智能多变量协调控制系统在常压炉的应用

吴 帅，李正强，范 锞，苏正江

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

智能多变量协调控制系统在常压炉的应用

吴 帅，李正强，范 锞，苏正江

(中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆克拉玛依834000)

克拉玛依石化有限责任公司(简称“克石化”)Ⅰ套常减压蒸馏装置自2006年投资建设，该装置常压炉出口温度稳定性控制一直是被高度关注的问题，在建工时，加热炉设计负荷偏大，实际生产中若加工量处于低负荷时，炉出口温度波动剧烈，为了让加热炉具有更大操作弹性来适应克石化公司加工方案，先进的控制技术在加热炉的应用有着重要意义。

常压炉；低加工量；出口温度；操作弹性

克石化Ⅰ套常减压蒸馏装置常压炉为管式立管辐射对流型圆筒炉，加热炉由燃烧系统，烟气余热回收系统，支路流量控制系统及联锁系统组成。为了能有效控制好炉出口温度，同时让加热炉具有更大“操作弹性”，本文着重阐述加热炉燃烧系统与支路流量控制系统，通过分析多变量对其造成的影响，将这些变量用先进的算法协调控制，拟定出适用于该加热炉在低加工量时的运行模式。

1 先前的温度控制模式(PID串级控制)

中国石油克拉玛依石化有限公司Ⅰ套常减压蒸馏装置常压塔进料加热炉(以下简称“常压炉”)出口温度采用传统的DCS串级回路控制，通过PID参数的调整，进行变量控制。在整个过程中，一个关键的问题便是对PID参数的整定，达到工业中预期的控制性能。但是在实际运用中，许多被控制的过程机理复杂，具有高度的非线性、滞后性及时变性，在一些对外界因素敏感的封闭系统中，非线性的程度非常高，如果该系统没有一定的抗干扰性能，那么系统将会把这些影响因素当成"变量"耦合进输入值，导致输出值发生不确定的变化。

图1为常压炉PID串级模式，先前的温度控制系统为传统的PID串级控制，通过TRC1032炉出口温度作为FRC1020燃气调节阀输入的主回路，用调节PID微分器的方式进行参数整定。这种方式算法比较单一，数据结构简单，对输入值的依赖度极高，无法主动识别出输入值的“真假”。在多变量的环境下，须考虑如何将这些被干扰的输入值进行解耦。

图1 常压炉PID串级主、副回路示意

如图2～3，加热炉在不同加工量时的加热炉运行1h情况，炉出口温度存在一定的波动，工艺要求常压炉出口温度在360～365℃范围内，而图2中最高温度在366.4℃，最低在356.9℃，这种波动程度是剧烈的，在1h之内，有一半时间时超出范围的。

图2 加工量5500吨/天时的炉出口温度

图3 加工量7000吨/天时的炉出口温度

加工量(T/D)瓦斯压力/MPa燃料气调节阀开度/%炉膛负压/kPa炉膛温度均值/℃氧含量/%一氧化碳含量/×10-6支路温差/℃平稳率/%55000.2945.4-124.3564.52.3143.23.768.558000.2949.7-127.1568.12.4123.62.477.560000.3153.2-128.3577.22.8110.13.298.763000.3158.8-129.4587.83.2104.33.310065000.2960.6-131.3587.63.2101.54.410070000.3063.9-133.8593.33.595.22.4100

从图2中曲线观察发现，加热炉在低负荷的情况下表现并不理想，温度的波动已经超出要求的范围。在实际生产中，影响加热炉的因素有：瓦斯压力、进料量、燃料气调节阀开度、炉膛负压、炉膛温度等，对于这些影响因素，必须将它们的影响力度考虑进来。表1中，不同加工量下，加工量越高越稳定，也符合设计时所要求的加工量。整定出一个合理的PID值，达到理想的控制期望。但环境的变数是最多的，也是最难捕捉的，比如要是突然下雨，刮风等自然因素的影响，最直接反应即：①鼓风机压力波动→②燃烧器火焰燃烧效果下降→③炉膛内氧含量不稳定→④风门开度随氧含量变化不定→⑤燃烧器火焰燃烧效果再下降……，形成一个恶性循环，解决的办法一是通过控制系统"规避"这些影响因素，二是改善设备排除这些因素但不现实。

