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| 1．概述 RMPCT（Robust Multi-variable Predictive Control Technology）即魯棒多變量預(yù)估控制技術(shù)，又稱(chēng)Profit Controller（效益控制器），是Honeywell公司研制的一種多輸入多輸出（MIMO）的*控制技術(shù)。對(duì)于變量間高度藕合的系統(tǒng)，RMPCT通過(guò)階躍實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，然后通過(guò)這一動(dòng)態(tài)模型，預(yù)估過(guò)程的變化方向，并決定如何調(diào)節(jié)控制器的輸出，使得過(guò)程變量處于設(shè)定點(diǎn)或合適的區(qū)間。 FCCU（催化裂化裝置）具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作變量多，相互間作用強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用*控制可以提高FCCU的控制品質(zhì)，提高目的產(chǎn)品收率，改善產(chǎn)品分布，降低變量的擾動(dòng)程度，從而大大提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，*控制技術(shù)在我國(guó)FCCU的應(yīng)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(wèn)題。北京設(shè)計(jì)院在推廣*控制技術(shù)的項(xiàng)目中，也承擔(dān)了部分工作，本文以采用北京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的采用重疊式兩段再生技術(shù)的重油催化裂化裝置（RFCCU）為例，談?wù)?控制技術(shù)在FCCU的應(yīng)用。 2．重疊式兩段再生技術(shù)簡(jiǎn)介 重疊式兩段再生技術(shù)是為加工難裂化、生焦量大的重質(zhì)原料而設(shè)計(jì)的，*再生器在較低溫度下進(jìn)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(jìn)行部分燃燒，二段再生在較高溫度下*燃燒，引二段再生氧濃度6%以上的煙氣進(jìn)入一段再生，使主風(fēng)得以充分利用，避免了二次燃燒。兩段再生技術(shù)還采用了霧化噴嘴、分段進(jìn)料、分段汽提、下流式外取熱器等技術(shù)。 重疊式兩段再生技術(shù)的主要控制方案為∶ *再生器及第二再生器的操作壓力由設(shè)在三旋后的雙動(dòng)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(lái)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 *再生器溫度由一再分布環(huán)的風(fēng)量來(lái)控制 第二再生器溫度由外取熱器下滑閥開(kāi)度或外取熱器流化風(fēng)量控制 3．實(shí)施*控制前的準(zhǔn)備工作 3．1 儀表參數(shù)的整定 裝置自開(kāi)工至實(shí)施*控制，已經(jīng)運(yùn)行了一段時(shí)間，大部分PID參數(shù)是可以滿(mǎn)足*控制的要求的。但是有的回路在小的擾動(dòng)下是可以很快達(dá)到穩(wěn)定的，但在進(jìn)行初步階躍實(shí)驗(yàn)時(shí)，在裝置波動(dòng)較大的情況下，就有可能振蕩或發(fā)散，這就需要及時(shí)整定儀表參數(shù)，保證為*控制提供一個(gè)平穩(wěn)操作的基礎(chǔ)。 3．2 提高裝置的自動(dòng)化率 由于各裝置的操作習(xí)慣，或儀表、閥門(mén)的質(zhì)量問(wèn)題，或者是設(shè)計(jì)的考慮不周，有的回路無(wú)法投自動(dòng)。例如外取熱器下滑閥對(duì)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(dòng)就比較困難。但如果某些重要回路不投自動(dòng)的話，*控制就無(wú)法投用。對(duì)于不能投用自動(dòng)的回路應(yīng)分析其原因，更換閥門(mén)或改變控制方案，并將裝置的自動(dòng)化率作為班組操作的考核指標(biāo)，以切實(shí)提高裝置的自動(dòng)化水平，保障*控制的投用率。 另外，對(duì)于某些純滯后時(shí)間長(zhǎng)，或變量間藕合嚴(yán)重的回路，PID調(diào)節(jié)難以適用，也可以用RMPCT取代PID調(diào)節(jié)，發(fā)揮RMPCT的優(yōu)勢(shì)。例如反應(yīng)壓力的控制，由于滯后時(shí)間長(zhǎng)，氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速只能與氣壓機(jī)入口處壓力構(gòu)成回路，應(yīng)用*控制時(shí)，可以考慮用氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速直接作為反應(yīng)壓力的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以使反應(yīng)壓力的控制更穩(wěn)定。 