常减压装置先进控制性能提升与优化

苏耀东

(中国石化股份有限公司 齐鲁分公司，山东 淄博 255499)

据行业统计，目前采用先进控制(APC)的全球企业中，有25%的企业自投运后由于既缺乏深度维护，又缺乏有效的性能监控和管理，导致APC投运后很快失去初期所带来的经济效益，效益有不同程度的折损；只有10%左右的企业既有良好的维护队伍，又采用了较好的在线监控工具和先进的管理手段，不仅可以保持APC产生的经济效益，还可以得到进一步提高。如果没有有效地维护和良好的管理APC应用，APC应用所能提供的效益平均每年损失25%，部分维护不好的APC在实施3 a后几乎无法投入使用。

因此，APC在上线运行的初始阶段能发挥很好的作用，但APC依据模型控制的特性决定了随着时间的推移及装置工艺、设备等条件的变化，其控制性能会逐渐下降，取得的经济效益也会随着减少。所以，对APC的有效和深度维护，采用先进的管理手段，保持并提高APC控制性能，变得愈来愈重要。

某石化公司22套在用APC中运行10 a以上的多达10套，均处于较好的运行状态，没有因为装置工艺改造或DCS升级改造而停用。虽然在运行过程中也出现过很多问题，如生产负荷变化，部分APC参数调节无法适应；工况变化造成APC模型不匹配，控制和优化功能下降，控制器“带病”运行；现场仪表和DCS升级改造、故障造成APC暂时无法投用；部分APC系统软件版本过低造成维护不方便等。但是该公司施行全方位深化创新管理和运维，上述问题都在短时间内得到了有效解决，保证了APC的“安、稳、长、优”运行。

该公司其中的1套常减压装置为燃料-化工型蒸馏装置，加工能力为8 Mt/a，主要由换热、初馏、常压蒸馏、减压蒸馏、“一脱三注”、不凝气脱硫等组成，采用电脱盐—初馏塔—常压塔—减压塔的工艺路线[1]。常减压装置工艺流程如图1所示。

图1 常减压装置工艺流程示意

该常减压装置APC系统2014年投用，采用的是霍尼韦尔公司的Profit Suite平台。APC覆盖的流程范围包括： 初馏塔、常压炉、常压塔、减压炉、减压塔、电脱盐单元等；覆盖的过程控制范围包括： 分馏过程主要温度参数、质量指标、物料平衡控制、加热炉燃烧控制、支路平衡控制等；关键被控变量主要包括： 初馏塔顶石脑油终馏点、常压塔顶石脑油终馏点、常一线终馏点(或常一线抽出温度)、常三线95%馏程点(或常三线抽出温度)、加热炉烟气氧含量、加热炉支路温度偏差等。APC的控制目标是提高装置生产平稳性，减轻操作人员工作负荷[2-3]，实现初馏塔、常压塔主要产品关键质量指标闭环控制和卡边优化，增加高附加值产品收率，提高装置总拔出率和经济效益[4-5]；将加热炉各支路出口温度偏差控制在合理范围之内，提高加热炉热效率，降低装置能耗[6-9]。

该常减压APC系统自投用以来，明显提高了装置生产平稳性，控制器投用率一直保持在99%以上。但是随着装置检修和工艺技术改造等影响，装置运行工况较APC投用初期变化较大，部分APC控制器模型和相关参数开始出现与实际工况不符的现象，控制和优化功能下降，特别是常压塔和减压塔控制器部分控制变量在实际运行中经常处于卡限状态，控制器有效投用率降低，APC控制效果已经无法满足在该装置进一步实施在线实时优化(RTO)的要求。

该常减压装置RTO项目2020年启动，为了配合RTO的实施并提供稳定可靠的支撑平台，升级、完善、优化和提升现有常减压APC系统变得非常重要，需要将优秀操作经验注入，形成精准控制，以满足RTO建设的需求。结合APC系统运行现状和RTO项目的建设内容，该公司为常减压APC系统量身定制了优化提升内容，分别是升级系统架构、建设原油自动提降量控制器、补充完善原有控制器和优化人机操作界面等。