那么如果控制系统具有一定抗干扰能力，它在受外界因素影响的情况下，还能比较精准的调节，说简单了就是让自动化控制系统具备识别能力。

2 智能多变量协调控制系统

2.1 总体思路及技术原理

加热炉智能多变量协调控制系统的总体思路是将整个加热炉作为一个控制对象，通过采用基于子模型、子子模型的多变量辨识技术，及多变量智能解耦技术，实现多变量智能内模控制，解决了耦合变量间的相互干扰问题。在进行安全监督的基础上，实现加热炉的安全平稳的综合优化控制。系统执行操作的每一步都是在确保安全的前提下，平稳快速地达到目标值，并根据设定的平稳参数和调节速率的大小，在各副回路平稳的基础上实现上一级回路的平稳控制。

多变量辨识技术关键在于将多变量通过数学建模，并在一系列子模型、子子模型进行分解模型，可以将一个多变量系统模型输入设为m个，输出设为l个。

图4 多变量系统模型示意图

如图4中A所示，将这些m个变量输入比作影响常压炉出口温度的多变量，比如瓦斯压力，炉膛温度，炉膛负压，氧含量等，并将l个输出比作这些变量的影响结果，将这些对应关系分解成子模型，利用增广最小二乘法+辅助变量法，获得子模型的参数和子子模型的辅助变量输出，最后将子模型分解为子子模型，得到子子模型的参数，最终得到求取系统的纯滞后时间。利用多变量建模的思想，进行分解解耦，是常压炉智能协调控制系统的关键所在。

2.2 多变量协调控制在常压炉的应用

2.2.1 COT温度内模控制系统

常压炉共有两组炉管进料和两组支路炉管的出口温度，一支路流量FRC1017对应支路出口温度TDRC1028温度，二支路流量FRC1018对应支路出口温度TDRC1031。那么，在支路温度控制器中加入内模控制器，通过获取常压炉其他关键参数，进行建模解耦，来控制燃料气调节阀开度，最终控制炉出口温度。图5中，LS与HS为常压炉燃料气内模控制器，正常情况下，炉出口温度通过调节燃料气流量FRC1020实现对炉出口温度的控制，为保证常压炉的安全燃烧，在LS与HS为内模温度控制器上设有PRC1020H和PRC1020L高低压保护回路，它们与FRC1020构成超时控制，以防常压炉燃烧的脱火甚至灭火。

2.2.2 支路温度均衡控制系统

在保证COT温度稳定的基础上，支路温度均衡控制系统的任务是调配好各支路炉管进料量，通过整定进料量控制器的设定值，来动态调整进料量，使该支路出口温度接近设定值，当工艺要求要更改加工负荷时，该系统将自动分段调整负荷分配量。

所有的调整均在保证COT温度、进料及时跟踪设定值变化、各支路炉管出口温度均衡、氧含量与炉膛负压稳定的前提下，使之能够平稳过渡到新状态，减少对常压炉平稳运行的影响。

图6中，拔头油进料负荷设定器HC01-FDDTY，通过支路控制器FRC1017、FRC1018，支路炉管出口温度控制器TDRC1028，TDRC1031，在协调处理输出值后，重新整定进料负荷设定器HC01-FDDTY内部算法，从而准确控制两支路进料量，将支路温差缩减至最小值，出口温度更接近设定值。

图6 常压炉支路温度均衡控制

2.2.3 常压炉出口温度前馈补偿方案

在加热炉实际运行过程中，进料温度和炉膛温度对加热炉出口温度的影响也非常关键，它们一开始往往影响的力度不大，但很容易造成"多米诺效应"，一旦发生，再想将炉出口温度及时调整回来会比较困难。温度前馈补偿思路是在常压炉进料及炉膛温度发生变化时，提前调整燃料气调节阀开度，减少进料温度和炉膛温度变化对炉出口温度的影响。

