先進控制技術在聚丙烯裝置的應用

江柱鳴，施英鵬，馮桂球

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

先進控制技術在聚丙烯裝置的應用

江柱鳴，施英鵬，馮桂球

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

重點介紹了AspenTech公司的Apollo過程控制優化軟件在茂名分公司聚丙烯裝置上的應用，結合雙方的技術和經驗，對先進控制功能技術特點和應用結果進行闡述，并通過實際測試效果對比分析，闡明了過程控制優化實施的先進性、穩定性和高效性。

聚丙烯；先進控制；AspenTech-Apollo；控制器

就中國石化行業而言，加入WTO后，能源和原材料的價格持續上漲，面對石化產品市場的競爭日趨激烈化，挖潛增效已在石化企業中廣為推行，各企業在完善基礎控制系統的同時，越來越意識到過程控制優化的重要性。然而，就過程控制技術而言，基本上都是采用PID（比例積分微分）常規控制技術，缺乏適合本裝置生產特點的先進控制軟件。因此保持原有工藝和設備不變，在DCS控制基礎上實施先進過程控制技術（Advanced Process Control，簡稱APC），提高產品產量、降低物耗能耗，從而提高經濟效益滿足市場要求，已成為目前國內外石化企業行之有效的重要手段。

1 先進控制技術概述

1.1 先進控制的含義

先進控制技術是以現代控制理論為基礎的各種優于常規控制的高級控制技術的總稱，是通過模型計算技術，建立生產過程的模型，計算出一些常規測量和簡單計算無法測知的質量指標，并預報其在未來一段時間內的變化情況，為生產操作提供指導，從而提高生產過程的可操作性；在模型計算的基礎上，采用多變量控制技術或其它先進控制手段，對生產關心的物化參數或質量指標直接或間接地監控，提高整個生產的操作和管理水平，得到更大效益。

1.2 先進控制的典型策略及優點

目前先進控制的典型策略是多變量預測控制和智能控制。包括模型預測、推斷、協調、質量卡邊等。相較于傳統常規控制，其主要優點：

（1）與傳統PID控制不同，先進控制是基于模型的控制策略，更適于處理復雜的多變量過程控制；

（2）先進控制建立在DCS上的動態協調約束控制，適應實際生產過程的動態特性及操作要求。

2 先進控制方案

先進控制系統是在DCS控制系統上采用上位機方式實現的，它的優化運算在上位機實現，但操作是在DCS中完成，兩者之間通過OPC標準接口實現數據交換。

2.2 先進控制系統組成

2.2.1 系統架構（見圖1）

圖1 系統架構

2.2.2 系統設計

主要采用Aspentech先進的Apollo多變量非線性控制器，進行控制系統結構的設計。控制方案使用模塊化設計，便于根據需要分塊投運及運維。

（1）控制系統結構分三層：

DCS層：控制系統底層，完成常規任務。

OPC（通訊接口）：DCS與上位機接口站點。

上位機：其中一臺服務器安裝Apollo軟件套裝和AspenIQ軟件套裝。另一臺服務器安裝配方管理軟件ARM和牌號切換管理軟件ATM以及實時數據庫IP21。

（2）先進控制分為幾大模塊：產品質量控制器、濃度控制器、軟儀表、自動牌號切換及配方管理TM。包括兩個Apollo控制器和IQ軟儀表協同工作。

控制器采用雙層結構。

上層為質量控制器，任務是利用進料比完成對于熔融指數和密度的控制。

下層為產率控制器，任務是利用對進料等調節手段實現對變量的控制。產率控制器的目標是穩定生產，提高抗干擾能力，減少波動，在一定的約束條件下，實現產量的最大化。

軟儀表，根據已有測量的一些相關變量以及工藝設備技術參數，通過構成某種數學關系來推斷和估計難于或暫時不能用硬儀表測量的重要變量，以軟件來代替儀表功能。

自動牌號切換及配方管理，在進行牌號自動切換時根據事先制定的策略及步驟把這些控制點的設定值連同質量工藝參數一起輸出到相關的控制器或DCS設定點。除此之外，還存儲由自動切換牌號時多變量非線性控制器的整定參數，以便在實施自動切換時指導控制器做出適當（如超調、操作上下限等）的控制作用。

2.3 控制器應用情況分析

2.3.1 催化劑流率計算與控制

經過項目實施，開發投用催化劑流率的計算模型和先進控制后，消除了因催化劑流率波動而造成的生產負荷波動。

催化劑進料率實現了閉環控制，結束了以往手動操作催化劑計量泵沖程的歷史。該控制點的運算控制周期為1分鐘，操作頻度遠遠高于操作工手動操作，真正做到了催化劑進料的實時控制。

