新建乙烯及煉油改擴建裝置的全流程控制優化

楊利豐，汪 博，張志鍵

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

0 引言

中化泉州新建的乙烯及煉油改擴建裝置2020年9月中交后陸續開始開工，全廠DCS控制系統采用橫河的VP系統。裝置的自動控制功能沒有進行集中優化，對裝置的開工進度、安全運行、產品質量和產率具有一定的影響，且存在以下問題：

1）PID參數未整定，設置參數值P=100，I=20，D=0。因為部分裝置流程長，耦合性強，被控變量類型多，初始PID值無法滿足回路的自動控制要求。

2）裝置采用國內外先進工藝流程，工藝包中含有大量的串級、超馳、比值和前饋等復雜回路，其控制邏輯組態復雜。出于安全考慮很多測量點和控制點設置聯鎖，控制回路波動大易觸發聯鎖裝置停工。

3）沒有在線數據參考及裝置工況不穩定，增大了控制優化的難度。

傳統的控制優化是在一個相對較穩的工況下進行測試并獲取過程數據，進而建模和計算參數。裝置初次開工投產在線數據無法獲取，增加了控制優化的難度，另外開工時干擾因素多，易造成裝置操作不穩定。裝置不穩定無法用常規調試方法進行整定，裝置也存在一些工藝指標缺少，控制回路或上下游關聯的過程控制缺少串級等控制回路，無法實現裝置的全流程自動控制。

4）操作人員對控制的理解各不相同，增加了控制回路的投用難度。

由于開工過程中倒班操作和工藝特點的原因，會造成操作人員對控制方案的不理解，出現控制回路不敢投用自動模式或習慣性手動操作[1]的情況。

5）原控制方案設計不合理。

由于工況和設備問題，造成原控制方案無法正常投用自動。

6）開工期間少數儀表閥門和設備因為工況不達標或本身問題，無法參與自動控制過程，造成自動回路控制投用困難。

7）在開工及生產階段裝置控制不穩定和報警設置的不合理均會產生大量的無效過程報警信息，真實重要的報警會被大量無效報警覆蓋影響操作人員的注意力，真實的報警信息如果不能及時發現會存在安全隱患。

針對以上問題需要啟動裝置全流程控制優化工作，進行參數整定、優化控制器形式以及控制方案的變更優化，采用先進控制的思想理念整定控制器參數，減少開工裝置的過渡時間，使裝置安全高質量的快速進入平穩生產狀態。

1 全流程優化范圍內容

1.1 裝置控制優化的實施范圍

圍繞乙烯裂解、汽油加氫、芳烴抽提、丁二烯、MTBE、聚 乙 烯HDPE、聚 丙 烯PP、EVA、EOEG、PX、POSM、凝析油聯合、干氣精制、連續重整和柴油加氫裂化裝置，共15套裝置3460個控制回路展開工作，搭建自控平穩率監控系統、報警操作監控系統，同時進行優化控制器形式、整定控制器參數，達到生產裝置的全流程自動控制、報警梳理、一鍵操作、無報警操作時長統計等功能。

1.2 全流程控制優化內容

整個項目的實施工作主要分為監控系統平臺的搭建和控制系統優化兩大部分。

1.2.1 搭建監控系統平臺

1）自控平穩率監控系統平臺

自控平穩率監控系統平臺搭建包括裝置調研、原始數據收集，確定及建立數據通信連接，搭建自控平穩率監控系統框架，裝置自控率的統計[2]、綜合查詢[3]、平穩率[4]、評比等功能的設計與實施。

2）報警操作監控系統平臺

報警操作監控系統平臺搭建包括裝置調研，確定及建立數據通信連接，搭建報警操作監控系統框架，報警操作原始數據分析，裝置報警操作的統計、查詢等功能的設計與實施。

1.2.2 控制系統優化

1）初設PID參數，根據控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系，用實驗的方法來調節控制器的參數[5]。逐一檢查復雜控制邏輯和控制器的正反作用，核實設置的正確性。