图7 出口温度前馈补偿

图7中，设有温度补偿控制器FDMR1032，其测量值为炉膛温度的平均值，设定值为炉膛温度均值时长的平均值，控制器输出经过计算得到补偿值，与图2.2.2.1中炉出口温度控制器TRC1032NW的输出累加后，送至燃料气流量控制器FRC1020的设定值。其中，温度区间是指TRC1032NW出口温度偏离设定值的量，超过或者低于此区域设定值，调节阀动作的速率不同，但速率最高有一个限速，就是补偿限速里的值。通过这3个取值方式，可以理解为给自动化的调节方式增加了平稳化、智能化。

3 新增控制系统的实施效果

图8 在低加工量时的炉出口温度趋势图

常压炉自2016年8月新增智能多变协调控制系统后，炉出口温度平稳率得到有效控制，在加工量5000T/D时，常压炉出口温度基本稳定在一条直线，大幅提升了常压炉的操作弹性。

图8中，是某月在加工量5000T/D和5350T/D时的炉出口温度波动曲线，炉出口温度设定值分别为363.5℃和362.5℃，可以看出，在3小时之内，加热炉炉出口温度波动基本稳定在一条直线上，常压炉出口温度的平稳率全部在100%，对比以前的数据，这种改变是非常可观的，在5000T/D的加工量下，炉出口温度稳定，所有的后续操作都会趋于平稳。在实际生产情况，无法试验更低的加工量，但目前表现效果良好，控制系统辨识逻辑能力比先前传统的PID方式先进，可以估测操作弹性还有很大的拓展潜力。

4 结束语

常压炉作为蒸馏装置的重要设备，炉出口温度的平稳尤为重要，本文围绕加热炉在多变量影响因素下，如何通过建模解耦的方式消除干扰，实现一对一控制，从而稳定了炉出口温度，改善了装置的平稳性。在自动化已普及的背景下，智能多变量协调控制系统的应用将一种简统的自动化带向了智能化，对炼化企业在今后的无人值守方面，有极大的引导力。

[1] 罗雄麟,叶松涛,许 锋.加热炉支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析[J].化工自动化及仪表,2014,41(11):1232-1235.

[2] 薛 明.常压炉出料温度控制方案调整深度分析[J].河南化工(HENAN CHEMICAL INDUSTRY),2010,27(4):58-60.

[3] 崔富军.常压炉典型回路及其联锁逻辑功能的实现[J].化工自动化及仪表,2016,43(9):998-1002.

[4] 吴洁芸,雷卫良,周娓程,等.平均值法在加热炉支路平衡控制上的实现[J].化工自动化及仪表，2014,41(10):1189-1190.

[5] 蒋爱平,韩志刚,韩 丹.无模型控制系统在加热炉控制上的应用[J].控制工程，2004,11(5),338-391.

(本文文献格式：吴帅，李正强，范锞，等.智能多变量协调控制系统在常压炉的应用[J].山东化工，2017，46(16)：105-107，110.)

Application of Intelligent Multivariable Coordinated Control System in Atmospheric Furnace

Wu Shuai，Li Zhengqiang，Fan Ke，Su Zhengjiang

(PetroChina Karamay Petrochemical Co.,Ltd.， Karamay 834000,China)

The atmospheric and vacuum distillation unit,named "Ⅰtao",was invested and built by Karamay Petrochemical Co. Ltd. in 2006，the stability control of the outlet temperature of the atmospheric furnace has been a subject of great concern,at the beginning,furnace design load is too large,in actual production,if the processing capacity is low,the outlet temperature of the furnace is violent,in order to make the furnace more flexible to adapt to the processing program,advanced control technology is of great significance in the application of heating furnace.

atmospheric furnace;Low processing capacity;outlet temperature;;operational flexibility

TE624.2

：A

：1008-021X(2017)16-0105-03

2017-06-04

吴 帅(1988—)，新疆克拉玛依人，助理工程师，从事工艺技术方面的工作。