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Honeywell RMPCT先进控制在延迟焦化装置的应用

Honeywell RMPCT先进控制在延迟焦化装置的应用

2007/11/7 10:21:00
Abstract: A successful APC application of Honeywell RMPCT on DCU is introduced. Some performance analytic results are presented. Conceptual RMPCT and brief DCU process descriptions are also presented to help the reader understanding.

Keywords:DCU; APC; RMPCT
延迟焦化是目前最先进的石油焦制备方法[1],是已经工业化的工艺技术。其原理是将重质渣油在高热强度条件下,通过加热炉炉管,在短时间内达到焦化反应温度之后,迅速进入焦炭塔,使裂化、缩合等反应延迟到焦炭塔内进行。它的生产过程实现了连续化,加工能力大,操作人员的劳动强度和卫生条件也大大改善,可满足工业用焦的需要[2]。

近些年来,重质油的深加工过程已经成为各大炼油厂提高经济效益的一个重要手段。采用先进控制技术是在现有工艺设备基础之上提高经济效益的投资小、见效快的一种好方案。国内在诸如常减压、催化裂化等许多类型装置上都有先进控制应用的案例,而在延迟焦化装置上先进控制的应用之前成功的案例尚少。上海炼油厂延迟焦化装置采用美国Honeywell公司的RMPCT(鲁棒多变量预估控制技术),成功实现了装置先进控制应用,取得了显著效果,各项经济指标达到或超过预期要求。

1.工艺过程及特点
上海炼油厂延迟焦化装置采用大型化的“一炉两塔”技术方案,设计加工能力为140万吨/年。主要工艺设备包括:焦化炉、焦化塔和分馏塔。

1.1.延迟焦化工艺流程[3]

来自常减压装置的减压渣油和少量的沥青混合作为原料,经一系列换热后进入分馏塔下段的换热洗涤区,与来自焦炭塔顶的油气进行逆向的接触和换热。油气中的重组分被冷凝下来作为循环油与原料油一起流入分馏塔底。塔底焦化油由泵抽出,在流量控制下,分四路进入加热炉对流段和辐射段,其温度被快速升至500℃左右。加热炉中的每个支路设有3个蒸汽注汽点,用以提高炉管内油气的流度,防止炉管内结焦。加热炉出口两相高温物流经四通阀进入焦炭塔底部。

高温焦化油在焦炭塔内具有相对较长的停留时间,并在此发生裂解、缩合等一系列反应,生成反应油气和焦炭。焦炭由下至上聚结在焦炭塔内,反应油气由焦炭塔顶逸出,经来自分馏塔蜡油急冷降温后进入分馏塔换热塔板下部。

进入分馏塔的焦化油气与原料进行接触换热,循环油流入塔底,换热后油气上升进入分馏段,从下往上分馏出蜡油、柴油、汽油和富气。

蜡油、柴油采用集油箱液位与侧线流量串级的全抽出设计,分馏塔内的温度分布对产品质量的控制非常重要。其中,柴油的干点和凝固点质量指标是其中的关键变量,而汽油和蜡油具有较宽泛的质量指标范围。


1.2.延迟焦化特点
与其它连续生产过程不同,延迟焦化的焦炭塔为间歇式操作。以22小时为一个周期,两个焦炭塔分别实现预热、切换、吹汽、卸焦等操作,其中预热和切换事件对分馏塔操作有着较大影响(图1-2)。


焦炭塔预热和切换事件从质量和能量上都会对分馏塔操作造成很大的影响,从而打破了原有的物料和热量平衡。从图1-2中可以看出,当预热和换塔时,对分馏塔底温度造成的大幅度波动,且时间较长,操作工试图在后两次焦炭塔预热和换塔的操作过程中保持分馏塔底温度的稳定,但效果并不明显。

柴油集油箱温度是控制柴油产品质量的关键变量,常规操作是通过调节柴油下返塔流量来实现对温度的控制。当来自焦炭塔顶的油气大幅度波动(质量和能量上)时,仅仅依靠柴油下返塔流量根本无法满足对柴油集油箱温度的控制要求,重新恢复控制通常需要至少1个小时时间(图1-3) 。


2.Honeywell鲁棒多变量预估控制技术(RMPCT)
RMPCT是美国Honeywell公司先进控制的核心专利技术,其内部包含了多项极具创新的技术和特点,具有很好的鲁棒性。能够在较小维护量的同时,实现其良好的控制性能。

2.1.RMPCT主要技术特点
区域控制算法(Range Control Algorithm (RCA))
区域控制算法是Honeywell多变量控制器的一个重要特点。控制器实时求解出满足控制和优化目标的最小过程调节量,并使得在计算过程中由于模型不确定性所带来的控制误差降至最小。与参考轨迹方法相比,其创新“漏斗”式的动态控制协调技术,能够为动态过程的优化提供更多的调节自由度。