2）優化已投用控制回路的PID參數，在油運、循環及待料階段就有部分控制回路滿足自動投用條件可以長期投用。先期對這些控制回路進行PID參數的優化，可減輕在正式投料時的優化工作量并有助于裝置更快進入穩態。

3）投料后，全面優化各控制回路的PID參數。由于前期已經預設了PID參數回路，可直接投用自動。若控制效果不佳，利用在線數據對被控對象進行特性辨識，重新計算PID參數，按照此方法優化每個控制回路。

4）尋找解決方案，提出控制方案變更進行深度優化。此階段大部分的控制回路已投上自動控制模式，但是還有個別回路處于手動模式，這類回路是操作工不敢投或是控制效果不佳，一直用手動模式來控制的。還有可能是控制方案與目前工況不相符，投不上自動，原因分析后提出控制方案變更進行解決。

5）應用新控制方案減少回路的操作次數，實現裝置的全流程自動控制。個別裝置自控率雖然較高但是DCS的操作記錄也多，相應說明內操的操作頻次較多。原因是初始控制方案不合適，需要全面分析自控回路的必要性，有針對性地提出控制變更，降低操作頻次，實現“全流程自動”和“一鍵操作”[6]。

6）初始設置的控制方案和控制參數未必一直適用，在裝置工況變化較大時必須進行修改。當回路的控制效果不好時內操會提前發現，及時聯系優化人員共同分析原因和提出解決辦法，最終達到理想的控制效果。通過這種方式，除了強化內操對控制的理解，也提高了操作水平和裝置自控平穩率。

7）進行裝置報警優化是全流程控制的重要環節，報警設置的不正確或管理不到位會使報警信息混亂，不利于操作人員發現問題，易產生安全隱患。通過對裝置報警情況進行梳理與分析，消除無效報警，進行報警信息統計，完善報警管理在生產過程中十分必要。

2 實施效果

經過近10個月的努力，完成了全廠自控平穩率監控系統平臺、報警操作監控系統平臺的搭建與上線，完成15套裝置的全流程控制優化、報警優化、一鍵操作、無報警操作時長等所有工作，達到了預期指標。各裝置優化后，自控率達到99.20%，優化后的平穩率達到99.21%，自動控制水平大幅度提升，回路控制效果明顯改善，串級等復雜控制回路投用自動運行，裝置操作次數不斷下降，報警數據量明顯減少。控制方案也更加完善與合理，全流程控制優化完成的主要工作如下：

1）優化控制回路3460個。

2）控制方案修改復雜回路25個，相關回路57個。

3）提出并修改DCS組態問題112項。

4）搭建投用自控率監控系統1套。

5）搭建投用控制平穩率監控系統1套。

6）搭建投用報警監控系統1套。

7）搭建投用操作記錄監控系統1套。

2.1 管理創新效果提升

2.1.1 自控平穩率監控系統平臺

自控平穩率監控系統是對生產裝置的自控率、平穩率進行監控、評比、考核的智能信息化管理平臺[7]，架設于企業局域網內，采用B/S架構。具備權限的用戶可以訪問該系統，隨時對各套生產裝置的自控率、平穩率等相關信息進行監控，可查詢裝置實時和歷史自控率、平穩率并且都以圖形顯示[8]。監控系統平臺也方便管理部門對各套裝置的自動控制水平、運行平穩水平進行有效的管理與考核，有利于企業智能自動化程度的全面提升。

2.1.2 報警操作監控系統平臺

報警操作監控系統是對生產裝置的報警、操作進行監控、評比、考核的一個信息化管理平臺，采用B/S架構。具備權限的用戶可以訪問該系統，隨時對各套生產裝置的報警、操作等相關信息進行監控，可以檢索、分類查詢[9]各裝置報警操作情況，便于管理部門對企業內各套裝置的報警、操作進行有效的管理與考核。

