摘要：介紹了多變量預估控制技術在氣體分餾裝置丙烯分餾塔先進控制中的應用，對預測控制技術的選擇、先進控制系統方案設計、主要變量選擇、約束條件、控制器原理進行了詳細分析研究，評估了多變量預估控制技術在工業應用中的應用效果和產生的經濟效益。

關鍵詞:丙烯分餾；多變量預估控制；變量選擇；先進控制技術

 引言

目前石油化學工業正飛速發展，煉廠氣的利用價值越來越受到人們的重視。其中，丙烯、丙烷餾分是生產高附加值化工產品的重要原料。近幾年，隨著經濟的快速增長，聚丙烯工業得到的長足的發展，因此，市場對丙烯原料的需求量日益增長。在煉廠中，丙烯產品主要來源于氣體分餾裝置對催化裂化液化氣的分離，但隨著工業生產技術的不斷發展，對控制系統的要求也在不斷提高，對于大時間滯后、多變量耦合的復雜控制對象以及質量平穩卡邊等的控制要求，常規PID控制技術很難滿足，而先進控制技術的不斷涌現解決了工業過程中上述控制問題。因此對煉油廠而言，在氣體分餾裝置上進一步優化操作，保證平穩運行，促進節能降耗，實現質量控制，對提高煉廠的經濟效益增加煉廠的競爭力有非常重要的意義。

根據丙烯分餾塔的工藝特點，中國石油獨山子石化公司煉油廠氣體分餾裝置先進控制系統采用多變量預估控制技術對丙烯分餾塔Ⅰ的塔底溫度，塔底丙烷濃度，丙烯分餾塔Ⅱ的塔頂溫度及回流罐液位，塔頂精丙烯預側線粗丙烯的濃度和回流比，丙烯分餾塔Ⅱ回流罐液位速率，丙烯分餾塔Ⅱ回流比，丙烷濃度，精丙烯濃度，側線粗丙烯濃度等進行了先進控制，目的是提高裝置運行的平穩性，實現產品質量及其它不可測變量的實時在線計算，達到指導操作和閉環控制的要求，實現產品質量卡邊控制，提高高價值產品收率。

1 .預測控制技術的選擇

控制技術是近年來發展起來的一類新型計算機控制算法。這種控制算法和以狀態空間法為代表的現代控制理論設計方法有著明顯的不同，它不需要被控對象的精確的數學模型，利用數字計算機的計算能力實行在線的滾動優化計算，從而取得好的綜合控制效果^[1]。

采用非參數模型的預測控制算法典型的有模型算法控制（MAC）和動態矩陣控制（DMC）等，其基本特征有：建立預測模型方便，采用滾動優化策略，采用模型誤差反饋校正；另一類預測控制算法是基于離散參數預測模型的，其中代表性的是廣義預測控制（GPC）和廣義預測極點配置控制（GPP），這類算法仍然保留了基于非參數模型的MAC和DMC等預測控制算法的預測模型、滾動優化和反饋校正的三個基本特征，只是這里采用的預測模型是具有一定結構和參數的離散受控自回歸積分滑動平均模型（CARIMA）或受控自回歸滑動平均模型（CARMA）^[2]。

目前業界普遍采用的是以階躍測試數據辨識的輸入輸出模型為基礎的控制算法（MAC、DMC、GPC等），此種技術的特點是需要對生產裝置進行擾動測試，在根據測試數據辨識出描述過程輸入輸出信息的黑箱模型，建立黑箱模型不需要對具體生產過程的物理化學機理有較深入的了解，因此對先進控制工程實施人員的要求相對較低，便于工程化和技術推廣。但是黑箱模型比較簡單，只描述過程的輸入輸出信息，一般只適用于穩定對象，并且基于數據辨識的數學模型適應生產變化的能力相對較弱，由于經常的裝置改造或生產方案的變化而使投用率下降。石油大學袁璞教授多年致力于模型預估控制算法的研究和實際工程應用，通過對模型描述和預估控制算法的輸入研究，揭示了模型預估控制算法的結構統一性，以及多值預估控制算法和單值預估控制算法^[3]在模型準確時的統一性，從而提出了適用于各種數學模型描述的通用預估控制算法（UPC –Unified Predictive Control）^[4]，并以此開發了適用于工程實際應用的變結構多變量通用模型預估協調控制器（VSUPCC，Varied Structure Unified Predictive Coordinated Controller）^[5]。為了更好的適應生產變化、克服測試模型技術存在的不足，VSUPCC采用以機理分析為基礎的狀態空間模型，通過機理分析所得的動態模型更能反映生產過程的物理化學原理，容易外推、適應生產變化的能力強、控制器的魯棒性強，由于不需要階躍測試，建立模型期間對生產沒有干擾。采用狀態空間模型的好處是除了能描述生產過程的輸入輸出信息外，還能描述過程的中間狀態變量，從而可以盡可能的利用可測狀態變量實現狀態反饋，進一步提高系統的魯棒性和抗（可測、不可測）干擾能力。VSUPCC控制技術結合基于機理動態模型的重要不可測變量的在線實時觀測技術（軟儀表），經過不斷研究、開發和實踐，已經形成了一整套過程先進控制解決方案（PACROS，Process Advanced Control and Real-Time Optimization Solution）。本文采用以通用預估算法（UPC）建立起來的變結構多變量通用模型預估協調控制器（VSUPCC）對氣體分餾裝置丙烯分餾塔進行先進控制。

