榮獲“2005年度工控及自動化領域優秀案例”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，RMPCT通過階躍實驗建立系統的動態模型，然后通過這一動態模型，預估過程的變化方向，并決定如何調節控制器的輸出，使得過程變量處于設定點或合適的區間。 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，提高目的產品收率，改善產品分布，降低變量的擾動程度，從而大大提高裝置的經濟效益。 目前，先進控制技術在我國FCCU的應用已經有多套，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 儀表參數的整定 裝置自開工至實施先進控制，已經運行了一段時間，大部分PID參數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，就有可能振蕩或發散，這就需要及時整定儀表參數，保證為先進控制提供一個平穩操作的基礎。 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調節難以適用，也可以用RMPCT取代PID調節，發揮RMPCT的優勢。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參數，可以使反應壓力的控制更穩定。 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，限制裝置能力的發揮∶ 循環斜管或滑閥過小，影響催化劑循環量的提高，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、穩定塔頂出不凝氣 氣壓機調速器故障，用反飛動調節反應壓力 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（中間調節控制器）的應用 IRC（中間調節控制器）的作用是為實現多變量預估控制提供一個穩定的平臺。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的數值。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，裝置的現場工程師是最有發言權的。對于如何操作重疊式兩段再生的RFCCU，由于現場情況不同，很多裝置都有其獨到的經驗。將寶貴的現場經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，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，得到反應產物。所以其控制目標為： 調整反應深度，改變產率分布，提高目的產品的產率，以獲得最大的經濟效益。 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 在不同的焦碳產率下達到熱平衡，為提高裝置處理量或摻渣量創造條件 5．2 受控變量 受控變量可分為兩類：約束變量和優化變量。 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。 反應再生系統的約束變量有∶ 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。 優化變量是實施先進控制所要優化的變量，比如預估汽油產量等，與經濟效益密切相關，在操作變量有自由度的時候，就要對優化變量起優化作用，將優化變量推向某一個極限，使得經濟效益最大化。 反應再生系統的優化變量有∶ 預測轉化率 預測干氣產量 預測液化氣產量 預測汽油產量 預測輕柴油產量 預測油漿產量 預測焦炭產量 5．3 操作變量 操作變量是實現受控變量的手段。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勢就在于綜合運用多個調節手段，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滯后時間長，不易實現，另外壓力平衡對反應再生部分催化劑的循環和流化影響很大，調節不當，會引起難以預料的后果。不如將反應壓力作為受控變量，保持其穩定，為其它變量的調節提供一個穩定的條件。 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，以及煙氣能量的穩定回收，再生壓力也不宜作為經常調節的變量。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和外循環的量，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，增加目的產品產量。但考慮到旋分分離器入口線速的限制，汽提蒸汽調節的范圍不大，并且各裝置也已經逐漸摸索出一個優化的汽提蒸汽量，沒有必要將其作為操作變量。 可用于反應再生系統的操作變量∶ 在反<