SINOPEC APCDecember 2007

1、刘裔安刘裔安中国石油化工股份有限公司总裁办公室高级顾问中国石油化工股份有限公司总裁办公室高级顾问美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学化工系讲席教授美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学化工系讲席教授 2 3先进过程控制先进过程控制 的介绍的介绍4自变量自变量是不受过程中其它变量影响，能自由变化的过程是不受过程中其它变量影响，能自由变化的过程变量。变量。2. 自变量包括两种类型：自变量包括两种类型：操作变量操作变量 (MV) 装置操作工能调节的变量装置操作工能调节的变量常规控制器的设定值常规控制器的设定值 （*.SP）控制阀阀位控制阀阀位 (*.VP)前馈前馈/干扰变量干扰变量(FF / DV) 能影响过程但

2、不能直接调节的变量能影响过程但不能直接调节的变量例如：无控制的进料压力或随天气改变的冷却水温度例如：无控制的进料压力或随天气改变的冷却水温度51.因变量因变量能够完全用自变量变化来描述的过程变量能够完全用自变量变化来描述的过程变量2.因变量包括因变量包括控制变量控制变量(CV) (*.PV)维持在设定值维持在设定值维持在上下限值之间维持在上下限值之间3.许多过程变量是因变量许多过程变量是因变量, 但未必被选为控制变量但未必被选为控制变量6T全塔压降全塔压降再沸器热负荷再沸器热负荷侧线采出温度侧线采出温度侧线产品组成侧线产品组成侧线产品流量侧线产品流量塔顶产品流量塔顶产品流量F冷凝器压降冷凝器压

3、降塔顶压力阀位塔顶压力阀位TP塔顶温度塔顶温度塔顶压力塔顶压力95%回流回流进料温度进料温度回流罐液位回流罐液位DPBTUATLFFDPF进料进料F塔底流量塔底流量LMV(操作变量操作变量)FF(前馈变量前馈变量)CV(控制变量控制变量)7控制律控制律(PID)过程过程给定值给定值仪表测量仪表测量控制变量控制变量(CV)误差误差操作变量操作变量(MV)干扰变量干扰变量(DV)常规控制常规控制前馈变量前馈变量(FF)工艺计算工艺计算化验室数据化验室数据先进控制单元先进控制单元CVCVMV流量、压力、温度等流量、压力、温度等在线分析仪在线分析仪基本回路及仪表基本回路及仪表CV先进控制先进控制变量约

4、束范围设置变量约束范围设置流程模拟流程模拟DVFF对对APC的认识的认识1. APC的投用降低了操作工的劳动强度；的投用降低了操作工的劳动强度； 是不知疲是不知疲倦的高级操作员。倦的高级操作员。2. 比喻：单回路控制就像一群羊，比喻：单回路控制就像一群羊，APC就像牧羊人。就像牧羊人。单回路操作，变为系统操作。单回路操作，变为系统操作。3. APC提供一个增产、增效的控制平台。提供一个增产、增效的控制平台。 4. 从操作的角度讲，先进控制与常规控制的最大不从操作的角度讲，先进控制与常规控制的最大不同是常规控制多是同是常规控制多是给定点控制给定点控制，而先进控制是，而先进控制是变量变量约束范围约

5、束范围(上下限值上下限值)控制控制，操作员的任务是设置，操作员的任务是设置CV和和MV的约束范围，而很少是的约束范围，而很少是CV的给定点。的给定点。 对对APC的认识的认识5.从控制角度讲，只要从控制角度讲，只要CV在约束范围内，且预测值在约束范围内，且预测值表明，在不远的未来也没有超界的可能，则控制表明，在不远的未来也没有超界的可能，则控制器的动作会很小或甚至没有，以避免频繁调整或器的动作会很小或甚至没有，以避免频繁调整或不必要的操作调整，提高了装置操作的平稳性。不必要的操作调整，提高了装置操作的平稳性。这点单回路常规控制无法做到。这点单回路常规控制无法做到。6. 如果某如果某MV没有自由

6、度时（无调节余地），先进没有自由度时（无调节余地），先进控制控制(多变量控制器多变量控制器)可以用其它的可以用其它的MV进行调整；进行调整；而采用常规控制时，若某个变量饱和，经常得降而采用常规控制时，若某个变量饱和，经常得降低进料量，这样就影响了装置的经济效益。低进料量，这样就影响了装置的经济效益。 112.2. 先进过程控制先进过程控制应用的成功实例应用的成功实例12H1R1H2H3H4R2R3R4Separators氢气氢气 DepentanizerC5-PlatformateSplitterTolueneColumnXyleneColumnGasolineSplitter苯苯甲苯甲苯二甲

