智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在常壓爐的應(yīng)用

吳 帥，李正強(qiáng)，范 錁，蘇正江

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000)

智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在常壓爐的應(yīng)用

吳 帥，李正強(qiáng)，范 錁，蘇正江

(中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834000)

克拉瑪依石化有限責(zé)任公司(簡稱“克石化”)Ⅰ套常減壓蒸餾裝置自2006年投資建設(shè)，該裝置常壓爐出口溫度穩(wěn)定性控制一直是被高度關(guān)注的問題，在建工時(shí)，加熱爐設(shè)計(jì)負(fù)荷偏大，實(shí)際生產(chǎn)中若加工量處于低負(fù)荷時(shí)，爐出口溫度波動(dòng)劇烈，為了讓加熱爐具有更大操作彈性來適應(yīng)克石化公司加工方案，先進(jìn)的控制技術(shù)在加熱爐的應(yīng)用有著重要意義。

常壓爐；低加工量；出口溫度；操作彈性

克石化Ⅰ套常減壓蒸餾裝置常壓爐為管式立管輻射對(duì)流型圓筒爐，加熱爐由燃燒系統(tǒng)，煙氣余熱回收系統(tǒng)，支路流量控制系統(tǒng)及聯(lián)鎖系統(tǒng)組成。為了能有效控制好爐出口溫度，同時(shí)讓加熱爐具有更大“操作彈性”，本文著重闡述加熱爐燃燒系統(tǒng)與支路流量控制系統(tǒng)，通過分析多變量對(duì)其造成的影響，將這些變量用先進(jìn)的算法協(xié)調(diào)控制，擬定出適用于該加熱爐在低加工量時(shí)的運(yùn)行模式。

1 先前的溫度控制模式(PID串級(jí)控制)

中國石油克拉瑪依石化有限公司Ⅰ套常減壓蒸餾裝置常壓塔進(jìn)料加熱爐(以下簡稱“常壓爐”)出口溫度采用傳統(tǒng)的DCS串級(jí)回路控制，通過PID參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)行變量控制。在整個(gè)過程中，一個(gè)關(guān)鍵的問題便是對(duì)PID參數(shù)的整定，達(dá)到工業(yè)中預(yù)期的控制性能。但是在實(shí)際運(yùn)用中，許多被控制的過程機(jī)理復(fù)雜，具有高度的非線性、滯后性及時(shí)變性，在一些對(duì)外界因素敏感的封閉系統(tǒng)中，非線性的程度非常高，如果該系統(tǒng)沒有一定的抗干擾性能，那么系統(tǒng)將會(huì)把這些影響因素當(dāng)成"變量"耦合進(jìn)輸入值，導(dǎo)致輸出值發(fā)生不確定的變化。

圖1為常壓爐PID串級(jí)模式，先前的溫度控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)的PID串級(jí)控制，通過TRC1032爐出口溫度作為FRC1020燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥輸入的主回路，用調(diào)節(jié)PID微分器的方式進(jìn)行參數(shù)整定。這種方式算法比較單一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)輸入值的依賴度極高，無法主動(dòng)識(shí)別出輸入值的“真假”。在多變量的環(huán)境下，須考慮如何將這些被干擾的輸入值進(jìn)行解耦。

圖1 常壓爐PID串級(jí)主、副回路示意

如圖2～3，加熱爐在不同加工量時(shí)的加熱爐運(yùn)行1h情況，爐出口溫度存在一定的波動(dòng)，工藝要求常壓爐出口溫度在360～365℃范圍內(nèi)，而圖2中最高溫度在366.4℃，最低在356.9℃，這種波動(dòng)程度是劇烈的，在1h之內(nèi)，有一半時(shí)間時(shí)超出范圍的。

圖2 加工量5500噸/天時(shí)的爐出口溫度

圖3 加工量7000噸/天時(shí)的爐出口溫度

加工量(T/D)瓦斯壓力/MPa燃料氣調(diào)節(jié)閥開度/%爐膛負(fù)壓/kPa爐膛溫度均值/℃氧含量/%一氧化碳含量/×10-6支路溫差/℃平穩(wěn)率/%55000.2945.4-124.3564.52.3143.23.768.558000.2949.7-127.1568.12.4123.62.477.560000.3153.2-128.3577.22.8110.13.298.763000.3158.8-129.4587.83.2104.33.310065000.2960.6-131.3587.63.2101.54.410070000.3063.9-133.8593.33.595.22.4100

