清大腾飞的先进控制与实时优化技术

在目前常规的装置控制和操作方式中，存在两个主要问题。一是常规的PID控制通常对工艺设备和生产过程的各种参数（如温度、压力、流量、液位等）分别加以控制，割裂了这些量之间存在的本质内在关联，无法将相关的多个变量统筹考虑、协调控制，影响了装置运行的平稳性。二是生产方案中规定的操作条件和操作员的实际操作过程均无法适应原料、市场和操作环境的频繁变化，无法保持装置始终处于高效的生产状态。

    先进控制和实时优化技术正是为解决这两个问题而提出的，并一直为流程工业学术界和企业界所广泛关注。上世纪九十年代以来，先进控制和实时优化技术的迅速发展已逐渐成熟并广泛应用于国外先进的炼油化工装置上，成为其提升效益的重要手段。Chemshare公司的研究表明，实现先进控制与实时优化所获取的经济效益是应用DCS的5倍。西方国家重点石化生产装置的先进控制系统覆盖率已经超过了90%。我国随着炼化工业工艺技术的发展，装备水平的提升，也已基本具备了广泛推广先进控制和实时优化技术的基础。 

    北京清大腾飞科技有限公司一直致力于流程工业先进控制和在线优化的研究开发工作，取得了一批有自主版权的成果，例如通用多变量鲁棒预测控制软件、实时优化软件、实时数据平台等商品化软件产品，并已进行现场应用，取得成功。 

    清大腾飞的先进控制技术突破了常规的单参数PID控制模式，注重装置的整体控制，即以整个装置为对象，把主要被控对象和控制量全部纳入控制系统，因而具有良好的跟踪性能，整体控制既保证了整个装置的稳定运行，又达到卡边生产的目标。清大腾飞的反应深度实时优化技术则可准确及时控制反应深度，可及时确定当前反应产物中各产物产率和优化目标值，而且寻优周期短，可适应动态变化过程和原料性质频繁变化。 

    实现生产装置的先进控制和实时优化，面临着相当复杂的情况，需要解决的问题很多。概括起来，主要是过程数据及其历史值的实时获取与处理、故障检测、不可测变量的在线实时计算、先进控制(目前得到成功应用的主要是模型预估控制技术)和装置优化。通常要在一套分布式计算机分级系统(DCS及其上位机)上实现。这些子系统可分以下四个层次： 

    基础层：常规PID控制系统； 

    观测计算层：提供先进控制与实时优化所需的重要不可测变量的计算值； 

    控制层：主要目标是平稳控制、约束控制与实时协调； 

    优化层：反应深度的实时优化，也是生产装置与生产调度(更上一级)的接口，它要根据生产调度要求，对整个生产装置进行协调；吸收稳定约束优化，提高有价值产品的收率。 

    分层控制系统的特点是下一层运行正常后，上一层控制才能投入运行，对于先进控制与实时优化系统来说，PID控制是基础级，即只有在所需PID控制投入闭环控制时，先进控制与实时优化系统的控制器才能运行，发挥其控制与优化作用。先进控制与实时优化系统对生产过程的调整作用是通过改变常规PID控制器的给定值来实现。为此，不仅要求所用PID控制闭环运行，还要求PID处于远程给定(或串级CAS)状态。这样做的目的是保证安全，即当PID可正常投入闭环控制运行时，说明生产过程运行正常，可投运先进控制。先进控制投运后，一旦出现问题，可迅速切换为常规控制。无论投入或退出先进控制，先进控制与实时优化系统与PID常规控制之间均是无扰切换(切换时常规控制调节阀开度保持不变)。 

    观测计算提供先进控制与实时优化所需的重要不可测变量的计算值，是先进控制与实时优化的基础，只有观测计算正常运行后，先进控制才能运行。 

    反应深度寻优与全装置协调，是通过改变先进控制器中被控变量的给定值或给出操作变量的目标值而实现的；同时要求先进控制器将生产过程平稳地控制在优化目标值，因此只有在先进控制器运行正常后，优化层才能运行。 

    清大腾飞在近年来为中国石油提供的先进控制和优化服务中，取得了丰硕的成果。 

    在大连350万吨/年重油催化裂化装置实施了先进控制与实时优化后，提高了自控投用率，实现生产自动化；改善了PID控制效果；每15秒给出一次馏出口产品质量指标，解决原有采样化验方式只能4－8小时才能给出一个化验值、并且有约两三个小时滞后的状况；每10秒给出反应热、剂油比、回炼比等值，便于指导操作；提高总液收0.78%，并且可根据生产要求在线设定目标产品的类型；直接经济效益达2295万元/年。 

    在辽阳石化45万吨/年重整装置上实施了先进控制与实时优化系统后，芳烃收率收提高0.715%；改善了装置的稳定性，延长催化剂的寿命；反应器重整温度波动小于3℃；每吨进料节约燃料气15.3公斤；通过装置标定计算，系统综合经济效益达1050万元/年。 

    支撑清大腾飞取得这些成果的是清大腾飞在人才、技术和服务策略上的优势。这里汇集了由数十名博士、硕士组成的专业化工程实施队伍，并得到清华大学、石油大学、天津大学、华东理工大学等多所大学知名教授组成专家队伍的支持。 

    清大腾飞拥有控制和优化技术专利，首推的反应深度实时优化技术可应用于各种石化装置的反应器部分，可以显著提高反应器的目标产品收率，直接获得可测量的经济效益。同时，清大腾飞推荐使用的基于状态反馈的先进控制器也具有工况适应范围广，模型调整方便，无需进行阶越测试的特点，在提高控制效果的同时，还避免了阶越测试等带来的隐含的安全问题和实施成本。 

    领先服务策略是清大腾飞充分发挥其人才、技术和经验优势的保证。清大腾飞在长达半年的项目实施过程中，整个项目组始终坚持驻扎现场，与一线工人同步工作。始终驻扎现场的实施保证了能随时发现并解决装置中存在的问题，发掘操控过程中存在的增效点，还能提高一线工人对先进控制和优化系统的认知和认可程度。清大腾飞注重基础控制问题的解决，应用各种非常规控制手段解决基础控制问题，为先进控制打下了良好的基础。清大腾飞考虑到先进控制和优化技术的复杂性和国内操作工目前的技术水平，为此类项目提供长期的售后服务，随时跟踪现场条件和装置的变化，保证系统的长期投用。 

    在强调科技就是第一生产力，全社会都在提倡科学发展观的今天，实现先进控制和实时优化无疑将成为中国石化行业提升操控水平和创效能力的重要手段。