王玉芹

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏銀川 750004）

寧夏煤業(yè)百萬噸級烯烴智能制造新模式項目2016年列為智能制造新模式應(yīng)用試點項目，包括100萬t/a 裂解、45萬t/a PE、60萬t/a PP、15萬t/a 合成氨及公用工程。在這個項目中充分發(fā)揮了“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合的優(yōu)勢，通過聯(lián)合項目攻關(guān)團(tuán)隊建設(shè)，完成了百萬噸級烯烴智能制造新模式的研究和推廣應(yīng)用。項目建設(shè)過程中應(yīng)用并集成優(yōu)化了大量國內(nèi)國際先進(jìn)技術(shù)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)和新模式。其中PID 控制回路的應(yīng)用與分析優(yōu)化技術(shù)取得了良好的效果。

1 技術(shù)簡介

百萬噸級烯烴裂解裝置是石化領(lǐng)域集成度最高的裝置之一，整個裝置共設(shè)計500多回路，其模式涵蓋選擇控制+分程+超弛分程、分程+超弛、分程+高低選以及標(biāo)準(zhǔn)PID 等，涉及到的過程物料集成度以及熱集成度都很高，耦合嚴(yán)重，給回路參數(shù)的優(yōu)化造成了很大難度。為實現(xiàn)全裝置回路有效管理及參數(shù)優(yōu)化，采用PID 性能評估及優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)方法主要分為MVC 評估方法、LQG 分析方法、頻率分析等，對裝置所有回路信息進(jìn)行提取、分類、評估、辨識、分級，并生成一系列模型，形成新的PID 參數(shù)，應(yīng)用綜合指標(biāo)策略進(jìn)行統(tǒng)一評估并在web 端進(jìn)行展示管理，實現(xiàn)基礎(chǔ)回路統(tǒng)一管理、優(yōu)化，提升了裝置回路級別管路運行水平。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MVC

MVC 全稱是最小方差控制，將最小方差作為控制器性能基準(zhǔn)，來進(jìn)行性能評價，它是理想狀態(tài)下的控制回路動態(tài)響應(yīng)。在PID 性能評估中，可以用來衡量當(dāng)前PID 控制性能的優(yōu)劣。該技術(shù)的基本思路是把目標(biāo)回路表示成以下模型：

2.2 LQG

LQG 是另外一種基于子空間辨識方法的性能評估方法，相比MVC 方法同時考慮了過程輸出yt的方差和過程輸入（控制變量）ut的方差影響：

通過求解最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律，得到控制變量ut、過程輸出yt方差的關(guān)系點。通過改變關(guān)鍵參數(shù)λ，即可擬合出系統(tǒng)性能曲線，從而求出當(dāng)前控制方案的性能指標(biāo)。

PID 整定技術(shù)采用了一種全面的基于模型的方法來設(shè)計PID 控制器，能夠根據(jù)不同的PID 控制結(jié)構(gòu)（常規(guī)PID、微分先行PID、比例微分先行PID）切換對應(yīng)的整定算法。其核心思想采用基于內(nèi)?？刂疲↖MC）的方法實現(xiàn)。圖1是內(nèi)?？刂破髟O(shè)計圖。

圖1 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計圖

閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

對于高級用戶，PID 整定軟件還提供了動態(tài)性能的需求。算法可以根據(jù)用戶提出的動態(tài)響應(yīng)需求，轉(zhuǎn)化成增益裕度和相位裕度的要求；然后，算法再根據(jù)兩者的要求，計算出對應(yīng)的PID 三個參數(shù)。最終，使得閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能符合用戶的期望。另外，對于歷史數(shù)據(jù)缺乏的情況，PID 整定軟件提供了交互式整定的功能。用戶可以不需要測試，通過在線的指定系統(tǒng)響應(yīng)的特征點來實時地得到PID 參數(shù)。