7、苯二甲苯气油气油LCO处理后的处理后的石脑油石脑油甲苯转化甲苯转化率率再生器进料进料流量流量13 1. 1. 进料进料流量流量增加增加到装置的上限到装置的上限 甲苯转化率的平稳控制在下限值甲苯转化率的平稳控制在下限值 2. 2. 加热炉的热负荷加热炉的热负荷增加增加到装置的上限到装置的上限 燃气流量上限燃气流量上限 空气流量上限空气流量上限 氧气流量上限氧气流量上限3. 3. 保持各分馏产品的纯度平稳不变保持各分馏产品的纯度平稳不变14连续重整装置甲苯转化率连续重整装置甲苯转化率( (ConversionConversion) )的平稳控制的平稳控制15连续重整装置连续重整装置的进料的进料(

8、(Total Feed)Total Feed)增加后增加后甲苯转化率甲苯转化率( (ConversionConversion) )的平稳控制的平稳控制16连续重整装置连续重整装置的进料的进料每年可每年可增加增加164164,250250桶桶(22,350(22,350吨吨) ) 甲苯转化率平稳控制在下限值甲苯转化率平稳控制在下限值, ,平均变化值从平均变化值从 0.4-0.5% 0.4-0.5% 降降到到0.1-0.2%0.1-0.2%加热炉的热负荷平稳加热炉的热负荷平稳的的控制在控制在上上限值限值在进在进料料组成，反应器和加热炉温度改变的干扰下，能够持组成，反应器和加热炉温度改变的干扰下，能

9、够持续平稳的控制续平稳的控制17 1. 重整装置重整装置由原料预处理原料预处理和重整重整两部分组成，装置处理能力30万吨/年。装置以HK-180直馏汽油为原料，在双金属重整催化剂的作用下生产芳烃原料或汽油，副产品为氢气和液态烃。 182. 芳烃装置由抽提抽提和精馏精馏两部分组成，设计加工能力为1010万吨万吨/ /年年，以生产BTX产品为主，但未随重整装置扩能进行相应的改造，两装但未随重整装置扩能进行相应的改造，两装置存在处理能力不匹配的现象置存在处理能力不匹配的现象。 193. 3. 项目目标项目目标控制变量的投用率不低于控制变量的投用率不低于90%90%；平稳操作，主要工艺参数被动偏差减少

10、平稳操作，主要工艺参数被动偏差减少20-50%20-50%；提高芳烃抽提原料中的提高芳烃抽提原料中的BTXBTX含量；含量；协调重整装置与芳烃抽提装置协调重整装置与芳烃抽提装置间间的物料平衡关系；的物料平衡关系； 节能降耗节能降耗. .201.操作平稳度提高操作平稳度提高 先进控制器的首要任务就是充分利用其模型预测和多变量协调的特点，保证装置的平稳操作。先进控制器投用后，各重要CV的波动明显减小，大大减少人工干预。2.提高产品质量提高产品质量 控制器投用以后，降低了芳烃抽提原料中的芳烃浓度波动，在满足工艺条件的前提下提高芳烃抽提原料中的BTX含量，为芳烃抽提的优化操作提供了基础。3.节能降耗节

11、能降耗 在工艺范围内卡下限控制，能够极大地降低能耗物耗。21222324炼油厂炼油厂APC效益估算效益估算生产装置生产装置APC 效益美元/桶进料最大化产品质量控制高价值产品产量最大化措作稳定性加工深度或收率改进常减压常减压0.05 至 0.10烷基化烷基化0.05至0.10加氢裂解加氢裂解0.15至0.30渣油加氢裂解渣油加氢裂解0.15至0.30催化裂化催化裂化0.23至0.30焦化焦化0.10至0.35催化重整催化重整0.10至0.30芳烃芳烃0.10至0.30MTBE0.15至0.30汽油调和汽油调和0.05至0.15来源来源: William M. Canney, “The Futu

12、re of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas Journal, April 21, 2003. 25262728提高加工提高加工能力能力30%改善控制改善控制性能性能20%提高回收率提高回收率15%提高装置生产平稳与提高装置生产平稳与安全性安全性15%产品质量提高产品质量提高10%降低能耗降低能耗10%来源来源: William M. Canney, “The Future of APC Promises More Benefits and Sustained Values,” Oil and Gas J

