自控率提升项目在典型炼油装置的应用

2022-09-08王士新

今日自动化 2022年7期

王士新

（中国石化股份有限公司天津分公司，天津 300040）

当前企业的炼油装置经常采用DCS 进行控制，DCS 的采用为企业提高控制和管理水平起到了巨大的作用，而在DCS 的基础上对控制系统进行改进和优化则可以用较小的投入取得较大的收益。

自控率指投入自动控制的回路数占实际运行的总回路数之比，是评估企业自动化程度的核心指标，是仪表应用管理重要组成部分；平稳率指工艺卡片超标累计和与总的工艺卡片参与考核累计和之比，是衡量装置运行状况的的量化指标，是工艺管理的重要内容。这两个指标的提升与优化，关系到炼油装置“安全、稳定、长周期、满负荷、优质”的运行，及其产品能否得到最优的质量、收率、能耗和经济效益的关键控制点。

1 目前炼化装置在自动控制方面存在的主要问题

随着装置长周期运行与精细生产理念的提出，炼油装置通过节能、隐患治理、质量升级、环保治理等技术改造，工艺技术及安全水平不断提高，结构负荷得到了改善，但受操作习惯、控制方案、设备状况等多种因素的制约，装置自控率和装置平稳率仍相对薄弱，特别是部分装置实际自控率依然处于一个偏低的水平，没有充分发挥出控制系统的自动化、最优控制功能，操作人员的工作强度依然较高，误操作的风险仍然存在。

通过梳理某企业催化裂化、加氢裂化、延迟焦化几种典型炼油装置，主要存在问题如下。

（1）部分PID 控制器处于手动状态，波动较大，一些PID 调节器没有投自动或难以长周期在自动状态下运行，部分已投入自动运行的PID 回路运行效果也不好，表现为被控参数波动幅度过大，有的甚至接近等幅振荡。有的投入自动运行回路即使被控参数波动不大，但是阀门经常进行频繁大幅度开关动作，造成下游工况的恶化，设备损耗严重，影响装置的平稳运行。

（2）一些串级、均匀、前馈等复杂控制回路难以长时间在自动状况下运行，不能实现高精度控制，影响装置指标卡边操作及节能降耗。

（3）对于操作人员，装置系统操作难度及操作强度较大，操作弹性较小。

（4）装置生产运行不稳定，部分回路报警频繁。

（5）控制方案不够完善，即使负荷稳定状态下也达不到全自动化操作。

在某企业自控率提升项目前期数据收集阶段，对项目涉及到的部分装置进行了DCS 自动回路投用状况的调研工作，调研数据见表1。

表1 典型装置优化前调研数据

由表1可以看出，各装置的自控率和串级投用率都不高，这些问题的核心和实质就是控制器设计不够优化和参数整定不合理造成自控率较低。

2 提升优化项目的技术路线

2.1 进行装置内逐个单回路的优化

回路优化时要求不仅要回路控制得稳，更重要的是控制阀门动作要稳。

2.2 完善装置的控制回路方案

目前，很多生产装置的回路设计还不完善，造成操作人员干预太多，而每个操作人员的操作手法差别较大，不熟练人员操作易造成装置波动。本项目中，将根据工艺过程和全流程自动控制的需要完善控制回路，使装置能满足全流程自动控制的要求。

2.3 考虑上下游协调的控制优化和全流程自动的实施

考虑装置的上下游之间的协调，进行控制器的优化，并按照全流程自动的思想实施，保证整个装置的平稳、优化。

2.4 实施“基于树状结构的带评比考核功能的装置自控率、平稳率监控”

目前装置自控率、平稳率的监控功能比较简单、人工输入强度大，很难起到及时的监督、考核、改进的作用。实施自动化的自控率、平稳率监控”，能准确、真实反映和记录装置实际状况，并进行所有装置的排序和评比，能极大地督促和保证装置自控率、平稳率的提高。

3 提升优化项目的具体技术措施

当前，装置控制器普遍采用PID 调节，PID 调节的具体情况如下。

（1）PID 控制的形式固定，无论是温度、流量、液位还是压力，也不管对象的具体特点，控制形式均采用一种相同的PID 控制形式，如采用：

其中K、T1、T2为比例、积分、微分系数，即为PID 参数。而实际上，由于对象特性不同，响应时间不同，其PID 控制器的形式也应该是有差异的，而目前的组态方式并没有体现出这一差异而区别设置。

（2）PID 参数的设置（PID 参数的整定）往往很不合理

如某进口品牌DCS 中，缺省PID 参数厂家若设置为100，20，0；组态完毕进入生产装置以后，操作工或工艺人员整定PID 参数时，往往只是在100，20，0附近进行一些修改，而实际上，优化的PID 参数往往与以上数据有巨大差别。而此时如何进行设置，操作人员、工艺人员难以说清楚，并且手工凑试往往满足不了要求。