3 技術(shù)特點

可視化的PID 評估優(yōu)化技術(shù)居國內(nèi)先進(jìn)水平，使專業(yè)化的基礎(chǔ)回路管理維護(hù)工作更加便捷、標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)的應(yīng)用使單個回路優(yōu)化時間從平均2h 縮短到5min 以內(nèi)，提升了工作效率。

以PID 優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化以實現(xiàn)全工況負(fù)荷升降，在百萬噸煤基烯烴二期裂解裝置上進(jìn)行了整體應(yīng)用，降低了生產(chǎn)的波動，降低了操作人員的勞動強度，充分挖掘裝置的工藝和設(shè)備能力，以更加接近于裝置約束條件下可靠運行，實現(xiàn)全自動升降負(fù)荷、“卡邊”優(yōu)化控制，使生產(chǎn)條件推向最優(yōu)工況邊界，實現(xiàn)裝置長周期、滿負(fù)荷，高效、優(yōu)質(zhì)運行。

4 實施效果

實現(xiàn)對回路的實時有效管理，便于管理人員實時掌控裝置運行情況，實時定位運行不佳回路并準(zhǔn)確識別其原因（如參數(shù)不合適或參數(shù)需優(yōu)化等）；對運行性能不佳回路進(jìn)行實時滾動優(yōu)化，并及時提供當(dāng)前最優(yōu)的PID 參數(shù)，供管理人員參考。

工廠追求的是裝置經(jīng)濟效益和社會效益的最佳化，即產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品收率及裝置能耗、物耗等各個方面協(xié)調(diào)最優(yōu)化。在實際生產(chǎn)過程中需要對各種指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮和優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

充分利用APC 和PID 控制技術(shù)，建立了生產(chǎn)操作自動化平臺。

4.1 通過PID控制器陣列實現(xiàn)先進(jìn)控制

脫甲烷塔主要目的是脫去甲烷，進(jìn)行甲烷和C2和C2以上組分的分割。脫甲烷塔中含有H2，分離溫度最低。脫甲烷塔切割精度直接關(guān)系到乙烯塔產(chǎn)品質(zhì)量深冷及相關(guān)單元的穩(wěn)定控制。通過先控應(yīng)用實現(xiàn)上下游平衡解耦，達(dá)到降低塔頂甲烷氣體中乙烯損失、降低塔釜甲烷雜質(zhì)含量，同時控制脫甲烷塔回流罐液位的穩(wěn)定。當(dāng)控制對象存在耦合時會導(dǎo)致控制系統(tǒng)品質(zhì)下降，在控制對象G（S）和PID 控制器陣列間插入前置模型P（S）進(jìn)行解耦。表1為脫甲烷塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)。

表1 脫甲烷塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)

R（S）、U（S）和M（S）的關(guān)系如圖3所示。

圖3 R（S）、U（S）和M（S）的關(guān)系

4.2 PID控制器的設(shè)計與優(yōu)化

完成了對大滯后數(shù)據(jù)的控制以及測量信息不完全的解決方案，通過擴充或補償來解決生產(chǎn)過程出現(xiàn)的一些問題。

例如丙烯精餾塔的主要產(chǎn)品是高純度聚合級丙烯，丙烯精餾塔的進(jìn)料中主要包括丙烯和丙烷，二者沸點非常接近，分離的塔頂高純度丙烯產(chǎn)品的純度要求較高，降低塔釜的丙烯濃度。需要達(dá)到的具體控制目標(biāo)為降低裝置能耗、提高丙烯產(chǎn)量、減少丙烯分離塔塔底的丙烯損失。丙烯塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 丙烯塔子控制器矩陣結(jié)構(gòu)

通過智能工廠的實施和應(yīng)用使得該廠的烯烴收率和能耗水平均達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，運行成本降低了33.25%，能源利用率提高了10.6%，經(jīng)濟和社會效益顯著。其中PID 優(yōu)化的APC 先進(jìn)控制系統(tǒng)貢獻(xiàn)達(dá)15%以上。