2.3.2 反應器漿料密度控制

選取了環管產率作為唯一的擾動變量（DV），雖然符合工藝特點和控制要求，但實際上環管反應器的運行方式（可變停留時間）決定了環管產率并非真正的獨立變量，它是受到環管單體進料率影響的。因為當進料率發生變化時，由于反應器物料的停留時間發生變化，會造成該反應器產率的變化，因此該APC控制器內的操控變量（MV）與擾動變量（DV）產生卷繞效應（Convolution）。為了消除這種卷繞效應，實際建模采用了與機理計算相結合的方法，即利用工藝原理在新建的數據表格里根據MV、DV來計算CV的理論值，根據操作經驗篩選保留合理的數值，在IQ powertools中導入建立模型，從而消除了MV與DV歷史數據的卷繞效應。

2.3.3 進料氫濃度控制

氫氣濃度控制投運后，控制器行為顯示出較大的不穩定性，MV常常超調較多，即使增加MV的抑制因子（Move Suppression）或增加CV的懲罰因子（EqualConcern Error）也很難取得較好的效果，然而模型的穩態增益符合工藝機理，表明模型是正確的。我們對H 2流率DCS回路投自動控制觀察發現：該回路本身的控制品質較差，最大偏差超過6%。為此，我們在控制器中，對CV的當前值進行了處理，即使用基于H2控制回路SP值作為輸入變量的IQ預測值作為CV的當前值，效果良好。

2.3.4 牌號自動切換控制

AspenTech提供配方管理和切換管理軟件來完成配方和牌號切換，能夠實施配方數據庫中配置的各種數據。配方數據將會和切換邏輯組合在一起進行實施。切換過程將是一個包括自動閉環執行和需要操作員進行干預的邏輯的組合過程。

在控制器調整工藝的過程中，軟儀表起到了重要的指導作用。通過連續計算當前的熔融指數，并把結果傳給控制器，使得控制器得知當前工藝處于什么狀態，從而及時的做出調整。

在牌號切換過程中仍然需要實驗室取樣分析，目的是校正軟儀表的計算值。

可見，牌號切換的核心是控制器，所有的主要動作都是由控制器來實現的。而配方管理和切換管理軟件的作用是告訴控制器朝哪個方向走。

在切換過程中雖然有很多步驟是由控制器自動實施的，但是中間仍然需要操作員進行干預和確認，如現場流程準備的確認，開始和結束的判斷等。如果切換過程中發生意外的情況，操作員隨時可以中斷切換，關閉控制器，實現手動操作。

3 先進控制投運效果

運行表明，該系統增強了裝置的抗干擾能力，提高了裝置生產的平穩性，減輕了操作人員工作負荷。另外，結合產品配方管理和牌號自動切換，縮短了過渡時間，減少了過渡產品。同時，由于控制水平的提高，實現了主要生產指標和質量指標的精細平穩控制，增加了裝置效益，減少了能耗。主要體現在如下幾個方面：

