榮獲“2005年度工控及自動化領(lǐng)域優(yōu)秀案例”有獎評選 　三等獎 1．概述 RMPCT(Robust Multi-variable Predictive Control Technology)即魯棒多變量預(yù)估控制技術(shù)，又稱Profit Controller(效益控制器)，是Honeywell公司研制的一種多輸入多輸出(MIMO)的先進控制技術(shù)。對于變量間高度藕合的系統(tǒng)，RMPCT通過階躍實驗建立系統(tǒng)的動態(tài)模型，然后通過這一動態(tài)模型，預(yù)估過程的變化方向，并決定如何調(diào)節(jié)控制器的輸出，使得過程變量處于設(shè)定點或合適的區(qū)間。 FCCU(催化裂化裝置)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作變量多，相互間作用強等特點，應(yīng)用先進控制可以提高FCCU的控制品質(zhì)，提高目的產(chǎn)品收率，改善產(chǎn)品分布，降低變量的擾動程度，從而大大提高裝置的經(jīng)濟效益。 目前，先進控制技術(shù)在我國FCCU的應(yīng)用已經(jīng)有多套，有的也取得了明顯的成效，但有的裝置也有不少問題。北京設(shè)計院在推廣先進控制技術(shù)的項目中，也承擔(dān)了部分工作，本文以采用北京設(shè)計院設(shè)計開發(fā)的采用重疊式兩段再生技術(shù)的重油催化裂化裝置(RFCCU)為例，談?wù)勏冗M控制技術(shù)在FCCU的應(yīng)用。 2．重疊式兩段再生技術(shù)簡介 重疊式兩段再生技術(shù)是為加工難裂化、生焦量大的重質(zhì)原料而設(shè)計的，第一再生器在較低溫度下進行部分燃燒，將催化劑上部分碳和全部氫燒掉，降低了第二再生器中的水蒸汽分壓；第二再生器雖然在高溫下操作，但水蒸汽分壓較低，減少了催化劑的水熱失活，有利于保持催化劑活性和選擇性。二段再生置于一段下部，一段再生在較低溫度下進行部分燃燒，二段再生在較高溫度下完全燃燒，引二段再生氧濃度6%以上的煙氣進入一段再生，使主風(fēng)得以充分利用，避免了二次燃燒。兩段再生技術(shù)還采用了高效霧化噴嘴、分段進料、高效分段汽提、下流式外取熱器等技術(shù)。 重疊式兩段再生技術(shù)的主要控制方案為∶ 第一再生器及第二再生器的操作壓力由設(shè)在三旋后的雙動滑閥控制 提升管出口溫度由再生滑閥控制 待生催化劑滑閥用來控制汽提段催化劑料位高度 一再床層料位由半再生滑閥控制 第一再生器溫度由一再分布環(huán)的風(fēng)量來控制 第二再生器溫度由外取熱器下滑閥開度或外取熱器流化風(fēng)量控制 3．實施先進控制前的準(zhǔn)備工作 3．1 儀表參數(shù)的整定 裝置自開工至實施先進控制，已經(jīng)運行了一段時間，大部分PID參數(shù)是可以滿足先進控制的要求的。但是有的回路在小的擾動下是可以很快達到穩(wěn)定的，但在進行初步階躍實驗時，在裝置波動較大的情況下，就有可能振蕩或發(fā)散，這就需要及時整定儀表參數(shù)，保證為先進控制提供一個平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)。 3．2 提高裝置的自動化率 由于各裝置的操作習(xí)慣，或儀表、閥門的質(zhì)量問題，或者是設(shè)計的考慮不周，有的回路無法投自動。例如外取熱器下滑閥對第二再生器溫度的控制，油漿上下返塔之間互相影響，這些回路投自動就比較困難。但如果某些重要回路不投自動的話，先進控制就無法投用。對于不能投用自動的回路應(yīng)分析其原因，更換閥門或改變控制方案，并將裝置的自動化率作為班組操作的考核指標(biāo)，以切實提高裝置的自動化水平，保障先進控制的投用率。 另外，對于某些純滯后時間長，或變量間藕合嚴重的回路，PID調(diào)節(jié)難以適用，也可以用RMPCT取代PID調(diào)節(jié)，發(fā)揮RMPCT的優(yōu)勢。例如反應(yīng)壓力的控制，由于滯后時間長，氣壓機轉(zhuǎn)速只能與氣壓機入口處壓力構(gòu)成回路，應(yīng)用先進控制時，可以考慮用氣壓機轉(zhuǎn)速直接作為反應(yīng)壓力的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以使反應(yīng)壓力的控制更穩(wěn)定。 