差反馈”两个部分，其中“扩张状态观测器”主要实时估计系统的各个状态与异于标准型的“总扰动”，进而通过“线性状态误差反馈”对估计出来的“总扰动”进行实时补偿以获得期望的控制性能。线性自抗扰控制器结构如图2所示。

图2 线性自抗扰控制器结构示意

图2中，r(t)为给定值信号；u(t)为控制信号；y(t)为被控对象的输出信号；z1，z2， …zn为扩张状态观测器所估计的系统状态；zn+1为扩张状态观测器所估计的系统总扰动；b0为被控对象增益的估计值；ω(t)为外界扰动；u0(t)为误差反馈控制量。

一阶自抗扰控制器的控制作用u0一般选择比例作用，如式(1)所示：

(1)

3 方案改进

LIC601的稳定与否，对整个反冲洗过程的顺利运行有至关重要的作用。提出的改进方法是根据LIC601波动曲线，基于自抗扰控制的串级及流量补偿控制方案。改进方案如下：

1)增加原料油进料量控制器FIC101与LIC601构成自抗扰的串级前馈控制回路。

2)当PISA202达到设定差压时，反冲洗开始，在串级控制的基础上增加一个可自由给定的原料油进料量，当反冲洗结束时，该增加量自动终止，使反冲洗过程中LIC601回路中控制阀提前调节，减少液位波动，同时减少反冲洗对原料罐周边回路的影响。

改进后控制方案如图3所示。

图3 原料油缓冲罐改进后控制方案示意

由图3可知，计算补偿模块实现上述基于自抗扰控制的串级及流量补偿控制方案，该方案在DCS中实现。

4 方案验证

将该改进方案在D101罐的液位控制中实现，罐液位h、E211出口温度θ改进前后控制性能对比见表1所列，控制效果对比如图4所示。

表1 改进方案与单回路PID控制方案控制性能对比

从表1可以明显看出，改进方案相比于单回路PID控制方案，液位和温度等值的波动更小，抗干扰的能力得到了很大的提升，这一点也可以在图4中的对比得以验证。

图4 改进方案与单回路PID控制方案控制效果对比示意

从图4可以看出，D101罐的液位LIC601与E211出口温度TIC101的实际测量值在PID控制时具有周期性的大波动，控制效果不理想。在采用了改进方案之后，在干扰下可以很快地跟踪新的设定值，并且没有超调，波动也相对较小。显示了其对设定值变化时的跟踪能力很好，相比于原系统中的大超调与长时间相比，抗扰性能大幅提升。

5 结束语

本文针对加氢改质装置中原料油缓冲罐液位的控制问题进行优化，将单回路控制方案改为串级加前馈方案，并通过加入线性自抗扰控制器，使得原料油缓冲罐液位能快速跟踪设定值，同时也有很强的抗干扰能力，相比于单回路PID控制方法，在控制性能上有了较大的提升。