1 系统架构升级

该常减压装置DCS采用CS3000系统，原有控制系统架构中APC服务器是DCS的一个节点，装有OPC Server功能，该服务器不仅作为APC平台与DCS实现数据交互，也为企业网数据采集提供OPC接口服务，装置数据通过OPC协议采集到公司实时数据库。按照《中国石化工业仪表控制系统安全防护实施规定》中“独立配置的APC服务器、优化服务器与OPC服务器之间应加装工业防火墙等网络隔离设备”的要求，原APC控制系统架构已经不能满足现阶段工业控制系统安全防护标准。常减压装置原APC系统架构如图2所示。

图2 常减压装置原APC系统架构示意

为了满足该装置RTO项目需求，搭建符合控制系统安全防护标准的系统架构，优化升级原常减压APC系统架构。将原有APC服务器“一分为二”，由1台APC服务器(含OPC服务器功能)分为1台独立的APC服务器和1台独立的OPC服务器，同时在APC服务器与DCS之间加装工业防火墙进行安全隔离，常减压装置升级后的APC和RTO控制系统架构如图3所示。

图3 常减压装置升级后的APC和RTO控制系统架构示意

2 原油自动提降量控制器开发

常减压装置作为炼油厂的重要装置，承担着为下游装置供应各类优质原料的基础性作用，其平稳控制不仅有利于该装置的优化生产，而且为下游装置的平稳生产创造有利条件[10]。受生产计划及调度安排等因素影响，常减压原油加工量经常会发生变化，车间在接到调整进料量的指令后，由操作员手动将进料量调节到位。由于操作员的操作习惯及操作经验各不相同，导致进料量调节周期及下游单元联动控制效果也不尽相同。

为了提升装置应对进料量变化的抗干扰能力及自适应能力，将原油提降量变化纳入到APC系统，开发原油提降量APC控制器是非常有必要的。该控制器在实现原油自动提降量的同时，将电脱盐单元前后压力作为约束变量，优化脱前、脱后原油流量。此外，为了保证装置平稳操作，将常压塔侧线抽出量与进料量的比值作为常压塔控制器的控制目标，实现装置在提降量过程中上下游联动，提高装置操作稳定性，降低装置能耗、物耗和操作人员的劳动强度。

2.1 控制功能

根据用户需求，原油自动提降量控制器主要实现以下功能：

1)在装置正常操作情况下，通过调整操作变量中脱前原油4路分支进料的流量设定值，实现了4路分支的流量及温度平衡；通过调整脱后原油3路分支的手操器阀位，尽量保证脱后3路分支的流量及温度平衡。

2)当调度下达需要调整原油加工量指令后，通过调整脱前4路分支进料总量和各支路的流量上下限，实现装置进料量的自动调整。结合车间操作经验将脱前4路支路流量调整步幅限制在每路0.1 t/min(即总量在24 t/h)，确保各分支流量及温度的相互平衡，实现提降量过程的平稳过渡。

3)将电脱盐罐罐顶压力作为脱后3路各分支流量及温度调整的约束条件，在调整脱后3路各分支流量及温度的同时保证电脱盐罐压力处于安全范围之内。

2.2 优化方案

为了确保原油进装置压力p1控制在工艺指标范围之内，优化方案将p1报警作为脱前4路分支流量积分饱和控制的触发条件，目的是当p1出现高报报警时，脱前4路分支流量控制阀不能执行关阀操作直至报警解除；当p1出现低报报警时，脱前4路分支流量控制阀不能执行开阀操作直至报警解除。

在提高原油处理量过程中，由于脱前4路流量增加，p1会出现下降趋势，当p1达到仪表报警下限时触发分支流量积分饱和限制，APC将不再提高4路进料的流量设定值，此时需要操作人员到室外手动调整原油进装置阀开度提高p1，直至p1回到正常范围之内，APC再继续执行原油提量操作；在降低原油处理量过程中，由于脱前4路流量减少，会导致p1呈上升趋势，当p1达到仪表报警上限时，APC将不再降低脱前4路进料的流量设定值，此时需要操作人员到室外手动调整现场原油进装置阀开度降低p1，直至p1回到正常范围之内，APC再继续执行原油降量操作。