3．3 針對裝置瓶頸進行改造 裝置的實際操作條件總是不同于裝置的設(shè)計條件，由于原料、處理量、催化劑的變化等原因，一般裝置可能會遇到以下幾個問題，限制裝置能力的發(fā)揮∶ 循環(huán)斜管或滑閥過小，影響催化劑循環(huán)量的提高，無法提高劑油比 主風(fēng)量限制或外取熱器損壞，燒焦能力受限制 主分餾塔中段取熱能力不夠，分餾塔操作困難 干氣不干、穩(wěn)定塔頂出不凝氣 氣壓機調(diào)速器故障，用反飛動調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力 在裝置平時操作就很困難的情況下，勉強投用先進控制也不會有好的效果。結(jié)合控制系統(tǒng)的升級，對裝置進行核算和技術(shù)改造，消除瓶頸，會起到事半功倍的效果。 3．4 增加先進控制要求的測點 4．IRC（中間調(diào)節(jié)控制器）的應(yīng)用 IRC（中間調(diào)節(jié)控制器）的作用是為實現(xiàn)多變量預(yù)估控制提供一個穩(wěn)定的平臺。對于RFCCU而言，常用的有比例控制和非線性液位控制。 有人提出霧化蒸氣與原料的比例控制，認為霧化蒸氣量應(yīng)隨原料油的變化而變化，而實際上，對于每一個固定的霧化噴嘴而言，霧化效果主要取決于霧化蒸氣量，并且都應(yīng)該有一個最優(yōu)的數(shù)值。一般而言，霧化蒸氣量應(yīng)保持設(shè)計值，為了減少蒸氣消耗而造成霧化效果變差往往是得不償失的。另一方面，頻繁改變霧化蒸氣量造成反應(yīng)時間的波動，對達到一個穩(wěn)定的反應(yīng)深度也是不利的。不如對霧化蒸汽引入溫壓補償，抵消蒸汽管網(wǎng)的波動，可能會收到更好的效果。 比例控制的功能一般DCS系統(tǒng)都有，而非線性液位控制也可以作為RMPCT控制的一個變量，從這一方面講，IRC似乎在先進控制中的作用并不是不可缺少的。只要對裝置原有的控制系統(tǒng)進行仔細的整定，也可以達到相同的效果。 5．RFCCU反應(yīng)再生系統(tǒng)RMPCT控制器的設(shè)計 一個設(shè)計良好的控制器不一定是最復(fù)雜的，在確定控制器結(jié)構(gòu)的過程中，裝置的現(xiàn)場工程師是最有發(fā)言權(quán)的。對于如何操作重疊式兩段再生的RFCCU，由于現(xiàn)場情況不同，很多裝置都有其獨到的經(jīng)驗。將寶貴的現(xiàn)場經(jīng)驗用于控制器的設(shè)計，對于控制器的建立是大有好處的。本文針對RFCCU反應(yīng)再生系統(tǒng)，討論RMPCT控制器的設(shè)計。 5．1控制目標(biāo) 設(shè)計RMPCT首先要明確其控制目標(biāo)，從而可以確定操作變量、受控變量及干擾變量。RFCCU的反應(yīng)再生系統(tǒng)的控制目標(biāo)可分為兩個部分進行討論。 A． 反應(yīng)部分的控制目標(biāo) 反應(yīng)部分的作用就是將原料進行催化裂化反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物。所以其控制目標(biāo)為： 調(diào)整反應(yīng)深度，改變產(chǎn)率分布，提高目的產(chǎn)品的產(chǎn)率，以獲得最大的經(jīng)濟效益。 B． 再生部分的控制目標(biāo) 再生部分的作用是將催化劑上的焦碳燒掉，恢復(fù)其活性和選擇性，為反應(yīng)部分穩(wěn)定提供具有一定活性和溫度的催化劑。其控制目標(biāo)為∶ 滿足裝置約束，控制再生溫度穩(wěn)定，保障設(shè)備安全 控制一再煙氣過剩氧含量，避免二次燃燒 在不同的焦碳產(chǎn)率下達到熱平衡，為提高裝置處理量或摻渣量創(chuàng)造條件 5．2 受控變量 受控變量可分為兩類：約束變量和優(yōu)化變量。 約束變量為設(shè)備本身條件要求或工藝過程要求，比如再生器溫度，受催化劑熱穩(wěn)定性的限制，一般在700℃左右，只要不超過上限，多變量預(yù)估控制器就不需要進行調(diào)節(jié)。 