榮獲“2005年度工控及自動化領域優(yōu)秀案例”有獎評選 　三等獎 1．概述 RMPCT(Robust Multi-variable Predictive Control Technology)即魯棒多變量預估控制技術，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。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，預估過程的變化方向，并決定如何調節(jié)控制器的輸出，使得過程變量處于設定點或合適的區(qū)間。 FCCU(催化裂化裝置)具有結構復雜，操作變量多，相互間作用強等特點，應用先進控制可以提高FCCU的控制品質，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，先進控制技術在我國FCCU的應用已經(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。北京設計院在推廣先進控制技術的項目中，也承擔了部分工作，本文以采用北京設計院設計開發(fā)的采用重疊式兩段再生技術的重油催化裂化裝置(RFCCU)為例，談談先進控制技術在FCCU的應用。 2．重疊式兩段再生技術簡介 重疊式兩段再生技術是為加工難裂化、生焦量大的重質原料而設計的，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，使主風得以充分利用，避免了二次燃燒。兩段再生技術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。 重疊式兩段再生技術的主要控制方案為∶ 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量控制 3．實施先進控制前的準備工作 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。 3．2 提高裝置的自動化率 由于各裝置的操作習慣，或儀表、閥門的質量問題，或者是設計的考慮不周，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，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調節(jié)難以適用，也可以用RMPCT取代PID調節(jié)，發(fā)揮RMPCT的優(yōu)勢。例如反應壓力的控制，由于滯后時間長，氣壓機轉速只能與氣壓機入口處壓力構成回路，應用先進控制時，可以考慮用氣壓機轉速直接作為反應壓力的調節(jié)參數(shù)，可以使反應壓力的控制更穩(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 氣壓機調速器故障，用反飛動調節(jié)反應壓力 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。結合控制系統(tǒng)的升級，對裝置進行核算和技術改造，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（中間調節(jié)控制器）的應用 IRC（中間調節(jié)控制器）的作用是為實現(xiàn)多變量預估控制提供一個穩(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，并且都應該有一個最優(yōu)的數(shù)值。一般而言，霧化蒸氣量應保持設計值，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時間的波動，對達到一個穩(wěn)定的反應深度也是不利的。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反應再生系統(tǒng)RMPCT控制器的設計 一個設計良好的控制器不一定是最復雜的，在確定控制器結構的過程中，裝置的現(xiàn)場工程師是最有發(fā)言權的。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)驗用于控制器的設計，對于控制器的建立是大有好處的。本文針對RFCCU反應再生系統(tǒng)，討論RMPCT控制器的設計。 5．1控制目標 設計RMPCT首先要明確其控制目標，從而可以確定操作變量、受控變量及干擾變量。RFCCU的反應再生系統(tǒng)的控制目標可分為兩個部分進行討論。 A． 反應部分的控制目標 反應部分的作用就是將原料進行催化裂化反應，得到反應產(chǎn)物。所以其控制目標為： 調整反應深度，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 再生部分的作用是將催化劑上的焦碳燒掉，恢復其活性和選擇性，為反應部分穩(wěn)定提供具有一定活性和溫度的催化劑。其控制目標為∶ 滿足裝置約束，控制再生溫度穩(wěn)定，保障設備安全 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，多變量預估控制器就不需要進行調節(jié)。 反應再生系統(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 反應壓力 回煉油罐液位 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，從而對反應造成影響，所以應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，比如預估汽油產(chǎn)量等，與經(jīng)濟效益密切相關，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。 反應再生系統(tǒng)的優(yōu)化變量有∶ 預測轉化率 預測干氣產(chǎn)量 預測液化氣產(chǎn)量 預測汽油產(chǎn)量 預測輕柴油產(chǎn)量 預測油漿產(chǎn)量 預測焦炭產(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，反應部分的考核指標是提升管出口溫度，常用的操作手段是調節(jié)再生滑閥開度，回煉油、油漿回煉量，急冷油量。而多變量預估控制器的優(yōu)勢就在于綜合運用多個調節(jié)手段，以最小的動作，達到操作目標。 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．原料預熱溫度 預料預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，適合的粘度是至關重要的。有時預熱溫度降得很低，劑油比提了上去，從理論上講對催化反應是有利的，但原料油粘度增大，霧化效果變差，反而會導致焦炭和干氣產(chǎn)率上升。 B． 反應壓力 反應壓力是影響反應的一個重要因素。但是反應壓力的調節(jié)滯后時間長，不易實現(xiàn)，另外壓力平衡對反應再生部分催化劑的循環(huán)和流化影響很大，調節(jié)不當，會引起難以預料的后果。不如將反應壓力作為受控變量，保持其穩(wěn)定，為其它變量的調節(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． 二再主風量 由于重疊式兩段再生技術的特殊結構，即二再煙氣通過一、二再之間的分布板進入一再，二再主風的變化直接影響催化劑內循環(huán)和外循環(huán)的量，從而造成一、二再料位的變化，這對于再生器內催化劑的穩(wěn)定流化相當不利。另外，由于主風機組的原因，很多裝置傾向于固定總風量，使得一再主風和二再主風相互影響。 因此，一再主風應作為操作變量，作為調節(jié)燒焦比例的主要手段，而二再主風可以作為干擾變量，用RMPCT來預估二再風量引起的變化，并通過其它變量來抵消二再風量變化帶來的影響。 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。 可用于反應再生系統(tǒng)的操作變量∶ 在反<