2.3 运行效果

原油自动提降量控制器投用后，实现了装置原油提降量过程的一键式操作，提高了装置平稳性和安全性，减轻了操作人员劳动强度。在提降量过程中，脱前、脱后分支流量控制平稳，常压塔各侧线调整联动及时，侧线温度调整到位时间由之前4 h缩减到1 h，且产品质量未受到负荷调整的影响，达到了预期运行效果。

3 APC控制器补充完善

3.1 常压炉和减压炉控制器

常压炉和减压炉出口温度是在线实时优化的主要目标，该次APC性能提升将炉出口温度作为被控变量(CV)分别加入到常压炉和减压炉控制器，同时优化控制回路PID参数，精确控制炉出口温度，实现优化目标的平滑传递。

在不改变热源物料量的基础上，优化配比常压炉前原油换热器组的原油分支流量，以达到提高原油换热终温、节能优化的目的，主要措施是：

1)为了保证RTO加热炉出口温度的计算结果能够平滑传递到DCS中，首先对炉出口温度的基础回路进行了PID整定，通过整定实现了精确控制，达到了偏差小于0.5 ℃的目的。

2)常压炉控制器中新增了初馏塔塔底A， B 2路分支流量比控制，目的是根据初馏塔塔底2路供热侧热负荷的不同调整2路初馏塔塔底油流量，以实现初馏塔塔底换热温度最高的目标，从而降低常压炉负荷，减少燃料气消耗。考虑到初馏塔塔底2路热端热负荷的不同，为提高换热终温，降低常压炉的燃料气消耗，根据热负荷不同分配初馏塔塔底油A， B 2路流量。该比值取自A， B 2路分支流量比，当该值为1时，A， B 2路流量相同；小于1时，为A路流量小于B路流量；大于1时，为A路流量大于B路流量。该比值设定范围局限在0.5～1.5，即A路流量最小是B路流量的0.5倍，最大为B路流量的1.5倍。

3)结合运行期间换热网络指标的变化规律，对比流量比对换热终温的影响，已经摸索出一套适合控制初馏塔塔底2路分支流量比的指标参数，一般将初馏塔塔底2路的流量比控制在0.7～0.75较好。通过优化调节，初馏塔塔底换热最高温度较优化前提高了近2 ℃，折算成燃料气消耗节省0.1 t/h，每吨燃料气按人民币2 000元来计算，可节约燃料气损耗约人民币160万元/a，经济效益显著。

3.2 常压塔控制器

常压塔是RTO系统主要优化控制对象，根据常压塔APC控制器运行现状，重新梳理更新各变量之间模型关系，将所有RTO优化变量纳入到常压塔控制器，重点优化常一线航煤和常二线柴油切割点，增产高附加值产品。

该次常压塔APC控制器新增常压塔塔底汽提蒸汽/常压塔进料量比值，常一、常二、常三线收率作为优化被控变量。通过调整常压塔汽提蒸汽流量来控制被控变量汽提蒸汽流量比，实现在原油自动提降量过程中，根据常压塔总进料量调整常压塔塔底汽提蒸汽流量，减缓自动提降量过程中带来的波动。通过调整操作变量中常一、常二、常三线抽出量，调节常一、常二、常三线收率，实现在原油提降量过程中，常压塔各侧线保证收率不变的情况下自动调整，减缓波动。

3.3 减压塔控制器

常减压RTO优化目标中，涉及到提高减压蜡油收率和装置总拔出率，为此，需要在当前常减压装置已有减压塔塔顶和进料段压力2块测量仪表的基础上，进一步添加3块测压仪表，主要是为观察判断减压塔下部结焦趋势提供数据支撑。减压塔新增压力表测量位置如图4所示，所需添加的压力测量仪表及校对仪表参数见表1所列。

表1 减压塔新增压力测量仪表

图4 减压塔新增压力表测量位置示意

与常压塔APC控制器调整提升类似，重新梳理更新减压塔控制器各变量之间模型关系，增加相关RTO优化变量，同时将进料段压力作为控制目标，实现减压塔在较低压力下增加减压拔出率。

