先进控制技术在炼油化工行业的应用

2023-01-03张永辉纪红霞山东华星石油化工集团有限公司山东东营257335

化工管理 2022年2期

张永辉，纪红霞(山东华星石油化工集团有限公司，山东东营 257335)

1 先进控制系统的主要特点

先进控制技术主要具有以下五个特点：(1)传统的控制技术需要应用精确的数学模型来实现生产过程的自动化控制，这导致其应用范围受到限制，而先进控制技术则不受这一因素的限制，可以在对研究对象模型知之甚少甚至不知道的前提下实现控制，模型的结构和参数可以在较大范围内变动，因此先进控制技术可以解决传统控制无法解决的问题，具有更大的应用范围，如可以采用模糊控制来进行生产的控制。(2)先进控制技术能够实现大时滞、多变量耦合等复杂的多变量过程控制，被控变量和控制变量之间存在各种约束条件。不同于传统的自动控制系统技术只能够完成控制任务单一性的特点，能够建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，从而实现工业生产过程的动态性和操作性的要求。(3)应用传统的控制理论难以解决高度非线性的问题，而应用先进控制技术则可以有效地解决这一问题，为解决这类问题提供途径。(4)先进控制技术具有具有自适应、自组织、自学习和自协调能力，有补偿及自修复能力和判断决策能力。(5)在实际运行过程中，先进控制技术需要足够的计算机算力作为支持，随着DCS技术的不断发展，当前很多的先进控制策略可以在DCS上实现，先进控制的可靠性、可维护性以及可操作性都得到了比较大的提升。

2 炼油化工行业的先进控制技术

2.1 数据的采集、处理、软测量技术

在炼油化工领域应用先进控制技术过程中，为了使其作用可以得到充分的发挥，保证实时数据充足、准确是重要的前提。但是在实际生产过程中，由于现场仪表信号等的不稳定，导致数据采集工作准确性易受到影响，容易出现失真、噪声波动等多方面的问题，因此需要通过对信号数据进行必要的识别处理，包括对信号数据变化程度进行检查等措施，提高数据的准确性。软测量技术主要应用了热量平衡、压力平衡等方面的机理，在先进控制技术的应用过程中，需要在半机理半经验的基础上，应用软测量模型和相应的计量方法，来进行变量的测量工作，从而基于其完成对生产过程的控制，这是先进控制技术的重要功能，常见软测量包括循环剂循环量和热炉效率计算等方面[1]。

在先进控制技术的实际应用过程中，数据采集技术具有非常重要的应用，其对先进控制技术的实际控制效果有比较大的影响。在先进技术在炼油化工行业的实际应用过程中，信息是先进控制技术应用的基础，而且受到炼油化工行企业在生产过程中噪声是比较大的。因此为了提升收取信息的准确性，在进行信息的收集时还需要进行噪声处理，通过滤波等方式来降低信息干扰，从而提高收集到的信息的准确性，更好的为先进控制提供信息支持。在完成信息的收集工作之后，需要进行误差的监测和识别，从而提高信息收集的准确性。举例来说，在炼油化工行业生产过程中。汽油的饱和蒸气压、粗汽油的干点以及轻柴油的倾点等数据都需要进行采集[2]，这些信息的采集质量直接影响到指标评估的准确性，因此对其进行全面的数据信息采集，保证数据信息的准确性非常重要。

2.2 人工智能技术

人工智能技术在炼油化工领域有非常好的应用前景，尤其是在过程控制领域，人工智能技术具有重要应用。当前，常见的人工智能技术主要包括专家系统、模糊控制和神经元系统等。在实际应用中，专家系统主要应用于仪表测量、工业过程故障分析等领域，用于解决生产过程中遇到的问题，并且对生产的过程进行监督，保证生产的质量，在规模较大的机组中应用比较广泛；神经元系统的主要作用是为非线性过程建模提供有效的方法，在神经元网络技术中，当前应用较为广泛的包括前向网络法和反向传播算法等，通过应用神经控制方法，能够实现对炼油化工生产过程中的复杂加工模式进行联想和推测处理，通过应用其自学能力，能够对生产过程进行智能化的预测，从而提升生产的质量。模糊控制是基于模糊控制理论的一种人工智能技术，在现阶段应用还不广泛，随着该技术的发展，其在改善原有控制过程方面会有比较重要的应用[3]。