13、ournal, April 21, 2003. 293. APC3. APC效益的来源效益的来源30上限值上限值目标值目标值= 利利润润APC减减少波动少波动 减少波动卡边平稳操作减少波动卡边平稳操作无无APC操作范围操作范围1.1. 减少关键控制变量的波动变化减少关键控制变量的波动变化至少至少30%: 产品质量改进产品质量改进 多生产高价值的产品多生产高价值的产品 保持装置的平稳操作保持装置的平稳操作31MV1MV2CV1单位阶跃测试响应曲线单位阶跃测试响应曲线(CV1 与与 MV1 )-CV1MV1MV2响应曲响应曲线线阶跃变化阶跃变化(0.2)(0.1)00.10.2稳态增益稳态增益:

14、0.170-到达稳态时间到达稳态时间MV1CV1APC效益的来源效益的来源: (1)模型预估模型预估多变量动态模型预估多变量动态模型预估,并按测量值反馈在线校正并按测量值反馈在线校正,使控制变量误差最小化使控制变量误差最小化32T全塔压降全塔压降再沸器热负荷再沸器热负荷侧线采出温度侧线采出温度侧线产品组成侧线产品组成侧线产品流量侧线产品流量塔顶产品流量塔顶产品流量F冷凝器压降冷凝器压降塔顶压力阀位塔顶压力阀位TP塔顶温度塔顶温度塔顶压力塔顶压力95%回流回流进料温度进料温度回流罐液位回流罐液位DPBTUATLFFDPF进料进料F塔底流量塔底流量LMV(操作变量操作变量)FF(前馈变量前馈变量)

15、CV(控制变量控制变量)33342个自变量个自变量 热负荷热负荷 (Q) 进料温度进料温度 (Tinlet)1个因变量个因变量 加热炉出口温度加热炉出口温度 (COT)QTinletCOT3501234567891011649.5650650.5651651.5652652.5650650650650.5651651.56526526526526526520123456013455COTTin+100.511.522.500.511.522Q to COTTinlet to COTT36695700705710695700705710初始预估初始预估预估值更新预估值更新695700705710

16、按测量值反馈在线校正按测量值反馈在线校正 当前时间12:01初始温度初始预估值初始温度初始预估值当前测量值进口温度影响热负荷影响初始预估值初始预估值实际过程实际过程初始预估值初始预估值更新预估值更新预估值移动更新的预估移动更新的预估值值到测量值到测量值37在在12：01的预估值的预估值更新的预估值更新的预估值695700705710按测量值反馈在线校正按测量值反馈在线校正(APC鲁棒性的来源鲁棒性的来源)12:01实际的过程实际的过程690695700705热负荷影响进口温度影响69069570070512:02初始的预估移动更新的预估移动更新的预估值值到测量值到测量值更新预估值更新预估值初始

17、的预估值初始的预估值当前测量值当前时间实际过程38真实经济效真实经济效益最优操作益最优操作范围范围控制阀阀位控制阀阀位操作温度操作温度压缩机速率压缩机速率全塔压降全塔压降操作压力操作压力产品纯度产品纯度+操作工喜欢的操作区域操作工喜欢的操作区域APC操作区域操作区域+ APC效益的来源效益的来源: (2)稳态优化稳态优化39控制变量动态误差最小化控制变量动态误差最小化: 控制变量误差与操作变量调节量大控制变量误差与操作变量调节量大小的优化小的优化 (维持相同的控制变量稳态目标值维持相同的控制变量稳态目标值)99100101102103104105051015CVMV操作变量下限操作变量下限操作

18、变量调节量大使控制变量误差最小操作变量调节量大使控制变量误差最小 或或操作变量调节量小使控制变量误差最大操作变量调节量小使控制变量误差最大APC效益的来源效益的来源: (3)动态控制动态控制40根据动态过程模型求解控制方案根据动态过程模型求解控制方案APC调整严格算出操作变量每一调整严格算出操作变量每一步应有的调整值步应有的调整值-4-4-2+4+2-4-2+1tss/2到达稳态时间到达稳态时间(tss)411. RMPCT(Robust Multivariable Predictive Control Technology ，鲁棒性多变量预估控制技术) ，Honeywell, Inc.2.