2.1.3 裝置自控率提升

乙烯及煉油改擴建裝置在投產后自動控制水平快速提升，投產3個月后自控率均達到95%以上，回路控制質量大幅度改善，為生產運行平穩高效創造了有利條件。

2.1.4 裝置全流程控制優化做法

實施人員在開工前檢查控制邏輯組態功能，預設PID參數，梳理流程及各系統間的相互影響，培訓操作人員熟悉控制方案的目的和投用方法。達到投用自動模式的控制回路要求投用自動，正常生產時持續對各裝置的控制回路進行深度優化，確保各裝置控制率及平穩率不斷提高，典型做法如下：

1）乙烯裂解裝置精餾塔采用開式熱泵工藝，塔頂氣相從乙烯機二段吸入升壓后，氣相分為兩路：一路經二段出口去乙烯精餾塔當再沸熱源，冷凝后與乙烯塔回流一起返回塔內；另一路氣相繼續升壓，經冷凝成液相后用作乙烯精餾塔和乙烷塔回流，富余液相產品送出裝置，塔底乙烷送回裂解爐繼續裂解，乙烯塔控制不穩會影響裂解爐有效運行時間。

表1 裝置項目實施前后自控率對比表Table 1 Comparison table of automatic control rate before and after the implementation of the device project

乙烯塔原控制方案為86層塔盤溫度控制乙烯機二段排氣流量閥，二段排氣流量與回流流量相加用于控制回流閥。開工階段該控制方案不能投用自動，原因是二段排氣流量在經過塔底再沸器后未完全液化，介質氣液兩相造成流量頻繁波動，無法投用自動控制。修改控制方案為86層塔盤溫度直接與回流流量串級控制，二段排氣流量單回路控制，經控制方案優化后回路投用自動控制達到了控制要求。

2）EVA裝置反應器壓力控制根據牌號要求控制在140 MPa～200 MPa內，通過反應器出料側調節閥進行控制。初期控制效果不理想，在系統升壓控制回路中設置爬坡功能，按一定速度進行升壓，升到終止壓力后則開始保壓。經過參數方案優化后，反應器壓力控制滿足了生產控制要求。

3）柴油加氫裂化裝置的直餾柴油和催化柴油進入反應器發生加氫精制和裂化反應，生成小分子的輕質油送入乙烯和重整裝置。柴油進入反應器之前要脫除較大的固體顆粒，設置了過濾器、緩沖罐沖洗控制程序，根據過濾器的差壓或使用時間進行沖洗。每次沖洗時緩沖罐液位的大幅度變化使控制器的輸出也會發生較大變化，造成液位超調。為解決此問題改進控制方案，增加了流量表FIQC10102與液位LIC10101進行低選控制，以防止在反沖洗時進料流量快速波動變化。優化改進后，控制回路投用自控平穩。

4）全流程控制優化乙烯裂解裝置共計更改控制方案9個，正反作用8項，增加濾波6項，更正量程32個，具體控制方案變更如下：

修正7個裂解爐汽包的三沖量控制邏輯，將流量前饋信號的輸出從PV更正為DPV。

修改高壓脫丙烷塔溫度控制邏輯，將靈敏板溫度改成塔底溫度TIC30055。

修改乙炔加氫反應器R301B和R301C入口溫度的控制方案，由原來的溫度控制換熱和差壓換熱副線變成了溫度分程控制換熱和副線。

廢堿氧化系統的T962罐液位控制方案，由原來的液位與外送流量串級控制優化成液位控制進料閥，外送流量單回路自動控制。

脫甲烷塔增加了另一塊塔盤溫度TIC40029，可與原塔盤溫度TIC40031選擇控制再沸流量。

脫甲烷汽提塔增加了另一塊塔盤溫度TIC40011，可與原塔盤溫度TIC40012選擇控制再沸閥。

脫甲烷塔頂壓控的偏差死區范圍縮小。

乙烯精餾塔原設計的溫度TIC50015控制流量FI50009與FIC50008的總和修改成TIC50015直接控制FIC50008流量，FI50009變成單回路流量控制FIC50009。