2.3 预测控制技术

预测控制技术已经发展处多种相应理论，其中以预测启发控制和动态矩阵控制两种最为著名。预测控制模型的工作原理有两种，分别是脉冲响应和阶跃响应，这两种原理的应用都比较简单，获得相应模型都较为容易。在预测控制技术中，一方面保留了传统控制原理的先进思想，同时应用滚动优化的方法对传统控制方式进行了优化。在预测控制技术中，能够通过实测值对预测进行反馈了校正，从而降低不确定性对于控制的影响，提高控制的准确性。

在预测控制技术的实际应用中，主要通过数学模型来实现信息输出变量的预测，然后通过预测出来的信息来对生产过程进行反馈控制，实现生产过程的有效控制。同时，其还能够利用不可测扰动进行推算，具体包括组分推断控制、热焓控制以及内回流控制等方面内容。在实际应用过程中，该技术可以不应用在线分析的方式来进行信息的反馈，其通过进料、温度和压力等数据信息就能够实现产品生产流程的确定，并且进行精确的反馈控制，对炼油化工的生产过程进行高效控制，提高生产的质量和效率，更好的保证生产的安全性。

2.4 模型辨识技术的应用

模型辨识技术是指，在炼油化工生产过程中，对动态模型进行的质量控制。炼油化工的生产流程是比较复杂的，提高了模型辨识工作的难度，需要应用具有较强辨识能力的软件来进行模型识别，从而将数据信息中的各类虚假信息删除掉，并且获取具有实际应用价值的信息，将其应用到炼油化工的先进控制工作中，提高控制的准确性。在此过程中通常需要应用到动态数学模型，因此该模型在应用过程中需要应用到动态学、统计学以及系统辨识学等，从而起到良好的辨识效果。

3 先进控制技术在炼油化工行业的具体应用

先进控制技术在炼油化工行业中有着重要应用，通过炼油化工企业的生产装置中应用先进控制技术能够有效地提高生产的控制水平，提高生产的效率，从而推动炼油化工企业的发展，下面对先进控制技术在石油炼化企业生产装置中的具体应用进行探讨。

3.1 先进控制技术在加热炉中的应用

在加热炉中，先进控制技术主要有以下四方面的应用：(1)加热炉热效率。将先进控制技术应用到加热炉热效率的相关算法中，可以优化加热炉热效率的控制，使得加热炉热效率得到提升。(2)加热支路平衡。先进控制技术在加热支路平衡中也有重要作用，在实际生产过程中，若加热炉的温度和进料都保持不变，需要根据温度的高低，对加热炉管的流量进行调整，从而使支路出口处的温度保持相同，通过这样的控制手段，能够使避免部门加热管道出现明显过热的问题，从而可以延长加热炉的使用寿命，先进控制技术的应用可以更加准确的调整加热炉管流量，起到更好的控制效果。(3)加热炉出口温度串级控制。通在加热炉加热过程中，干扰源会对其运行造成影响，通过应用先进控制技术，能够将前馈信息融入到回路炉之中，从而降低干扰，提高温度控制的准确度，从而使出口温度控制达到良好的效果。(4)加热炉提降量控制。应用先进控制技术，能够在加热炉总流量出现变化时，对总流量进行合理、均匀的配置，从而使炉膛温度保持在要求范围内，保证生产工作的正常进行。

3.2 先进控制技术在分馏塔中的应用

在炼油化工企业生产过程中，分馏塔中段的回流取热控制是一项重要内容，通过应用先进控制技术，能够有效地提高回流取热分配的合理性。在分馏塔中段回流取热控制工作中，主要应用预测控制技术。在具体工作过程中，首先确定生产方案，明确分馏塔各个阶段的取热比例和范围，然后通过先进控制技术，将取热比控制在范围内。对于中段回流控制，主要应用的是动态矩阵控制方法，在实际控制中，取热量作为控制变量，回流量则作为操作变量，通过对回流取热进行控制和合理化分配，提高生产的质量。