原减压塔APC控制器的主要作用是在满足各侧线产品质量的前提下，提高减压深拔的拔出率，降低渣油收率。由于减压塔侧线产品质量控制较为宽泛，甚至存在减一线柴油和减二线蜡油并入减三线蜡油合流的情况，为此该次提升减压塔控制器的控制目标转变为优化减压塔进料段绝压，提高进料段气化量，最终实现降低渣油收率、提高装置总拔出率的目的。

3.4 改善液位控制

某分离罐工艺流程如图5所示，该分离罐的液位是比较典型的非自衡系统，存在较大的滞后环节。液位由APC系统模型控制，其中操作变量MV是FIC33031的阀位开度。该液位经常出现控制不稳定现象，尤其在极端天气时，现象尤为明显。

图5 某分离罐工艺流程示意

从分离罐出口到控制阀现场距离较远，期间先经过罐底抽出泵、过滤器和储液罐，相对于平直管线，相当于在整个系统中增加了一个滞后环节和一个储能环节(非线性)。原串级控制流量表指示为0，只能将控制阀的阀位作为控制变量，控制阀的阀位与实际流量不是线性关系，这样导致了整个控制的滞后性和非线性，尤其在极端天气，实际情况发生变化，原模型各控制参数很难找到准确的对应关系，对控制模型的精确度要求比较高。

找到问题原因后，通过增加模型增益和放开MV上下限值，来增大模型增益效果和MV步幅，同时通过降低CV闭环响应时间和闭环响应上下限来增加MV调节速度，再通过解耦控制，使控制效果得到了明显改善，解决了液位的控制不稳定性。

在过程控制中，被控对象的内在机理较为复杂，有简单的过程，有存在严重非线性的过程，也有多变量过程。有些被控对象的特性随时间或工作条件的变化而变化[2]，在控制方案的设计以及PID参数整定或者是控制器模型参数修改中，要对被控变量的动态特性做深入的理解，从机理上揭示其内在规律，尽可能获得可以描述实际工艺的数学模型，找到造成系统不稳定的原因，这样才能“对症下药”，做好深度运维。

3.5 优化操作界面

原常减压APC操作界面仅包含基本的操作信息，操作员对APC的认识只是停留在上下限范围的修改、开关的投用摘除上，对APC实际运行情况知之甚少，或知其然不知其所以然。为了提高操作员对APC的认识，掌控APC控制器的实时动态，对常减压APC人机界面展示进行了优化完善。将APC控制器所有变量之间的模型关系及实时增益展示到DCS界面，方便操作员实时掌握APC系统运行情况。

操作界面的功能完善，揭开了APC系统的神秘面纱，让班组操作人员能近距离接触APC，切实感受到APC为生产操作带来的便利，为APC的长周期运行打下坚实基础，也为今后APC提升完善提供了借鉴。

3.5.1 增加模型关系及增益展示

将变量之间的模型关系及模型的实时增益，以当前控制器操作界面为基础统一引入到DCS画面。操作员通过查阅这些信息可以进一步掌握控制器的运行规律，根据生产需要有针对性地调整操作参数，进一步发挥APC稳定生产、优化操作的作用。原油提降量控制器模型关系及模型实时增益界面如图6所示。

图6 原油提降量控制器模型关系及模型实时增益界面示意

3.5.2 增加变量关联动态展示

APC控制器执行周期一般设置为30 s～1 min，每一个执行周期，操作变量MV的控制目标不尽相同。将当前MV动作与关联CV的关系展示到DCS操作画面，方便操作员实时掌控MV的目标，加深对APC控制器作用认识的。

4 结束语

该次常减压APC系统优化升级，并不是在原系统中进行的查漏补缺，而是融合了车间多年来使用APC的经验并结合实际生产和RTO变量需求进行的系统更新和优化。常减压APC不仅仅为RTO运行提供了支撑平台，而是更进一步挖掘了装置优化生产的潜力。系统架构的升级、原油自动提降量功能的实现、优化换热网络的创新尝试以及应用操作界面的功能完善等，都为APC和RTO将来更好的应用和推广提供了非常有意义的借鉴。