先进控制在过程工业中的应用

先进控制在过程工业中的应用

徐同胜自101 100818

摘要介绍了先进控制技术的发展背景。分析了先进控制技术在过程工业中的地位。介绍了先进控制技术在各过程工业中的应用，阐述了推动先进控制技术在过程工业中的应用的紧迫性及其广阔的前景。

关键词先进控制; 过程控制; 应用

1 引言

过程工业包括石油化工电力冶金化工等诸多行业在我国国民经济中起着举足轻重的作用近20 年来我国的过程工业有了很大的发展但与发达国家相比差距仍较大例如我国人均乙烯只有2.3 千克为日本的二十分之一美国的三十分之一我国炼油装置的轻质油收率比世界先进水平低约10% 15% 乙烯合成氨的单位能耗比先进国家高40%左右因此大力发展过程工业提高过程工业的技术和装备水平任重而道远。

2 先进控制技术在过程工业中的地位

过程工业的发展取决于多种因素但工业自动化水平是其中一个十分重要的方面连续过程工业计算机控制优化管理的最高水平是计算机集成制造系统CIMS 它的大体框图如图一般分为四层第一层为直接控制层主要完成单元控制保证生产装置的正常运行第二层为监督与控制层重点是对生产过程进行优化控制，保证装置安稳长满优运行获取最大的经济效益第三层为计划调度层重点是制定合理的工作计划和作业计划并保证计划按预期目标进行第四层为决策管理层重点是企业的经营管理和运作决策保证企业健康发展。

以上四个层次的无缝集成即构成了一个过程工业工厂或公司的CIMS 它可以将生产活动在各个层次上所需的决策信息从最基础的过程控制直到工厂高层管理决策用计算机技术和通信技术集成起来形成一个管控一体化的高效能高柔性的智能生产系统它包括两种形式的集成即系统集成和应用集成系统集成包括网络架构网络管理平台硬件平台生产过程模拟与优化平台先进控制器开发平台DCS 管控一体化平台等诸多技术的集成应用集成是指过程控制系统管理信息系统与决策支持系统的无缝集成。

实际上包括发达国家在内真正实现CIMS的并不多但它们往往从下往上不同程度的实现了DCS(集散控制系统)常规控制和先进控制，或者从上层实现了管理信息系统等。

特别说明的一点是各层之间的经济效益并不完全相同对过程工业而言先进控制是最基本的最重要的，在过程工业CIMS 中先进控制技术起到了核心的作用它们既是现场基础控制层与调度决策层的中间纽带又是获得巨大经济效益的关键所在因而倍受青睐世界上许多国家正在不遗余力不惜重金组织开展有关的研究。

3 先进控制技术在碳化过程中的应用

“碳化工序先进控制和优化”项目采用APC-Adcon先进控制软件,对碳化工序25座碳化塔实施先进控制和优

化,达到平稳生产、优化操作、优质低耗、安全生产的目的。实施范围如下：

(1)建立五组(25座)碳化塔“制碱”阶段的先进控制和优化系统;(2)建立五组(25座)碳化塔“清洗”阶段的先进控制和优化系统。

在碳化过程中先进控制的目标是(1)提高装置综合自动化水平,稳定生产工况、改善工艺指标,提高主要工艺参数的平稳度,标准方差减少幅度40%以上;(2)基于装置的平稳操作,通过“卡边”控制,在保证出碱液质量指标和出碱总量的前提下,挖掘生产装置的潜力,提高生产装置的整体运行的经济效益;(3)控制系统要安全、可靠,能连续稳定运行,不能出现故障,正常情况下,确保先进控制系统的投运率在90%以上;(4)稳定纯碱质量,碳化结晶沉降时间不高于目前水平;(5)独立完成与DCS之间的数据通讯,实现先进控制系统的冗余运行,具备良好的病毒隔离性能,保证先进控制与现有控制系统无扰动切换;(6)实现各清洗塔中和水温度

及塔压等的先进控制。先进控制投运后,有效地改善碳化过程的物料平衡,平稳过渡的操作;(7)降低操作人员的劳动强度。

碳化工序生产过程先进控制可以有效地抑制外部扰动,合理动态调节碳化塔制碱过程和清洗过程中的各操作变量,平稳碳化塔关键工艺指标,提高碳化转化率和产量,达到装置效益最佳的经济目标。同时可以降低劳动强度,提高生产装置工艺参数的平稳性,也达到了节能降耗的要求。【1】

3 先进控制技术在加氢裂化装置中的应用

先进控制一般可以认为是简单控制回路( PID 控制) 的上一级，是在经典控制理论和现代控制理论的基础上，把炼油工艺和工程、计算机和仪表技术以及过程控制理论有机结合起来，设计出新型的控制系统，能解决炼油工艺中难以控制的问题，如非线性、大滞后等。【2】目前先进控制以广泛应用于炼油系统，通过提高装置操作稳定性，优化工艺参数，实现“卡边”操作，可平均降低能耗和物