3．3 針對(duì)裝置瓶頸進(jìn)行改造 裝置的實(shí)際操作條件總是不同于裝置的設(shè)計(jì)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(huì)遇到以下幾個(gè)問(wèn)題，限制裝置能力的發(fā)揮∶ 循環(huán)斜管或滑閥過(guò)小，影響催化劑循環(huán)量的提高，無(wú)法提高劑油比 主風(fēng)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(jī)調(diào)速器故障，用反飛動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力 在裝置平時(shí)操作就很困難的情況下，勉強(qiáng)投用*控制也不會(huì)有好的效果。結(jié)合控制系統(tǒng)的升級(jí)，對(duì)裝置進(jìn)行核算和技術(shù)改造，消除瓶頸，會(huì)起到事半功倍的效果。 3．4 增加*控制要求的測(cè)點(diǎn) 4．IRC（中間調(diào)節(jié)控制器）的應(yīng)用 IRC（中間調(diào)節(jié)控制器）的作用是為實(shí)現(xiàn)多變量預(yù)估控制提供一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)。對(duì)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(rèn)為霧化蒸氣量應(yīng)隨原料油的變化而變化，而實(shí)際上，對(duì)于每一個(gè)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(yīng)該有一個(gè)*的數(shù)值。一般而言，霧化蒸氣量應(yīng)保持設(shè)計(jì)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(yīng)時(shí)間的波動(dòng)，對(duì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的反應(yīng)深度也是不利的。不如對(duì)霧化蒸汽引入溫壓補(bǔ)償，抵消蒸汽管網(wǎng)的波動(dòng)，可能會(huì)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(gè)變量，從這一方面講，IRC似乎在*控制中的作用并不是*的。只要對(duì)裝置原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)的整定，也可以達(dá)到相同的效果。 5．RFCCU反應(yīng)再生系統(tǒng)RMPCT控制器的設(shè)計(jì) 一個(gè)設(shè)計(jì)良好的控制器不一定是zui復(fù)雜的，在確定控制器結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，裝置的現(xiàn)場(chǎng)工程師是zui有發(fā)言權(quán)的。對(duì)于如何操作重疊式兩段再生的RFCCU，由于現(xiàn)場(chǎng)情況不同，很多裝置都有其獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)。將寶貴的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)用于控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)于控制器的建立是大有好處的。本文針對(duì)RFCCU反應(yīng)再生系統(tǒng)，討論RMPCT控制器的設(shè)計(jì)。 5．1控制目標(biāo) 設(shè)計(jì)RMPCT首先要明確其控制目標(biāo)，從而可以確定操作變量、受控變量及干擾變量。RFCCU的反應(yīng)再生系統(tǒng)的控制目標(biāo)可分為兩個(gè)部分進(jìn)行討論。 A． 反應(yīng)部分的控制目標(biāo) 反應(yīng)部分的作用就是將原料進(jìn)行催化裂化反應(yīng)，得到反應(yīng)產(chǎn)物。所以其控制目標(biāo)為： 調(diào)整反應(yīng)深度，改變產(chǎn)率分布，提高目的產(chǎn)品的產(chǎn)率，以獲得zui大的經(jīng)濟(jì)效益。 B． 再生部分的控制目標(biāo) 再生部分的作用是將催化劑上的焦碳燒掉，恢復(fù)其活性和選擇性，為反應(yīng)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(biāo)為∶ 滿(mǎn)足裝置約束，控制再生溫度穩(wěn)定，保障設(shè)備安全 控制一再煙氣過(guò)剩氧含量，避免二次燃燒 在不同的焦碳產(chǎn)率下達(dá)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(lèi)：約束變量和優(yōu)化變量。 