從圖2中曲線觀察發(fā)現(xiàn)，加熱爐在低負(fù)荷的情況下表現(xiàn)并不理想，溫度的波動(dòng)已經(jīng)超出要求的范圍。在實(shí)際生產(chǎn)中，影響加熱爐的因素有：瓦斯壓力、進(jìn)料量、燃料氣調(diào)節(jié)閥開度、爐膛負(fù)壓、爐膛溫度等，對(duì)于這些影響因素，必須將它們的影響力度考慮進(jìn)來。表1中，不同加工量下，加工量越高越穩(wěn)定，也符合設(shè)計(jì)時(shí)所要求的加工量。整定出一個(gè)合理的PID值，達(dá)到理想的控制期望。但環(huán)境的變數(shù)是最多的，也是最難捕捉的，比如要是突然下雨，刮風(fēng)等自然因素的影響，最直接反應(yīng)即：①鼓風(fēng)機(jī)壓力波動(dòng)→②燃燒器火焰燃燒效果下降→③爐膛內(nèi)氧含量不穩(wěn)定→④風(fēng)門開度隨氧含量變化不定→⑤燃燒器火焰燃燒效果再下降……，形成一個(gè)惡性循環(huán)，解決的辦法一是通過控制系統(tǒng)"規(guī)避"這些影響因素，二是改善設(shè)備排除這些因素但不現(xiàn)實(shí)。

那么如果控制系統(tǒng)具有一定抗干擾能力，它在受外界因素影響的情況下，還能比較精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，說簡單了就是讓自動(dòng)化控制系統(tǒng)具備識(shí)別能力。

2 智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

2.1 總體思路及技術(shù)原理

加熱爐智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的總體思路是將整個(gè)加熱爐作為一個(gè)控制對(duì)象，通過采用基于子模型、子子模型的多變量辨識(shí)技術(shù)，及多變量智能解耦技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多變量智能內(nèi)模控制，解決了耦合變量間的相互干擾問題。在進(jìn)行安全監(jiān)督的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)加熱爐的安全平穩(wěn)的綜合優(yōu)化控制。系統(tǒng)執(zhí)行操作的每一步都是在確保安全的前提下，平穩(wěn)快速地達(dá)到目標(biāo)值，并根據(jù)設(shè)定的平穩(wěn)參數(shù)和調(diào)節(jié)速率的大小，在各副回路平穩(wěn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)上一級(jí)回路的平穩(wěn)控制。

多變量辨識(shí)技術(shù)關(guān)鍵在于將多變量通過數(shù)學(xué)建模，并在一系列子模型、子子模型進(jìn)行分解模型，可以將一個(gè)多變量系統(tǒng)模型輸入設(shè)為m個(gè)，輸出設(shè)為l個(gè)。

圖4 多變量系統(tǒng)模型示意圖

如圖4中A所示，將這些m個(gè)變量輸入比作影響常壓爐出口溫度的多變量，比如瓦斯壓力，爐膛溫度，爐膛負(fù)壓，氧含量等，并將l個(gè)輸出比作這些變量的影響結(jié)果，將這些對(duì)應(yīng)關(guān)系分解成子模型，利用增廣最小二乘法+輔助變量法，獲得子模型的參數(shù)和子子模型的輔助變量輸出，最后將子模型分解為子子模型，得到子子模型的參數(shù)，最終得到求取系統(tǒng)的純滯后時(shí)間。利用多變量建模的思想，進(jìn)行分解解耦，是常壓爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2.2 多變量協(xié)調(diào)控制在常壓爐的應(yīng)用

2.2.1 COT溫度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)

常壓爐共有兩組爐管進(jìn)料和兩組支路爐管的出口溫度，一支路流量FRC1017對(duì)應(yīng)支路出口溫度TDRC1028溫度，二支路流量FRC1018對(duì)應(yīng)支路出口溫度TDRC1031。那么，在支路溫度控制器中加入內(nèi)?？刂破鳎ㄟ^獲取常壓爐其他關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行建模解耦，來控制燃料氣調(diào)節(jié)閥開度，最終控制爐出口溫度。圖5中，LS與HS為常壓爐燃料氣內(nèi)模控制器，正常情況下，爐出口溫度通過調(diào)節(jié)燃料氣流量FRC1020實(shí)現(xiàn)對(duì)爐出口溫度的控制，為保證常壓爐的安全燃燒，在LS與HS為內(nèi)模溫度控制器上設(shè)有PRC1020H和PRC1020L高低壓保護(hù)回路，它們與FRC1020構(gòu)成超時(shí)控制，以防常壓爐燃燒的脫火甚至滅火。

2.2.2 支路溫度均衡控制系統(tǒng)

在保證COT溫度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，支路溫度均衡控制系統(tǒng)的任務(wù)是調(diào)配好各支路爐管進(jìn)料量，通過整定進(jìn)料量控制器的設(shè)定值，來動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)料量，使該支路出口溫度接近設(shè)定值，當(dāng)工藝要求要更改加工負(fù)荷時(shí)，該系統(tǒng)將自動(dòng)分段調(diào)整負(fù)荷分配量。

所有的調(diào)整均在保證COT溫度、進(jìn)料及時(shí)跟蹤設(shè)定值變化、各支路爐管出口溫度均衡、氧含量與爐膛負(fù)壓穩(wěn)定的前提下，使之能夠平穩(wěn)過渡到新狀態(tài)，減少對(duì)常壓爐平穩(wěn)運(yùn)行的影響。