耗。因此先进控制已被视为炼油工业企业提升综合自动化水平，节能降耗和减排，持续改善经济与社会效益的重要手段。先进控制在加氢裂化装置的工业应用表明: 实施先进控制是提高加氢装置平稳运行、延长操作周期、降低能耗获得最大经济

效益的有效手段。

惠州炼油400 万t /年蜡油加氢裂化装置采用了壳牌( Shell) 工艺专利技术，以常减压装置的减二线蜡油和减三线蜡油以及焦化装置蜡油为原料，在高温高压和氢气以及催化剂的作用下先脱除原料中的硫、氮、金属等杂质，然后进行加氢、裂化、芳烃饱和和开环等反应，生产出加氢尾油、柴油、航煤和轻重石脑油等高附加值产品。本装置自2009 年开工以来总体运行情况良好，催化剂性能、产品质量、能耗等都满足设计要求。为进一步平稳装置生产、减少质量波动、实现最优卡边操作、提高高价位产品的产率、降低装置能耗，装置开展了APC 技术应用。运用横河的多变量先进控制技术，针对装置的控制弱点难点进行技术攻关及改造，实现了预想的控制目标。

先进控制界面美观，操作简单、安全。操作界面中集合了先进控制涉及到的被控变量和操作变量，可以显著降低操作工查找关键变量的时间; 同时，被控变量和控制变量可以方便的投用和摘除，遇到紧急情况可以实现一键摘除所有控制变量。控制器还集成了四种生产方案即多产轻石脑油、重石脑油、航空煤油和柴油方案，

而且只需要输入各个产品的价格，控制器根据价格来判断该多产哪个产品。因此，APC 极大地降低了操作工的劳动强度。

先进控制系统投用以来在装置工艺约束的范围内: 对反应器的床层最大出口温度、床层温升、床层与床层的出口温度差、床层加权平均温度、冷氢的最大阀位进行了限制等; 对分馏系统的关键点进行限制控制、产品质量进行预测控制并卡边，使得装置运行更加平稳可靠。在此基础上转化率的平稳性提高了32%，转化率提高了0. 8%，不仅可以将转化率长时间的保持在高位运行，而且由于实现闭合回路控制，大大缩短了提转化率的时间，极大地降低了操作人员的劳动强度。通过使床层温度最小化以及WABT 的平稳控制，实现反应器催化剂运行周期的最大化，延长催化剂寿命8% ～12% 以上，取得了极大的经济效益。对预热炉F201 氧含量进行控制，降低0. 2 个百分点，气油比降低了3. 5 个百分点取得了可观的经济效益。加氢裂化装置先进控制操作界面友好、方便，极大地降低了操作工的劳动强度，取得了卓越的社会效益。【3】

4 先进控制在锅炉生产中提高热效率的应用

大庆石化公司热电厂共有６台４１０ｔ／ｈ煤粉锅炉，采用母管制并列运行方式，向大气石化公司乙烯化工装置提供蒸汽，并上网发电。对于母管制运行热电厂，母管蒸汽压力的稳定对于提高发电机组热效率和外供蒸汽品质具有重要

意义。因此，提高母管压力控制精度，并尽量接近额定压力运行，即“靠上限”运行，最大限度地提高发电机组运行的安全性、稳定性和经济性。

锅炉负荷协调控制的前提是参与协调控制的锅炉已经实现了全自动控制，包括燃烧系统（燃料调节、送风调节和引风调节）、蒸汽系统和水系统的自动控制，并且具有良好的调节品质。

锅炉运行过程中，引风必须与送风协调，送风、引风协调控制及其在引风自动控制回路中采用ＰＩＤ与ＦＵＺＺＹ相结合的控制策略，克服了因炉膛漏风变化引起的送、引风系统难以控制问题，实现了送风、引风系统的长期、稳定自动运行。

并列运行锅炉的特性差别很大，负荷优化协调控制技术在满足蒸汽母管负荷总需求的同时在锅炉之间优化分配负荷，尽量使特性好、煤耗低的锅炉多带负荷，从而使总的耗煤量降低。锅炉负荷优化协调的核心是根据锅炉煤耗特性的不同，利用等微增率法进行锅炉间负荷的优化协调，再将优化结果做为给粉量控制器的给定值下达至各调压炉，从而在实现母管蒸汽压力自动控制的同时兼顾机组经济性。

效益分析：（１）锅炉燃烧系统投入自动后，可使锅炉的过剩空气系数维持在最佳值，保证有较好的燃料和空气的配合比例，从而提高了锅炉的效率。从设备的使用寿命来看，正常运行时汽包水位基本围绕设定值画直线，波动很小，汽温汽压运行稳定，水循环的可靠性及蒸汽水量均得到了保证，由此可大大延长水冷壁、过热器的使用寿命，由此节省的设备更新、检修维护费用也非常可规。

（２）提高了机组热效率。汽轮机的供汽压力和供汽温度越高，汽轮机的效率也越高。（３）提高了电厂运行的稳定性。锅炉运行过程实现全自动调节后，锅炉的各种运行参数都处于最佳状态，可有效防止局部过热、超温、超压等威胁锅炉安全运行的事故发生，从而减少锅炉非正常停炉次数；提高了运行的稳定性。