廢堿氧化T962大罐液位原設計LIC96014與廢堿外送FIC96002串級控制，變更成LIC96014控制進料閥HV96001。

2.1.5 裝置平穩率提升

各裝置在開工初期時平穩率較低，隨著全流程控制優化的進行，各裝置平穩率明顯提升到96%以上，為生產運行的平穩高效運行創造了有利條件，各裝置優化前后平穩率對比見表2。

表2 實施優化前后平穩率對比表Table 2 Comparison table of stabilization rate before and after optimization

2.1.6 裝置報警次數的優化

通過控制系統的優化，改善了回路的控制效果，降低了一定數量的過程報警。但系統中仍存在大量的報警數據，詳細分析各裝置的報警數據，對報警數據逐一制定措施解決，最終各裝置報警數量大幅度降低，裝置優化前后報警數量變化表見表3。

表3 裝置優化前后報警次數對比表Table 3 Comparison of alarm times before and after device optimization

2.1.7 回路操作次數的優化

通過開展過程綜合監控與控制器優化，回路控制效果改善的同時裝置操作次數明顯減少，裝置運行更加平穩。串級及復雜控制回路的正常投用使裝置自動控制水平進一步提高，改善了裝置內部各環節的上下游關系，也實現了對某些工藝參數的高精度自動控制。實現裝置全流程自動控制的同時，也降低了人員操作強度，裝置操作優化前后具體數據見表4。

表4 裝置優化前后操作次數對比表Table 4 Comparison of the number of operations before and after device optimization

2.1.8 實現一鍵操作和無報警操作時長功能

“一鍵操作”是指裝置在提負荷或者降負荷時，只需要在DCS上改變負荷的設定值或閥位值1次，下游流程的相關流量在液位、溫度、壓力控制器的作用下能夠相應變化，符合控制要求，使工藝過程快速達到穩定狀態，不再需要人為手動更改相關流量設定值。

“一鍵操作”將裝置內由人來下決策操作的局部控制形成全流程閉環控制，降低操作人員工作強度，提高裝置的自動化和智能化水平。

“無報警操作時長”是簡化的裝置綜合指標，裝置的方案設計、設備狀態、自控水平、操作技能、管理水平均會有影響。對于已建成或已投產的裝置而言，提高無報警操作時長最直接有效的方法是進行全流程控制優化及過程報警監控優化，其次可通過無報警操作時長監控系統來管理和分析影響時長的原因及因素。

3 取得創新成果目標

通過對新建乙烯及煉油改擴建裝置的全流程控制優化，取得成果目標如下：

1）實時自控率達95%以上，月均自控率達到98%以上。

2）實時平穩率達95%以上，月均平穩率達到98%以上。

3）各裝置日均過程報警降至≤150次/100個控制回路，或在裝置開工3個月內降至10%以下。

4）各裝置日均操作次數降至≤100次/100個控制回路，或在裝置開工3個月內降至10%以下。

5）實現裝置的全流程自動控制，“一鍵操作”和“長時間無報警操作”。

4 結論

通過實施全廠裝置的全流程自動控制優化，最終提高了儀表自控率及平穩率，使裝置在最佳的生產狀態下長周期運行，有效地提高產品質量和產量，節約原材料和能源，降低生產成本，使企業獲得最大的經濟效益。通過搭建全流程自動控制優化系統平臺，提高了控制回路的自控率。利用自動控制技術，將裝置內上下游流程控制方案進行整體優化[10]，根據優化的結果及控制目標修改，達到裝置全流程控制優化目的，也促進了企業管理水平及自動控制領域的效果提升。