19、DMCplus (Dynamic Matrix Control Plus,动态矩阵控制) 和Aspen Apollo(非线性模型预估控制)，Aspen Technology,Inc.3. SMOC (Shell Multivariable Optimizing Control,壳牌多壳牌多变量优化控制器变量优化控制器),Shell Global Solution,Inc.42经济效益优化：操作变量的操作费用经济效益优化：操作变量的操作费用稳态经济稳态经济效益优化效益优化动态控制模型动态控制模型数据接口平台数据接口平台(Cim-IO)DCS集散控制系统集散控制系统 / 过程信息系统过程信息系统因

20、变量数值因变量数值自变量数值自变量数值调节变量数值调节变量数值设定点输出值设定点输出值变量约束与目标值变量约束与目标值控制器调节参数控制器调节参数动态预估动态预估MV目标值目标值稳态预估值稳态预估值CV目标值目标值操作工操作工控制工程师控制工程师预估模型预估模型 43 示范演示示范演示(DMCplus Model) 44 FI 2005 进料进料 TIC 2003 燃料气燃料气 FIC 2001 FIC 2004 FIC 2002 侧线侧线 产品产品 塔顶塔顶 产品产品 塔釜塔釜 产品产品 Al 2021 Al 2022 Al 2020 操作变量操作变量 FIC-2001 FIC-2002 T

21、IC-2003 FIC-2004 前馈变量前馈变量 FI-2005 控制变量控制变量 AI-2020 AI-2021 AI-2022 %C5 %C7 %C3 FIC 2101 FIC 2102 FIC 2100 QI 2106 4546475. 持续获取持续获取APC经济效益经济效益 的周期性分析的周期性分析48持续获取持续获取APC经济效益周期性分析经济效益周期性分析APC 未投用未投用APC效益降级期效益降级期效益损失期效益损失期APC恢复期恢复期降级时间一般降级时间一般4年年过程操作变化过程操作变化APC效益降低效益降低APC控制器开控制器开过程变化后过程变化后模型重新辨识模型重新辨识A

22、PC性能提高性能提高维护和性能改进维护和性能改进时间时间年效益年效益APC控制器关控制器关损失效益损失效益最大效最大效益期益期APC控制应用控制应用获取最大效益获取最大效益控制器性能减弱控制器性能减弱效益降低效益降低发现问题发现问题提出解决方案提出解决方案改进改进APC496. 企业成功应用企业成功应用 APC的关键因素的关键因素:领导支持领导支持,人才人才,工具与策略工具与策略501. 厂领导和主管处室及开发维护部门重视先进控制，设置了厂领导和主管处室及开发维护部门重视先进控制，设置了先进控制工程师岗位，制定了先进控制工程师岗位，制定了胜利炼油厂先进控制运行考胜利炼油厂先进控制运行考核办法核

23、办法,保证先进控制的正常投用和投用率。对先进控制在保证先进控制的正常投用和投用率。对先进控制在投用过程中存在的问题投用过程中存在的问题,及时与开发和维护部门进行沟通和交及时与开发和维护部门进行沟通和交流，在最快的时间内将问题解决。流，在最快的时间内将问题解决。2. 车间领导和技术人员高度重视先进控制，熟悉先进控制的原车间领导和技术人员高度重视先进控制，熟悉先进控制的原理和控制方法，充分认识到先进控制投用之后，平稳操作和理和控制方法，充分认识到先进控制投用之后，平稳操作和产品质量卡边控制等所带来的经济效益和劳动强度的降低以产品质量卡边控制等所带来的经济效益和劳动强度的降低以及操作水平的提高及操作

24、水平的提高 。3. 针对不同的生产方案和生产优化指标，制定优化方案，以指针对不同的生产方案和生产优化指标，制定优化方案，以指导岗位操作员更好地使用先进控制，搞好安全、平稳生产。导岗位操作员更好地使用先进控制，搞好安全、平稳生产。 514. 52自从自从 1985年以来年以来, 已经投用已经投用600多套多套 APC 系统系统(全球约有全球约有2500套套)领导支持领导支持, ,大大力投资力投资: 每年每年2.5百万美元百万美元 (折合每年折合每年2000万人民币万人民币) 维护和开发维护和开发 APC 技术技术 。例如。例如, SMOC. ”Shell Multivariable Optimi

25、zing Controller”（壳牌多变量优化控制器）壳牌多变量优化控制器）; RQE, “Robust Quality Estimation”（鲁棒质量预估）。鲁棒质量预估）。效益效益:每年每年5亿美元（折合每年亿美元（折合每年40亿人民币亿人民币) (1) APC 可以增加工厂生产利润可以增加工厂生产利润 10% 至至 20%, 或每桶原油或每桶原油0.10 至至 0.25 美元美元 (2) 收率增加收率增加 (52%), 产量增加产量增加 (39%), 节能节能 (9%) (3) 其它效益其它效益: 增加工厂的可靠性和操作稳定性增加工厂的可靠性和操作稳定性来源来源: Jean-Luc Roub