3.1 降低了操作工的勞動強度

過程控制優化系統投用后，提高生產的穩定性，在正常平穩生產中，控制器可以較好的完成自動調節，降低了操作工的勞動強度。

3.2 提高了裝置運行平穩率和安全性

過程控制優化投用后，各主要CV的波動明顯減小，裝置的操作不需人工干預，幾個主要控制參數明顯平穩。各參數投運前后效果比較：

（1）氫氣濃度AIC201/202

各牌號加權平均后，AIC201標準偏差降低42.81%，AIC202標準偏差降低32.56%。

（2）環管密度DIC241/251

各牌號加權平均后，DIC241標準偏差降低54.10%，DIC251標準偏差降低64.42%。

（3）R202粉料熔融指數

各牌號加權平均后，R202粉料熔融指數標準偏差降低39.76%。

（4）產率控制

投運前平均產率為40997.59 kg/h（2011.8.15～2011.12.25平均值）。

投運后平均產率達42109.95 kg/h（2012.12.25～2012.12.29平均值）。

平均提高幅度為：（42109.95-40997.59）/40997.59× 100%=2.713%

（5）自動牌號切換

Z30S切換至PPH-T03由人工切換的5小時縮短到4小時，節省時間20%；

F300M切換至PPH-F03D由人工切換的13.5小時縮短到9小時，節省時間30%。

投運后牌號切換跟之前人工切換同比大大節省了切換時間。

4 技術創新

4.1 新技術的使用

本裝置先進控制系統采用了國際上最先進的非線性建模技術，主要表現在環管密度和產品熔融指數的建模和控制方面。

4.1.1 環管密度的控制

在實施先進控制之前，2個環管密度是采取串級控制，單純依靠調節丙烯進料，波動幅度比較大。在實施先進控制時，需要將串級打開，綜合考慮環管產率和丙烯進料的關系，將環管產率作為干擾變量。但是實際上環管反應器的結構決定了產率并非真正的獨立變量，它是受到環管單體進料率影響的。

另外，反應溫度的變化也必須要考慮，因為它不但會影響產率，同時也影響純液相丙烯的密度，從而也影響到環管密度。

實踐證明，采用新技術建立的模型魯棒性和控制精度都非常好，不但使兩個環管密度的控制水平得到很大提高，標準偏差分別降低了54%和64%，而且也有利于產率的穩定控制，大幅度地提高了裝置的平穩運行水平。

4.1.2 熔融指數的控制

聚丙烯裝置的熔融指數模型采用了最新的非線性BDN有界微分網絡技術。該技術是Aspentech的專利技術。通過應用有界微分網絡技術實現了：

（1）只用一個模型就覆蓋了所有牌號；

（2）實現了牌號切換過程中熔融指數預測的無縫連接；

（3）實現了對于模型增益的準確把握，確保了控制動作的方向性和準確性；

（4）通過軟儀表的校正機制，有效地減少了分析誤差所造成的影響。

此技術有效地提高了產品質量的預測和控制品質，熔融指數標準偏差平均降低40%。

4.2 制定與本裝置相匹配的控制器策略和架構

先進控制技術是在裝置已有控制系統之上，采用多變量預估技術進行更精細更穩定的控制，而現場的每個裝置都有自己的特點，即使同類型的裝置，在具體的控制細節方面也有差別。

在項目開始階段，設計參考了其他的成功案例。但是隨著項目的不斷深入，對于聚丙烯裝置的了解不斷加深，原來的方案不能完全體現聚丙烯裝置的特點。通過和技術人員和操作人員進行了充分的交流和溝通，設計出與本地裝置相匹配的控制器策略和架構，因此，不論是從控制器的結構還是從所采用的建模技術，都具有了完全不同的設計，同時也獲得了比最初設計更好的控制效果。最為突出的創新改進如下：

（1）產率的控制采用了一個非常特殊的邏輯。這個特殊的邏輯使得產率控制的精確度相對于人工控制成倍提高，能夠幾乎以切線的方式逼近目標值。即使在大幅度的負荷調整的情況下，仍然能夠完成平穩控制，沒有出現負荷超調現象。

（2）牌號切換期間實現了產率的平穩過渡。通常情況下，人工牌號切換期間，產率波動比較大。而利用自動化切換則把產率的波動降到了最低程度。這里面的技術關鍵在于氫氣和催化劑在時間上的配合和銜接。

（3）首次采用利用氫氣丙烯質量比來控制氫氣濃度。以往的控制方案在控制氫氣濃度的時候，往往是采用直接控制氫氣流量的方式。為此，特地在DCS上新建了控制回路。實踐證明，此項創新大大提高了系統的魯棒性，控制效果非常理想，環管氫濃度標準偏差分別降低43%和33%。

5 結語

自整個系統投用以來，一直保持良好持續的運行。但是涉及多學科多專業的特點，要保障其長期投用需要一支完全掌握過程控制優化技術又緊貼生產裝置的先進控制維護專業隊伍，以保持過程控制優化時時處在最優的運行狀態下運行，其使用質量及投用率的高低均取決于操作工的積極性。因此，要使過程控制優化技術產生較大的效益，必須保證所有控制器的投用以及相應的被控變量CV和操作變量MV都設定的比較合理，這就需要建立相應的獎勵機制和考核機制，從而保障先進控制系統的高投用率。

［1］陳軍.先進控制在聚丙烯環管工藝裝置上的應用［D］.北京：北京化工大學，2003.

［2］王雪松.先進控制技術在煉油裝置中的應用［J］.石油化工自動化，2007（1）.

［3］趙克勤.聚丙烯裝置先進控制技術應用［J］.煉油設計，2000（2）.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.040

F272.7；TQ208

A

1673-0194（2015）19-0072-03

2015-07-30