2 .工藝流程簡介

催化裂化裝置及焦化來的含硫量較高的液態烴經液態烴原料泵送入胺脫硫塔、胺液沉降塔下部自下而上脫除液態烴中的大部分硫化氫，脫除大部分硫化氫的液態烴經過一、二級堿洗罐，水洗罐，沉降脫水罐等過程后得到精制液態烴，精制液態烴送到脫丙烷塔進料罐中經脫丙烷塔進料換熱器與塔底碳四換熱后，再經進料加熱器與熱水換熱后進入脫丙烷塔，塔底碳四餾份靠自壓經過換熱后，通過冷卻器冷卻到40℃左右送去球罐。脫丙烷塔頂碳三餾份經塔頂空冷器和后冷卻器冷凝冷卻到40℃進入脫丙烷塔頂回流罐，一部分用抽出作脫丙烷塔回流，另一部分向脫乙烷塔進料。脫乙烷塔塔頂產物經冷凝冷卻器冷凝冷卻至30～35℃，進入脫乙烷塔回流罐，塔底餾份靠壓差自壓進入丙烯分餾塔Ⅰ，塔底丙烷餾份送到銷售車間丙烷罐。丙烯分餾塔Ⅰ頂餾份進入丙烯分餾塔Ⅱ底部，丙烯分餾塔Ⅱ塔底餾出液經丙烯分餾塔Ⅰ頂回流泵抽出作為丙烯分餾塔Ⅰ頂回流，塔頂餾份進入塔頂回流罐，一部分經塔頂回流泵抽出作為塔頂回流，回流比為8～18，另一部分去乙烯廠聚丙烯裝置。從丙烯分餾塔Ⅱ側線抽出一部分純度約98%的丙烯，經過丙烯冷卻器冷卻后，送到聚丙烯廠。氣分裝置整體流程圖如圖1所示：

圖1 氣分裝置整體流程圖

3 .氣分裝置丙烯分餾塔先進控制系統設計方案

針對獨山子石化公司老煉油廠20萬噸/年氣體分餾裝置的DCS及現有設備的實際情況，先進控制系統與DCS的連接通過OPC接口實現的。先進控制與實時優化的運行平臺運行在高性能的服務器上，這種連接方式可以保證先進控制與實時優化系統有一個高性能的通用平臺，同時又確保整個系統的安全性和可靠性。

本裝置DCS系統是FOXBORO的I/A Series，上位機可以通過FOXBORO提供的專用OPC接口與DCS進行通訊。先進控制系統采用的是北京清大華億科技有限公司的基于以上多種技術形成的整套先進過程控制與實時優化軟件包PACROS（Process Advanced Control and Real-time Optimization Solution）包括運行平臺（實時數據庫、過程變量的處理與故障檢測、系統的運行管理等）、軟儀表，變結構通用模型預估協調控制器、反應深度實時動態優化、模型仿真與驗證、控制系統的離線設計與組態、工程師（監控和調整）界面和操作員界面等。先進控制系統框架結構如圖2所示。

  圖2 先進控制系統框架結構圖4 .氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預估控制器設計方案

(1)氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預估控制器模型

 控制器采用多重時間滯后的狀態空間模型，以分餾塔Ⅰ塔底溫度控制為例，分餾塔Ⅰ是丙烯的初分餾，目的是把丙烷分離出去，根據沸點的不同，上層的丙烯進入塔Ⅱ進行精分餾，下層為丙烷去混合烴球罐，因此維持分餾塔Ⅰ塔底溫度的恒定對丙烯的純度和收率至關重要，先進控制器將低溫給定值與低溫測量值的誤差參數，預測模型輸出值與低溫測量值的誤差參數，低溫給定值與過程對象的狀態反饋值的誤差參數，以狀態矩陣的形式送入先進控制器，這樣控制器就能參考多種誤差的變量參數并進行優化處理，計算出合理的輸出值給再沸調節器，然后作用于過程對象。其控制原理如圖3所示。