产值优化(Product Value Optimization)
Honeywell多变量控制器内部包含了一个产值优化器。通过对某些变量进行组态,能够非常容易地实现最大或最小化的操作,以及某以特定目标值的操作。运用这一功能也使得产值优化操作的实现变得非常简单。

控制器性能整定
每个控制变量都包含一个性能整定参数(Performance Ratio),可以对每个控制变量的响应按要求进行调整。

灵活的模型调整
包括模型增益在内的控制器参数可以在线进行调整。需要时,这些功能能够帮助实现如非线性和操作方案切换的应用。

2.2.RMPCT变量
为了便于对多变量预估控制器功能的理解,这里对其涉及到的变量简要说明。RMPCT包括3种类型的变量——受控变量(CV)、操纵变量(MV)和干扰变量(DV)。

受控变量(Controlled Variables)
受控变量通常用来描述多变量控制的控制目标。通常每个受控变量被要求保持在一个由上、下限值包围的一个目标范围内。如果可能,多变量控制器会将所有的受控变量控制在所规定的目标范围之内。受控变量也可根据需要被设成一个设定值,此时其上、下限为同一值。

操纵变量(Manipulated Variables)
要实现对受控变量的控制要求,就要为多变量控制器提供可作为调节手段的一些变量,多变量控制器通过协调对这些变量的调整,实现对受控变量的控制要求。每个操纵变量同样设上、下限值,多变量控制器只能够在上、下限定义的范围内对操纵变量进行调整。

干扰变量(Disturbance Variables)
干扰变量是指这样一些变量,其值可以通过测量或计算得到,但却不能由控制器进行调整,这些量的变化会对受控变量带来明显的影响。因此要将这些量引入到控制器中,以便对多变量控制器中的受控变量的未来响应进行预测。

3.先进控制的目标
根据延迟焦化的工艺特点,采用2个多变量预估控制器的设计方案——加热炉控制器(DCUHT)包括了焦化加热炉和焦炭塔工艺过程部分;分馏塔控制器(DCUMF)包括了分馏塔工艺过程部分。

加热炉控制器的控制目标主要包括:
装置处理量控制及优化
提高加热炉热效率
降低炉管结焦速度和局部结焦的可能性
分馏塔控制器的控制目标主要包括:
稳定分馏塔特别是焦炭塔预热和切换时的操作
控制产品质量
提高轻质油收率
节能降耗

上述控制目标的实现基于合理的控制器结构,准确的控制器模型和包括过程设备和基础仪表在内的完善的实施平台以及用户的全力支持和配合。

4.应用效果分析
两套控制器于2004年5月开始投用,2004年12月通过项目验收。控制器投用率在95%以上,变量投用率接近100%,各项指标满足预期要求,先进控制的应用取得了显著经济效果。

延迟焦化先进控制的经济效益主要来源于对分馏塔操作的改善和优化上,考察分馏塔控制器的投用效果是评价延迟焦化装置先进控制成功与否的关键。这里,我们选取了分馏塔控制中几个具有代表性的变量进行分析和说明。

4.1.分馏塔底温度
焦炭塔换塔事件对分馏塔的影响首先表现在对塔底温度造成的波动,稳定塔底温度是克服焦炭塔对分馏影响的关键所在。先进控制应用有效地抑制了焦炭塔换塔事件对分馏塔底温度造成的影响,为进一步改善和优化分馏塔操作提供可能。图4-1为先进控制投用前后近一个月时间分馏塔底温度的对比情况。通过统计分析可以看出(图4-2),先进控制投用后,标准偏差减少了近50%,平均温度有所降低,表示分馏塔气化段的气化率有所提高。先进控制大大缩短了对塔底温度的调整时间,图4-3为先进控制投用前后,对焦炭塔切换事件控制的效果对比。






4.2.柴油干点
柴油干点指标上限为365C。投用后比投用前标准偏差减少16%,中值提高3.5C,控制器“卡边”控制效果明显(图4-4,图4-5),其最终效果将体现在轻质油收率的增加。




4.3.轻质油收率
延迟焦化装置轻质油品包括汽油和柴油。不难理解,在装置进料相对稳定的情况下,提高柴油干点,轻质油的收率将会增加;反之,当柴油干点降低时,轻质油收率将会减少。先进控制有效地抑制了焦炭塔切换对分馏塔的影响,稳定了分馏塔的操作,真正地实现了“卡边”控制。通过分析看出(图4-6,图4-7),采
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