项目简介：获中石化科技进步二等奖，获中石化优秀论文奖，发表在《石油化工自动化》
摘要:鲁棒多变量预估控制在前郭炼油厂重油催化裂化装置中取得了很成功应用，并达到了预期的目的，
现在把系统的结构和实现等作了详细的简述。
关键词:APC RMPCT RFCC
前郭炼油厂RFCC装置采用提升管反应器和内外取热的催化裂化技术，掺炼减渣，年加工能力为80万吨，1990年正式投产。装置经过几年的检修和技术改造，在处理能力、掺渣能力、轻油收率和剂耗能耗几项指标都达到了设计能力。
1重油催化裂化装置（见图1）
2 RMPCT原理
2.1基本构成
由内带优化器的RMPC和IRC（中间控制）组成，能够处理常规PID难以解决或不能解决的复杂控制对象。IRC是处于RMPC和常规PID之间的应用，能够使基本控制层的控制稳定性提高，且能够降低公用工程的消耗和多回收能量等来增加经济效益.IRC所处理的对象为常规PID，一般需要较复杂的工艺计算，由复杂的控制回路组成，HEONEYWELL有热负荷控制、蒸汽与产品（原料或催化剂）比率控制、非线性液位控制、鲁棒PID控制等等。
RMPC（Robust Multivariable Predictive Control)由多输入多输出、基于模型的、有预估能力和优化功能组成的，能够控制和优化高度耦合工业过程。RMPC控制器与要控制工业过程的动态模型相结合，根据模型RMPC能够预估将来情况并决定怎样调节控制器输出把所有被控变量保持在设定点上或约束范围内，如果此时还有自由度，内在优化器将调节其控制器的输出把过程推向符合经济目标优化状态。
对于常规PID单回路控制，回路间相互独立，变量间存在高度耦合的情况，再加上有的回路存在大滞后、非线性或反向响应等错综复杂的动态，常规PID单回路很难实现平稳控制。而RMPC正是处理具有这种复杂动态过程的工具。RMPC把过程中的那些重要变量集中到一起，辨识出代表该过程的动态
模型，把整个过程看成一个整体来控制，不是若干个分割的单回路的简单组合。基于模型，RMPC能够分析并解决各变量之间的耦合关系。有了预估，当被控变量预估值超过限制值时就进行调节，而不是等到被控变量的当前值超过限制值时才动作，具有超前调节能力。
RMPC内置有优化器，优化器基于用户定义目标函数和RMPC的动态模型工作的。这里的经济目标函数是RMPC被控变量和操作变量的线性项和二次项的组合，通过指定线性项和二次项的系数，也就定义了经济目标函数。有了经济目标函数，在满足被控变量的控制目标且控制器存在自由度的情况下，这时RMPC就可将过程推向优化点。
2.2 RMPC的组成
2.2.1被控变量CV
这类过程变量是RMPC控制器去控制以维持它在某一值或在一定范围内，称之为被控变量(Control variables)，即为CV。
2.2.2操作变量MV
这类过程变量是RMPC控制器要调节的，以维持CV的值在工艺人员所要求的设定点或一定范围内，以及为了使过程向满足经济目标函数所决定的优化点变化，称为操作变量（Manipulated Variable),即为MV。
2.2.3干扰变量DV
由于某种限制，RMPC控制器不能操纵这种变量但这种过程变量的变化对CV有明显影响，并且其变化是可测量的变量称为干扰变量（Disturbance Variables)即为MV。
2.3 RMPC特点和功能
1)在典型的RMPC控制过程中，一些CV甚至所有的CV是相互关联的，RMPC控制器必须协调多个MV的动作使一个特定的CV在期望的方向上改变期望的量，而不导致其它CV发生不期望的变化。
2)操作员可以改变CV的设定点或上下限范围，且可任切换两种控制方式。操作员可以设置MV的可操作上下限范围，这范围代表了过程、设备或安全的约束RMPC控制器和优化控制是不会把MV调出这个范围,当某个CV值违限时，RMPC控制器根据模型和该CV的整定参数按相应的速度进行控制动作，若有自由度则优化功能开始工作。
3)如果由于工艺、仪表或设备原因使某CV不能控制或某MV不能被使用，操作员可以摘除若干CV或MV，不用停掉RMPC控制器。如果某变量CV或MV组态为关键变量，当这些变量出现故障时RMPC会自动停运控制器。若操作员摘除这些CV或MV，则RMPC会自动关闭控制器。
4）RMPC通过模型预估DV变化对CV的影响，提前调节MV预防CV超限，DV对RMPC起前馈作用。
5）RMPC满足了所有CV的操作指标，且有自由度大于等于零即为满足经济目标有可使用的MV。而自由度小于零时，RMPC还未满足CV的操作指标.