3.3 原油蒸馏塔的建模与优化

原油蒸馏塔模型是基于Sorel平衡性模型来进行建立的。Sorel平衡模型进行了如下假设：任一平衡级的两相物流总处于热力学平衡状态，通过对各平衡级进行物料平衡、能量平衡、相平衡计算，可以建立模型，并且得到Sorel方程。在实际应用过程中，对于Sorel模型方程，有多种不同的计算机求解算法，包括方程分解算法等。在常压蒸馏过程中，需要解决稳态优化问题，这一问题可以被描述为在平衡操作的前提下，利用蒸馏过程数学模型，在一定质量指标约束下，用遗传算法来对目标函数进行求解和优化，最终计算出操作变量的设定值，操作人员可以根据计算结果，进行操作过程的控制和优化。

3.4 基于神经元网络的粗汽油干点和轻柴油倾点软测量及质量卡边控制

根据生产实践可知，粗汽油干点和轻柴油倾点与其对应的温度和油气分压呈现出非线性关系，具体表现出以下特点：在对应的温度较高时，质量点也较高；对应的油气分压高时，则质量点的值低。基于这一规律，通过应用神经元网络技术，能够通过已获得的化验值和相关参数值寻找出最佳的权重即样本学习，然后把实时的相关参数值通过该权重计算出适时的软测量值。

3.5 先进控制技术在延迟焦化装置中的应用

在延迟焦化装置中应用先进控制技术，能够起到良好的控制效果。在生产实践中，某炼油企业在延迟焦化装置中应用了先进控制技术，通过应用先进控制技术能够充分应用多变量控制器的协调能力，从而有效的提高装置操作的稳定性。在炼油厂生产装置中，焦化装置在生产过程中具有特殊性，在焦炭塔进行切换时，焦炭塔暖塔和吹气将给装置的操作带来较大幅度的扰动，而且导致的扰动是无法进行测量的，应用先进控制技术可以解决这一问题，在实际应用中，可以将扰动作为反应系统控制器的事件干扰变量，以变幅度的扰动序列来描述事件，通过这样的方式可以有效的降低焦炭塔切换对生产造成的影响，从而有效的提高生产的效率，提高企业的经济效益。

3.6 先进控制在液体催化裂化流程中应用

在石油炼化企业生产过程中，液体催化裂化是重要的工艺流程，通过在该工艺流程中应用先进控制技术，能够有效的提高控制效果，提高生产的效率。某企业通过在液体催化裂化工艺流程中应用先进控制技术，有效提高了生产效率，相关数据显示，先进控制技术在应用以后，该企业减压渣油掺减率、汽油收率、柴油收率、轻质油收率都获得了显著提升，而液化石油气收率、干气收率、油浆收率等下降。该公司还对分馏稳定系统进行了优化，并且对先进控制系统应用经济效益进行了评价，结果显示通过先进控制技术的应用，可以为该企业带来超过800万元/年的收益，因此先进控制技术得以应用起到了良好的效果。

4 炼油化工自动化的发展建议

炼油化工企业需要不断提高自身自动控制的水平和应用效率，通过积极开发和应用先进控制系统，来提高生产控制水平，提高现有装置的经济利益。同时，还应强化当前已有的先进控制软件的商品化开发，推广其不断应用，推动其产业化发展。在生产过程中，要着重加强生产运营和设备的安全性监测、故障诊断和预报控制等技术的开发应用，提高企业生产的安全性。加上环保监测自动控制系统的研究和应用，特别针对环境污染严重，或者是存在易燃、易爆和易中毒的岗位和工作场合，需要建立监测和预报系统，从而保证生产的安全，并且确保生产过程满足环境需求。

在推动炼化企业信息化和自动化控制水平的过程中，过程控制的技术人员需要提高自身知识的广度，同时把从事计算机科学、人工智能、过程控制与化学工程的技术人员有机结合起来，通过交叉学科性质的新课题研究，提高炼油化工自动化水平，从而更好的满足生产的实际需求，推动炼油化工行业的发展。