  圖3 先進控制原理圖

（2）氣體分餾裝置丙烯分餾塔多變量預估控制器變量

丙烯分餾塔主要被控變量（CV）：丙烯分餾塔Ⅰ底溫度CTC4216、丙烷純度CAC4002、丙烯分餾塔Ⅱ頂溫度CTC4218、丙烯分餾塔Ⅱ頂壓力CPC4204、丙烯分餾塔Ⅱ回流/采出比CRC4003、丙烯分餾塔Ⅱ頂丙烯純度CAC4003、丙烯分餾塔Ⅱ側線丙烯純度CAC4004、丙烯分餾塔Ⅱ塔頂回流罐1的液位CLC4205、丙烯分餾塔Ⅱ塔頂回流罐1液位速率CVC4205。

主要操作變量（MV）：丙烯分餾塔Ⅰ再沸溫度閥位（MV1）TRC203.OUT、丙烯分餾塔Ⅱ頂回流量（MV2）FRC205.SP、丙烯分餾塔Ⅱ冷后溫度閥位(MV3)TIC222.OUT、粗丙烯抽出量（MV4）FRC209.SP。

主要干擾變量(DV)：丙烯分餾塔Ⅰ壓降PDI203.PV、丙烯分餾塔Ⅱ壓力PRC204.PV、丙烯分餾塔Ⅰ進料量FRC203.PV、丙烯分餾塔Ⅰ進料溫度TI249.PV。

主要約束變量(RV)：丙烯分餾塔Ⅰ再沸溫度閥位TRC203.OUT與MV1相關、丙烯分餾塔Ⅱ頂回流量閥位FRC205.OUT與MV2相關、丙烯分餾塔Ⅱ冷后溫度TIC222.OUT與MV3相關、粗丙烯抽出量閥位FRC209.OUT與MV4相關、丙烯分餾塔Ⅰ塔頂溫度TI214.PNT與MV4相關。

先進控制系統通過對變量間相互影響的強弱進行分析和篩選，建立模型預估控制器，實現丙烯分餾塔的穩定控制。

 5. 應用效果分析

 從圖4趨勢記錄可以看出，丙烯分餾塔Ⅰ系統控制主要目標是平穩控制塔底溫度，投用先進控制時塔頂溫度、塔底溫度、再沸溫度更加平穩，再沸溫度閥能夠實現小幅連續動作，避免了常規控制時再沸溫度閥位的間歇式大幅度變化；丙烯分餾塔Ⅱ的控制目標是平穩控制塔頂壓力及塔頂溫度，投用先進控制時丙烯分餾塔Ⅱ塔頂壓力、塔頂溫度比常規控制平穩性有所提高，塔頂冷后溫度的調節比較平緩，幅度小，調節動作連續。

  圖4 丙烯分餾塔Ⅰ、Ⅱ控制器投用效果對比圖

為了考察先進控制器的魯棒性，進行了提降量試驗，通過改變氣體分餾裝置的處理量，觀察控制器的控制效果并記錄主要控制變量的響應情況，以此評價控制的抗干擾能力。

在此實驗中，將脫丙烷塔的進料量從正常工況下的10.8t/h開始，每隔四個小時提量1t/h，提高到12.8t/h，考察進料量比正常工況高時，控制器的性能；之后再將進料降到正常工況以下的9..6t/h與8.6t/h，每次降量后同樣穩定四個小時后再進行下一次降量；在標定實驗過程中，提量與降量分別實施兩次。

圖5 丙烯分餾塔Ⅰ、Ⅱ提量、降量過程對比圖

由圖5可以看出：在脫丙烷塔進料量變化的情況下，控制器能夠根據控制指標的要求，有效地調節相應操作變量的值，保證較好的控制品質，這表明氣體分餾先進控制系統中的控制器能夠很好地抑制進料量的干擾，有較好的魯棒性，同時，丙烯塔Ⅱ的粗丙烯的抽出量能夠根據裝置的處理量的變化實現自動調節。

6 結束語

自多變量預估控制技術在氣體分餾裝置丙烯分餾塔投用以來，丙烯分餾塔先進控制系統克服了裝置的工藝約束，對各個過程的控制變量綜合協調，實現了各塔產品質量閉環控制，解決了原有常規PID控制回路不能有效處理分餾塔之間和分餾塔內部各個變量間的耦合問題，具有更好的抗干擾性，減輕了操作員工作強度，生產力、平穩控制、產品質量卡邊和經濟效益顯著提高。

參考文獻

[1] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社,2002:198~199.

[2] 羅真,王金安.基于廣義預測控制為主的綜合控制算法構成控制器的開發與應用[J].化工自動化及儀表,2008,35(6):64~67.

[3] 袁璞,左信.單值預估控制的穩定性[A].首都高校首屆自動控制學術報告會論文集[C].北京:清華大學出版社,1990:158-164.

[4] 孫德祥,袁璞.一種通用的預估控制算法[J].工業過程模型化與控制,1994,16:105~111.

[5] 翟玉宏.多變量模型預估控制器設計及其應用[D].大連:大連理工大學,2005.