約束變量為設(shè)備本身?xiàng)l件要求或工藝過(guò)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(guò)上限，多變量預(yù)估控制器就不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。 反應(yīng)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(yīng)壓力 回?zé)捰凸抟何? 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(duì)反應(yīng)造成影響，所以應(yīng)盡量保持二再密相溫度的平穩(wěn)。 優(yōu)化變量是實(shí)施*控制所要優(yōu)化的變量，比如預(yù)估汽油產(chǎn)量等，與經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)，在操作變量有自由度的時(shí)候，就要對(duì)優(yōu)化變量起優(yōu)化作用，將優(yōu)化變量推向某一個(gè)極限，使得經(jīng)濟(jì)效益zui大化。 反應(yīng)再生系統(tǒng)的優(yōu)化變量有∶ 預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化率 預(yù)測(cè)干氣產(chǎn)量 預(yù)測(cè)液化氣產(chǎn)量 預(yù)測(cè)汽油產(chǎn)量 預(yù)測(cè)輕柴油產(chǎn)量 預(yù)測(cè)油漿產(chǎn)量 預(yù)測(cè)焦炭產(chǎn)量 5．3 操作變量 操作變量是實(shí)現(xiàn)受控變量的手段。在實(shí)際操作中，反應(yīng)部分的考核指標(biāo)是提升管出口溫度，常用的操作手段是調(diào)節(jié)再生滑閥開(kāi)度，回?zé)捰?、油漿回?zé)捔浚崩溆土?。而多變量預(yù)估控制器的優(yōu)勢(shì)就在于綜合運(yùn)用多個(gè)調(diào)節(jié)手段，以zui小的動(dòng)作，達(dá)到操作目標(biāo)。 在選擇操作變量的過(guò)程中，對(duì)于工藝過(guò)程的深刻了解是非常必要的。以下幾個(gè)變量就不宜作為操作變量∶ A．原料預(yù)熱溫度 預(yù)料預(yù)熱溫度對(duì)于催化劑循環(huán)量的有直接影響。但從進(jìn)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(guān)重要的。有時(shí)預(yù)熱溫度降得很低，劑油比提了上去，從理論上講對(duì)催化反應(yīng)是有利的，但原料油粘度增大，霧化效果變差，反而會(huì)導(dǎo)致焦炭和干氣產(chǎn)率上升。 B． 反應(yīng)壓力 反應(yīng)壓力是影響反應(yīng)的一個(gè)重要因素。但是反應(yīng)壓力的調(diào)節(jié)滯后時(shí)間長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)，另外壓力平衡對(duì)反應(yīng)再生部分催化劑的循環(huán)和流化影響很大，調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)引起難以預(yù)料的后果。不如將反應(yīng)壓力作為受控變量，保持其穩(wěn)定，為其它變量的調(diào)節(jié)提供一個(gè)穩(wěn)定的條件。 C．再生壓力 再生壓力對(duì)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(diào)節(jié)的變量。由于雙動(dòng)滑閥滑閥的作用，再生壓力一般控制是很平穩(wěn)的。沒(méi)有必要用RMPCT來(lái)取代PID控制。 D． 二再主風(fēng)量 由于重疊式兩段再生技術(shù)的特殊結(jié)構(gòu)，即二再煙氣通過(guò)一、二再之間的分布板進(jìn)入一再，二再主風(fēng)的變化直接影響催化劑內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的量，從而造成一、二再料位的變化，這對(duì)于再生器內(nèi)催化劑的穩(wěn)定流化相當(dāng)不利。另外，由于主風(fēng)機(jī)組的原因，很多裝置傾向于固定總風(fēng)量，使得一再主風(fēng)和二再主風(fēng)相互影響。 因此，一再主風(fēng)應(yīng)作為操作變量，作為調(diào)節(jié)燒焦比例的主要手段，而二再主風(fēng)可以作為干擾變量，用RMPCT來(lái)預(yù)估二再風(fēng)量引起的變化，并通過(guò)其它變量來(lái)抵消二再風(fēng)量變化帶來(lái)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(fù)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(diào)節(jié)的范圍不大，并且各裝置也已經(jīng)逐漸摸索出一個(gè)優(yōu)化的汽提蒸汽量，沒(méi)有必要將其作為操作變量。 可用于反應(yīng)再生系統(tǒng)的操作變量∶ 在反應(yīng)部分，影響反應(yīng)壓力的變量主要是氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速，原料油、霧化蒸汽量的變化也會(huì)引起反應(yīng)壓力的波動(dòng)。 