圖6中，拔頭油進(jìn)料負(fù)荷設(shè)定器HC01-FDDTY，通過支路控制器FRC1017、FRC1018，支路爐管出口溫度控制器TDRC1028，TDRC1031，在協(xié)調(diào)處理輸出值后，重新整定進(jìn)料負(fù)荷設(shè)定器HC01-FDDTY內(nèi)部算法，從而準(zhǔn)確控制兩支路進(jìn)料量，將支路溫差縮減至最小值，出口溫度更接近設(shè)定值。

圖6 常壓爐支路溫度均衡控制

2.2.3 常壓爐出口溫度前饋補(bǔ)償方案

在加熱爐實(shí)際運(yùn)行過程中，進(jìn)料溫度和爐膛溫度對(duì)加熱爐出口溫度的影響也非常關(guān)鍵，它們一開始往往影響的力度不大，但很容易造成"多米諾效應(yīng)"，一旦發(fā)生，再想將爐出口溫度及時(shí)調(diào)整回來會(huì)比較困難。溫度前饋補(bǔ)償思路是在常壓爐進(jìn)料及爐膛溫度發(fā)生變化時(shí)，提前調(diào)整燃料氣調(diào)節(jié)閥開度，減少進(jìn)料溫度和爐膛溫度變化對(duì)爐出口溫度的影響。

圖7 出口溫度前饋補(bǔ)償

圖7中，設(shè)有溫度補(bǔ)償控制器FDMR1032，其測(cè)量值為爐膛溫度的平均值，設(shè)定值為爐膛溫度均值時(shí)長的平均值，控制器輸出經(jīng)過計(jì)算得到補(bǔ)償值，與圖2.2.2.1中爐出口溫度控制器TRC1032NW的輸出累加后，送至燃料氣流量控制器FRC1020的設(shè)定值。其中，溫度區(qū)間是指TRC1032NW出口溫度偏離設(shè)定值的量，超過或者低于此區(qū)域設(shè)定值，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的速率不同，但速率最高有一個(gè)限速，就是補(bǔ)償限速里的值。通過這3個(gè)取值方式，可以理解為給自動(dòng)化的調(diào)節(jié)方式增加了平穩(wěn)化、智能化。

3 新增控制系統(tǒng)的實(shí)施效果

圖8 在低加工量時(shí)的爐出口溫度趨勢(shì)圖

常壓爐自2016年8月新增智能多變協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)后，爐出口溫度平穩(wěn)率得到有效控制，在加工量5000T/D時(shí)，常壓爐出口溫度基本穩(wěn)定在一條直線，大幅提升了常壓爐的操作彈性。

圖8中，是某月在加工量5000T/D和5350T/D時(shí)的爐出口溫度波動(dòng)曲線，爐出口溫度設(shè)定值分別為363.5℃和362.5℃，可以看出，在3小時(shí)之內(nèi)，加熱爐爐出口溫度波動(dòng)基本穩(wěn)定在一條直線上，常壓爐出口溫度的平穩(wěn)率全部在100%，對(duì)比以前的數(shù)據(jù)，這種改變是非?？捎^的，在5000T/D的加工量下，爐出口溫度穩(wěn)定，所有的后續(xù)操作都會(huì)趨于平穩(wěn)。在實(shí)際生產(chǎn)情況，無法試驗(yàn)更低的加工量，但目前表現(xiàn)效果良好，控制系統(tǒng)辨識(shí)邏輯能力比先前傳統(tǒng)的PID方式先進(jìn)，可以估測(cè)操作彈性還有很大的拓展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)束語

常壓爐作為蒸餾裝置的重要設(shè)備，爐出口溫度的平穩(wěn)尤為重要，本文圍繞加熱爐在多變量影響因素下，如何通過建模解耦的方式消除干擾，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一控制，從而穩(wěn)定了爐出口溫度，改善了裝置的平穩(wěn)性。在自動(dòng)化已普及的背景下，智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用將一種簡統(tǒng)的自動(dòng)化帶向了智能化，對(duì)煉化企業(yè)在今后的無人值守方面，有極大的引導(dǎo)力。

[1] 羅雄麟,葉松濤,許 鋒.加熱爐支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(11):1232-1235.

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(本文文獻(xiàn)格式：吳帥，李正強(qiáng)，范錁，等.智能多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在常壓爐的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(16)：105-107，110.)

Application of Intelligent Multivariable Coordinated Control System in Atmospheric Furnace

Wu Shuai，Li Zhengqiang，F(xiàn)an Ke，Su Zhengjiang

(PetroChina Karamay Petrochemical Co.,Ltd.， Karamay 834000,China)

The atmospheric and vacuum distillation unit,named "Ⅰtao",was invested and built by Karamay Petrochemical Co. Ltd. in 2006，the stability control of the outlet temperature of the atmospheric furnace has been a subject of great concern,at the beginning,furnace design load is too large,in actual production,if the processing capacity is low,the outlet temperature of the furnace is violent,in order to make the furnace more flexible to adapt to the processing program,advanced control technology is of great significance in the application of heating furnace.

atmospheric furnace;Low processing capacity;outlet temperature;;operational flexibility

TE624.2

：A

：1008-021X(2017)16-0105-03

2017-06-04

吳 帥(1988—)，新疆克拉瑪依人，助理工程師，從事工藝技術(shù)方面的工作。