自由度=不在约束MV数-（设定点控制CV数+超限CV数）
6）RMPC控制器能克服具有较大误差的过程动态模型的误差，并且能对具有高度耦合关系的过程变量实现良好的控制，具有很强的鲁棒性。
7）RMPC界面友好，界面是与TDC3000标准一致并且为操作员提供了丰富帮助信息。有预估值和控制器每个执行周期MV的调整值，显示变量的历史趋势和预估未来趋势。¬
3软硬件环境
3.1硬件
我厂RFCC采用Honeywell的TDC3000x集散控制系统作为平台，配置有应用模件AxM（即可运行在TDC3000X环境下，又可运行在Unix环境下双向的应用模件，8MW内存）作为先进控制的平台。所有的先进控制应用都安装在AxM上，模型文件安装在AxM的UNIX环境下，解决了LCN上的通讯问题。使我厂的APC投用效果非常好。
3.2软件
APC软件要求TDC3000X版本为R320，应用平台为R500满足了APC要求。
1）RMPCR146.03，实现鲁棒多变量的控制功能
2）RMP辨识器R146.03，实现过程模型辨识功能。
3）RMPC应用软件有鲁棒PIDR300、FCCU软件包R2.0、分馏塔软件包R3.0、TDC3000数据采集器、非线性液位控制器、热负荷控制器等等。
4 APC应用
4.1先进控制实现过程
先进控制应用大致可以分成下列几个步骤：
1）安装RMPC系统软件及应用软件。
2）组态APC所需要的工艺计算。
3）设计和组态IRC控制回路。
4）阶跃试验。
5）过程模型的辨识及文件生成。
6）组态RMPC。
7）调试和投运。
4.2先进控制技术应用
1）工艺参数计算
2）中间控制（IRC）
3）反/再RMPC控制器
4）主分馏塔RMPC控制器
5）吸收稳定RMPC控制器
4.3工艺参数计算
为了实现工艺过程稳定控制和优化控制有一些工艺参数不能直接从工艺过程中测量得到，就需要通过其它可测量的变量计算在重催的先进控制应用中，有一些计算得到的变量作APC的输入，它为操作人员和生产管理人员提供了过程信息，有助于他们对工艺过程的更好理解，提高装置的管理水平。
工艺参数计算(见表1)
工艺参数计算
|
计算点名 |
点说明 |
计算点名 |
点说明 |
|
MCONV01 |
转化率计算 |
F213_PM |
外甩油浆产率 |
|
RXSEV01 |
反应苛刻度计算 |
HVY_PRD1 |
预估重油产率 |
|
R105_Q |
外取取热量计算 |
F208_90 |
汽油干点计算 |
|
CATCIRC1 |
催化剂循环计算 |
F209_95 |
轻柴油干点计算 |
|
F310_PM |
预估干气产率 |
F209_FL |
轻柴油闪点计算 |
|
F314_PM |
预估液态烃产率¿ |
F209_PP |
轻柴油倾点计算 |
|
F209_PM |
预估轻柴油产率¿ |
F312_RVP |
稳定汽油蒸汽压 |
|
F312_PM |
预估汽油产率¿ |
F314_C5 |
液态烃C5含量 |
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COK_PRD1 |
预估催化剂烧焦量 |
GAS_C3+ |
干气C3+含量 |
4.4 IRC中间控制
1）FFC107催化剂汽提蒸汽与催化剂循环量比率控制
控制目标是维持汽提蒸汽与催化剂循环量比率恒定。当提升管进料和转化率变化时，待生催化剂的含碳量较恒定，且有助于反应/再生稳定操作。
2）QC204分馏塔中段循环热负荷控制
主分馏塔中段循环取热负荷影响分馏塔中部温度分布，是控制LCO产品质量重要的操作变量，它是控制轻柴油凝固点这个质量指标至关重要的手段.