针对以上问题，项目的研究开发内容可以归结为几个方面。

①根据生产装置控制对象的不同特点，选用不同的PID 控制类型，如流量的调节可采用以下PID 形式：

在这种形式下，流量调节阀对流量扰动干扰的影响将减小，能起到较好的控制效果。

②对于一个对象，对该对象选定的特定的PID 控制形式，根据对象的具体特点，用预测、内模等先进控制算法去整定PID 的参数，使对象稳定，响应速度快，控制精度高。对特定的对象，对选定的控制器PID 形式及参数进行仿真，若仿真能达到良好的效果，则将控制器PID 的形式及PID 参数下装到DCS 中对应的回路。

③对于系统中需要滤波的环节，组态增加一组一阶数字滤波器，一阶数字滤波器的传递函数如下：

④根据工艺流程特点，根据全流程自动的思想，按照优化控制的需要，适当修改控制方案（如组态串级方案，比例控制等），实施全流程的自动，以期达到平稳操作，确保产品质量和节能降耗的需求。

⑤实施“基于树状结构的带评比考核功能的装置自控率、平稳率监控系统”，从运行管理上督促和调整装置自控率、平稳率的提高。

4 提升优化项目的实施内容

4.1 搭建自控率平稳率监控系统

按照公司、分厂、生产装置、回路的树状结构进行展示，分层统计自控率，包括分公司自控率、厂自控率、生产装置自控率、回路自控率。自控率计算方法为：自控率＝所统计时间段内投自动的点数/总点数。系统可以任意查询5年内任意时间段、任意装置、任意回路的自控率、平稳率，采用一系列的数据库优化技术进行处理，以提高性能和速度。

4.2 控制回路的参数采集

搭建自控平稳率监控平台、PID 及参数采集系统，方便后续优化工作展开，每套生产装置原始数据的采集，对装置每一个PID 控制回路，采集PV（过程值）、SV（给定值）、MV（阀位值）、MODE（手自动模式值）。

4.3 优化生产装置PID控制器的形式

目前，装置中PID 控制的形式固定，无论是温度、流量、液位还是压力，也不管对象的具体特点，控制形式基本采用一种相同的PID 控制形式。

本项目中，运用先进控制的思想去整定和优化PID 控制器的形式和控制器参数，既保留了先进控制的优点、又保持了PID 的鲁棒性，并且避免了一些先进控制需单独设置工作站、技术复杂、造价昂贵的缺点。

如图1所示，常规PID 控制如图1左上，一般的先进控制的实施如图1右上和图1左下，本项目中，将先进控制与PID 相结合，其具体实现如图1右下。

图1 当前先进控制实施的形式

下面以内模—PID 为例说明本项目中先进控制优化整定PID 参数的具体思路。图2 中描述了PID 控制和内模控制之间的等价关系，可以非常方便地建立起内模先进控制和普通PID 之间的关系，即Gc=（I+CGm）-1C，从而可以从内模控制Gc 求解出PID控制器C，从而得到PID 的参数，完成了内模—PID的整定，并且整定后的PID 参数具有内模先进控制的优点。

图2 用内模控制整定PID控制器参数原理

4.4 优化PID参数的设置

对装置上所有的回路进行PID 参数整定，提升各回路的自动控制效果，并解决参数不起控制作用的假自动问题。经过参数优化后，对于手动回路以及未投用的复杂控制回路试投用并观察运行状况。目前使用的手工凑试整定方法不能完全满足PID 参数整定需要。项目实施中根据对象的具体特点，用预测、内模等先进控制算法去整定PID 的参数，使对象稳定，响应速度快，控制精度高，对特定的对象，对选定的控制器PID 形式及参数进行仿真，若仿真能达到良好的效果，则将控制器PID 的形式及PID 参数下发到DCS 中对应的回路。

5 提升优化项目的工作效果

项目实施过程中，各装置很多回路控制效果大幅改善，并在此选取各装置部分回路举例说明控制效果提升情况。

5.1 加氢裂化装置

高低分画面低分液位控制LIC3305优化前无法投用串级自动控制，需要手动调整流量，操作较多，控制效果较差，波动范围达到12%。经过优化实现串级自动控制，波动范围减小到2.5%，能够长期平稳运行，降低了劳动强度，提高了低分液位的稳定性。优化前后控制效果对比如图3所示。

图3 高低分画面低分液位控制LIC3305优化前后控制效果对比图

5.2 2#加氢裂化装置

石脑油分馏塔回流罐界位LIC21002优化前已投用自动，但是控制效果不佳，界位始终处于大幅波动，无法达到稳定状态。经过参数优化后，此界位控制回路控制效果大幅提升，界位波动幅度由3.5%降至0.3%，能够稳定在设定值附近，同时凝结水量采出阀也基本维持稳定，不再大开大合。优化前后控制效果对比如图4所示：