反應(yīng)再生系統(tǒng)的約束變量有∶ 一再稀相溫度 一再密相溫度 一再氧含量 一再CO含量 二再稀相溫度 二再密相溫度 反應(yīng)壓力 回?zé)捰凸抟何? 其中二再密相溫度直接影響再生催化劑的含碳量和催化劑循環(huán)量，從而對反應(yīng)造成影響，所以應(yīng)盡量保持二再密相溫度的平穩(wěn)。 優(yōu)化變量是實施先進控制所要優(yōu)化的變量，比如預(yù)估汽油產(chǎn)量等，與經(jīng)濟效益密切相關(guān)，在操作變量有自由度的時候，就要對優(yōu)化變量起優(yōu)化作用，將優(yōu)化變量推向某一個極限，使得經(jīng)濟效益最大化。 反應(yīng)再生系統(tǒng)的優(yōu)化變量有∶ 預(yù)測轉(zhuǎn)化率 預(yù)測干氣產(chǎn)量 預(yù)測液化氣產(chǎn)量 預(yù)測汽油產(chǎn)量 預(yù)測輕柴油產(chǎn)量 預(yù)測油漿產(chǎn)量 預(yù)測焦炭產(chǎn)量 5．3 操作變量 操作變量是實現(xiàn)受控變量的手段。在實際操作中，反應(yīng)部分的考核指標(biāo)是提升管出口溫度，常用的操作手段是調(diào)節(jié)再生滑閥開度，回?zé)捰?、油漿回?zé)捔浚崩溆土?。而多變量預(yù)估控制器的優(yōu)勢就在于綜合運用多個調(diào)節(jié)手段，以最小的動作，達到操作目標(biāo)。 在選擇操作變量的過程中，對于工藝過程的深刻了解是非常必要的。以下幾個變量就不宜作為操作變量∶ A．原料預(yù)熱溫度 預(yù)料預(yù)熱溫度對于催化劑循環(huán)量的有直接影響。但從進料霧化噴嘴的操作考慮，要使原料良好的霧化，適合的粘度是至關(guān)重要的。有時預(yù)熱溫度降得很低，劑油比提了上去，從理論上講對催化反應(yīng)是有利的，但原料油粘度增大，霧化效果變差，反而會導(dǎo)致焦炭和干氣產(chǎn)率上升。 B． 反應(yīng)壓力 反應(yīng)壓力是影響反應(yīng)的一個重要因素。但是反應(yīng)壓力的調(diào)節(jié)滯后時間長，不易實現(xiàn)，另外壓力平衡對反應(yīng)再生部分催化劑的循環(huán)和流化影響很大，調(diào)節(jié)不當(dāng)，會引起難以預(yù)料的后果。不如將反應(yīng)壓力作為受控變量，保持其穩(wěn)定，為其它變量的調(diào)節(jié)提供一個穩(wěn)定的條件。 C．再生壓力 再生壓力對燒焦速度有影響，但考慮到壓力平衡，以及煙氣能量的穩(wěn)定回收，再生壓力也不宜作為經(jīng)常調(diào)節(jié)的變量。由于雙動滑閥滑閥的作用，再生壓力一般控制是很平穩(wěn)的。沒有必要用RMPCT來取代PID控制。 D． 二再主風(fēng)量 由于重疊式兩段再生技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)，即二再煙氣通過一、二再之間的分布板進入一再，二再主風(fēng)的變化直接影響催化劑內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的量，從而造成一、二再料位的變化，這對于再生器內(nèi)催化劑的穩(wěn)定流化相當(dāng)不利。另外，由于主風(fēng)機組的原因，很多裝置傾向于固定總風(fēng)量，使得一再主風(fēng)和二再主風(fēng)相互影響。 因此，一再主風(fēng)應(yīng)作為操作變量，作為調(diào)節(jié)燒焦比例的主要手段，而二再主風(fēng)可以作為干擾變量，用RMPCT來預(yù)估二再風(fēng)量引起的變化，并通過其它變量來抵消二再風(fēng)量變化帶來的影響。 E． 汽提蒸汽量 汽提蒸汽影響焦炭中可汽提焦的含量，改善汽提效果，有利于減少再生器的燒焦負荷，增加目的產(chǎn)品產(chǎn)量。但考慮到旋分分離器入口線速的限制，汽提蒸汽調(diào)節(jié)的范圍不大，并且各裝置也已經(jīng)逐漸摸索出一個優(yōu)化的汽提蒸汽量，沒有必要將其作為操作變量。 可用于反應(yīng)再生系統(tǒng)的操作變量∶ 在反<