3）QC203分馏塔顶循环热负荷控制
主分馏塔顶循环取热负荷主要影响主分馏塔上部的温度分布，最主要是影响塔顶温度，即影响汽油干点这个质量指标，它是控制汽油产品质量重要的操作变量
4.5反/再RMPC控制器应用
4.5.1反/再RMPC控制目标
a.提高新鲜原料处理量：RMPC技术将及时地预测并处理制约提高处理量的约束，调整反/再操作条件，从而达到提高处理量的目的。
b.提高装置轻收：RMPC能够全面调整反/再及分馏塔底的操作条件，并且提高重油转化能力，达到提高轻收目的。
c.提高装置的抗干扰能力：反/再的干扰主要来源于新鲜原料性质、原料预热温度及回炼油流量的变化以及再生床的流化特性。RMPC将利用前馈预测及反馈校正功能实现装置抗干扰能力的提高。
4.5.2反/再RMPC控制策略
反/再是一个快速而且耦合极强的工艺过程，基于上述目标几乎把所有的控制手段都考虑到RMPC里去,RMPC所有的变量(见表4)。
反/再控制器变量表
|
CVS.参数 |
说 明 |
F314_PM.PV |
预测液态烃 产率 |
|
TI121.PV |
一再密相温度 |
F209_PM.PV |
预测轻柴产率 |
|
TI116.PV |
一再稀相温度 |
MVS.参数 |
说 明 |
|
AR101.PV |
一再氧含量 |
FRC201.SP |
新鲜进料 |
|
AR102.PV |
二再氧含量 |
TRC107。OP |
终止剂流量 |
|
PDR107.PV |
一二再压差 |
FRC207.SP |
回炼油流量 |
|
ZI101.PV |
待生立管塞阀阀位 |
TRC201.SP |
预热温度 |
|
ZI105.PV |
再生滑阀阀位 |
TRC101.SP |
提升管出口温度 |
|
DRC1101.PV |
外取热器的密度 |
FRC109.SP |
二再主风流量 |
|
PIK102B.OP |
气压机转数 |
TRC231。OP |
塔底温度控制输出 |
|
LR207.PV |
回炼油罐液位 |
PRC102.SP |
反应沉降器压力 |
|
TRC231.PV |
T201底温度 |
PRC101.SP |
一再压力 |
|
TI155.PV |
二再密相温度 |
PRC103.SP |
二再压力 |
|
TI144.PV |
二再稀相温度 |
DRC1101.OP |
外取热器密度 |
|
RXSEV01.PV |
计算反应苛刻度 |
FRC205.SP |
油浆上返塔流量 |
|
PDRC106.PV |
反应器再生器压差 |
FRC231B.SP |
油浆外甩量 |
|
TRC107.PV |
提升管中部温度 |
FRC206.SP |
回炼油返塔量 |
|
ZI107.PV |
半再生滑阀阀位 |
DVS.参数 |
说 明 |
|
R105_Q.PV |
外取热负荷 |
FRC1101.PV |
外取风流量 |
|
PDR108.PV |
再生滑阀压差 |
FRS003A.PV |
总风流量 |
|
LIC201.PV |
T201的液位 |
QC204.PV |
分馏塔中段热负荷 |
|
TIC228。PV |
T201一层塔板温度 |
FRC207.PV |
回炼油流量 |
|
F310_PM.PV |
预测干气产率 |
TRC101.PV |
反应温度 |
|
F312_PM.PV |
预测粗汽油 产率 |
PRC102.PV |
反应压力 |
根据我厂重催反再工艺特点，把控制功能分为以下几个有机相连的子功能：
1）再生器烧焦控制
2）提升管苛刻度控制
3）分馏塔底部控制
4）两器压差及阀位控制
5）产率极限控制即简单目标控制
使用RMPCT所提供的功能设计出反再控制器模型，根据CV与MV和DV之间的动态响应模型，同时操作14个MV来实现25个CV工艺要求的设定点或约束范围内，并利用6个DV的PV值进行前馈调节。RPMC控制器的线性优化器与预估动态控制算法协调所有MV动作幅度，使反再操作满足设定的优化目标。
5先进控制投用效果
先进控制经过一年多的运行,已经被操作人员接受并乐于投用,这证明了先进控制效果良好.先进控制投用效果主要表现以下几个方面:
1) 整个装置的控制平稳率得到了很大提高
2) 提高了装置产品质量合格率
3) 提高装置产品收率
4) 降低了装置能耗
6先进过程控制技术应用的经济效益
投用先进控制后,不但提高我厂的过程控制水平,而且每年为我厂带来很大的经济效益.整个装置控制平稳获得了很大潜在的效益,并且降低了装置的能耗.反再RMPC控制器使反应深度的优化带来产品收率的提高所带来经济效益.分馏与稳定吸收RMPC控制器的投用不仅保证了产品质量,而且使高附加值产品收率得到了提高所产生的经济效益(见表7).
RMPC控制器投用前后经济效益对照表
|
内 容
项目 |
单 价
元/吨 |
投前收率
% |
投用后 （98年10月27日----98年11月10日） 年处理量按80万吨计算 |
|
|
收率差 % |
年差量效益 万元 |
|||
|
液态烃 |
1129.53 |
10.76 |
-0.13 |
-117.47 |
|
汽油 |
1650.7 |
46.26 |
1.83 |
2416.62 |
|
轻柴油 |
1513.81 |
24.18 |
-0.98 |
-1186.83 |
|
油浆 |
721.07 |
5.84 |
-0.42 |
-242.28 |
|
合计 |
|
100 |
|
870.04 |