影響反應(yīng)溫度的變量主要是提升管出口溫度，提升管出口溫度又通過(guò)再生滑閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)催化劑循環(huán)量來(lái)控制。反應(yīng)中止劑、原料油（或摻渣比）、回?zé)捰秃突責(zé)捰蜐{的流量也是調(diào)節(jié)反應(yīng)的常用手段。 在氣壓機(jī)或分餾塔頂冷卻器允許的情況下，預(yù)提升蒸汽或預(yù)提升干氣可以靈活調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間。 再生部分，主要的操作變量有一再主風(fēng)用于調(diào)節(jié)一、二再燒焦比例，外取熱下滑閥開(kāi)度以調(diào)節(jié)二再溫度。 5．4 干擾變量 干擾變量指多變量預(yù)估控制器無(wú)法調(diào)節(jié)，但是可以測(cè)量的變量，針對(duì)干擾變量進(jìn)行前饋控制，可以使裝置運(yùn)行得更平穩(wěn)，為優(yōu)化創(chuàng)造條件。反應(yīng)再生系統(tǒng)的干擾變量有∶ 原料性質(zhì) 二再主風(fēng)量 外取熱器流化風(fēng)量 原料性質(zhì)包括密度、殘?zhí)肌s程、特性因數(shù)等，如果有在線儀表的話，對(duì)動(dòng)態(tài)模型的建立會(huì)有幫助。 5．5 RMPCT控制器的結(jié)構(gòu) 綜合以上分析，RMPCT控制器的結(jié)構(gòu)如下表所示∶ 干擾變量 原料性質(zhì) 二再主風(fēng)量 外取熱器流化風(fēng)量 6．在線工藝計(jì)算 多變量預(yù)估控制器的CV很多都是"可控不可測(cè)"的，在線計(jì)算既要有一定的精度，又要有速度。Honeywel*進(jìn)控制反應(yīng)再生系統(tǒng)的在線計(jì)算，特別是苛刻度，采用以下一種半機(jī)理半經(jīng)驗(yàn)的模型進(jìn)行計(jì)算∶ F = f （R，X） 其中，F(xiàn)為苛刻度，R是可以實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，如原料油量等，X是各影響因素的系數(shù)，如進(jìn)料性質(zhì)的影響系數(shù)，催化劑活性影響系數(shù)等。 Honeywell的工藝計(jì)算軟件中X系數(shù)一般都有缺省值，但國(guó)內(nèi)催化裝置數(shù)量眾多，型式多樣，催化劑、原料變化頻繁。盲目套用軟件廠商提供的缺省值，而單純利用實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的偏差進(jìn)行校正，計(jì)算精度難以達(dá)到在線控制的要求，工藝計(jì)算的適用范圍也不會(huì)太大，從而限制了受控變量的優(yōu)化區(qū)間。 利用離線的嚴(yán)格模型，對(duì)階躍實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從中回歸出在線工藝計(jì)算所需的X系數(shù)，提高工藝計(jì)算的精度，增大其應(yīng)用范圍，也從根本上提高了控制器的魯棒性。 從長(zhǎng)期應(yīng)用的觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)裝置工藝條件、原料油性質(zhì)、催化劑品種在發(fā)生較大變化時(shí)，可以用嚴(yán)格模型修正其中有關(guān)系的系數(shù)，既保證了精度，又無(wú)需重作階躍實(shí)驗(yàn)。 7．*控制的應(yīng)用范圍 催化裂化裝置變量之間互相影響，且具有強(qiáng)烈的非線性，比如一個(gè)變量正反兩個(gè)方向的變化，對(duì)其它變量造成的影響很少具有對(duì)稱(chēng)性，所以應(yīng)嚴(yán)格限制多變量預(yù)估控制器操作變量的變化范圍，一般不應(yīng)超過(guò)階躍實(shí)驗(yàn)中操作變量變化的范圍，以免超出動(dòng)態(tài)模型的適用范圍。 多變量預(yù)估控制器的首要目標(biāo)是保持受控變量的穩(wěn)定和滿(mǎn)足，這決定了*控制技術(shù)的優(yōu)化只能是在一定范圍內(nèi)的局部?jī)?yōu)化。我們不能指望*控制能解決裝置的所有問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全裝置的全局優(yōu)化。同樣，*控制是在現(xiàn)有控制系統(tǒng)的上層運(yùn)行的，沒(méi)有改變控制系統(tǒng)和工藝過(guò)程，所以只要小心地給定操作變量的變化范圍和變化速率，*控制對(duì)裝置不會(huì)造成任何危害。 8．結(jié)論 本文討論了在重疊式兩段再生重油催化裂化裝置上應(yīng)用*控制技術(shù)的幾個(gè)問(wèn)題，給出了控制器的結(jié)構(gòu)，并指出結(jié)合*控制進(jìn)行適當(dāng)?shù)难b置改造，使用嚴(yán)格模型計(jì)算出工藝計(jì)算軟件中的參數(shù)，可以提高裝置的控制技術(shù)水平，挖掘裝置潛力，增加經(jīng)濟(jì)效益。 |
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