DMCPLUS重整装置反应系统的设计与应用

引言

自70年代末至80年代初，预测控制已成为一种众所周知的技术。它的基本思想为利用过程动态模型与实测值来预测过程将来的行为，使预测值与设计值差别最小，进而达到滚动优化目的，正因它能处理复杂过程对象，自80年代末以来，在国外，特别是美国，以DMC预测控制为主要特征的先进控制在石油、化工和冶金领域得到广泛的应用。先进控制系统一般可以分为两个层次：低层为先进控制策略的应用，如基于模型的多变量预估控制、自适应控制、智能控制等，其主要目的是提高控制精度，减少产品质量方差，增强系统的鲁棒性，提高抗干扰能力，保证装置安全、长周期运行；高层为各种优化策略的应用，以综合经济效益为优化目标［3］。DMC－PLUS控制器是集原DMC公司的核心算法及原SET－POINT公司的界面及数据库技术的新一代先进控制软件。其主要核心包括预测、优化和动态控制。控制器的主要特点为多变量约束控制、严格的模型控制、模型预测控制、优化控制、区域控制。

对设计规模为800kt/a系统，采用美国环球油品公司第二代连续重整技术和日本横河CENTUM－XLDCS的重整装置设计并实现了DMC优化控制算法，取得很好的经济效益。

1　工艺简介

以生产高辛烷值汽油为目标的催化重整反应系统是重整系列装置的核心设备。以重整汽油的辛烷值控制为例，可以通过调节反应器的温度间接达到控制，而影响重整反应过程的主要参数是反应温度、进料速度（负荷）、反应器压力、氢油比、原料性质、催化剂种类。通常，进料特性和催化剂种类为不可控变量，压力、空速和氢油比作为约束条件，由于重整反应器4台串联，温度可以各不相同。反应器的温度定义为加权平均入口温度：

式中，xi（i＝1，2，3，4）为各反应器催化剂分率（％）；Ti（i＝1，2，3，4）为反应器入口温度。

原控制系统采用CENTUM－XL单回路PID控制器分别控制4台炉子的炉出口温度，由于4炉互相耦合及热焓值扰动等因素，使单炉炉出口温度及TW的控制精度均较低。为实现先进控制系统，根据工艺设定给定的TW值，内环采用常规的PID控制器控制炉膛温度，用来克服瓦斯压力及热值的快速变化，外环采用DMC控制，将热焓值及各加工热炉入口温度等各种扰动引入系统，以提高温度控制的精度。

2　重整加热炉动态矩阵控制设计

2.1　数学模型的确定

通过DCS操作员站，将炉膛温度的PID控制器由串级切换到“自动”，待过程稳定后，将炉膛温度设定值由530℃提高到540℃，观察炉壁温度变化，施以幅值为15％、幅宽约10 min的的方波激励信号，计算机对输入的信号进行采样，采样周期T＝5s，图3为加热炉的测试曲线，采用最小二乘数据处理，得到广义对象的模型为：

2.2　闭环控制系统

动态矩阵有3个基本部分：一是内部模型，用于预测当前时刻后若干步的过程输出值；二是参考轨迹，即由当前测量值到达设定值ysp的预期路径；三是控制算法，根据测量值的若干步后到达期望值的要求去算出控制量，以补偿干扰、时变等因素。

在DMC中，首先测定对象的单位阶跃响应，其采样值为ai＝a（iT），i＝1，2，…，N，若yo（k）为上一时刻作出对K时刻及以后P时刻输出的预测值，控制量发生M次变化后，有：

在每一时刻k，确定M个控制增量Δu（k），…，Δu（k＋M－1），使被控对象在其作用下未来P个时刻的输出预测值yM（k＋i/k），尽可能接近给定的期望值w（k＋i），i＝1，…，P，k时刻的优化性能指标可取为：

这里，M、P分别称为控制时域、预测时域。Wp（k）为期望值矩阵，对角阵Q、R称误差阵和控制阵，用来分别表示对跟踪及控制量变化的抑制。

其中，C′为取首元素的运算，上式给出Δu（k），…，Δu（k＋M－1）的解。

由于模型误差和技术等的影响，系统的输出预测值需在预测模型输出的基础上，用实际输出误差进行修正。

其中S为移位矩阵。有了k＋1时刻的初始预测值，又可开始k＋1时刻的优化计算，求出Δu（k＋1）。整个控制就是以这种结合反馈校正的滚动优化方式反复在线进行的。

2.3　控制器参数设计

（1）预测模型的选取

根据阶约响应得到阶跃响应序列为：

387.3，387.8，387.3，386.8，387.7，387.5，386.7，387.9，…｝

（2）预测长度P

优化时域P表示对k时刻起未来多少步的预测输出，P的大小对于控制系统的稳定性和快速性有较大影响。可以先选择P，其大小包含对象阶跃响应的主要动态部分，若快速性不够则减少P，若稳定性不够则增大P，取P＝8。

（3）控制时域长度M

控制时域长度M在优化性能指标中表示要确定的未来控制量改变的数目。M大可提高控制的灵敏度，但控制性和鲁棒性下降。兼顾快速性和鲁棒性，取M＝4。

（4）误差矩阵Q和控制矩阵R

引入R是为了限制控制量的剧烈变化。开始时取R＝0或一较小的数，若此时系统稳定，而控制量变化太大，则适当加大R，直到满意为止。取R＝0.2I，Q＝I。

（5）采样周期T和建模时域长度N

因系统惯性较小，所以取采样周期T＝5s，建模时域长度N＝40。

2.4　先进控制的实施

先进控制是在原DCS系统CENTUM－XL基础上，通过HP9000服务器与DMCPLUS客务机连接，在HP9000上运行DMCPLUS软件，进行模型的建立和参数的辨识、预测模型的校正及优化计算和控制输出，DMCPLUS与DCS的通讯通过YOKOGAWA提供的EXAPI和ASPENTECH提供的CIMIO驱动程序。客务机PC与HP9000以TCP－IP协议相连，主要用于监控DMCPLUS的运行状态和进行有关的调试维护处理。各控制点之间以串级方式相联，充分利用DCS提供的各种控制方式间的无扰动、设定值跟踪等功能，并能保证可靠性。在操作站上还增加了先进控制回路的操作界面和故障处理界面，以保证系统安全运行。

3　应用结果

设定TW为385℃，在先进控制投入后炉温度控制精度有了明显的提高，图4为先进控制投入前后一号炉的运行情况。可见控制误差精度由1.5℃减少到0.5℃，在负荷变化时超调特性也有明显的改善。由于在先进控制中加入了4炉入口温度及干扰影响，使4炉的耦合特性有所改善，并降低了重整反应器的峰值温度，延长了催化剂的寿命。

4结论

连续重整装置的DMC先进控制自投运以来，对装置作了几次标定，从标定结果分析，在装置的操作平稳性、节能降耗及产品质量方面有了明显的改善，基本达到了装置局部优化的目的，主要表现在以下几个方面：

（1）生产效益

操作人员的劳动强度得到明显改善，无需随原料、气候环境等的变化去调节操作条件。

（2）节能降耗

主要体现在反应部分的分离器操作压力有明显下降，进料量从100t/h上升到103t/h，重整反应温度达527℃，消除了由于炉子超负荷，各反应器提温困难的问题。

（3）产品质量

先进控制投用后，可设给定的辛烷值，使重整辛烷值比原先有了提高，提高了气提塔的分离效果，从塔顶获得的液化气质量都较理想。