先进控制技术在重叠式两段再生催化裂化装置的应用

荣获“2005年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选 　三等奖 1．概述 RMPCT(Robust Multi-variable Predictive Control Technology)即鲁棒多变量预估控制技术，又称Profit Controller(效益控制器)，是Honeywell公司研制的一种多输入多输出(MIMO)的先进控制技术。对于变量间高度藕合的系统，RMPCT通过阶跃实验建立系统的动态模型，然后通过这一动态模型，预估过程的变化方向，并决定如何调节控制器的输出，使得过程变量处于设定点或合适的区间。 FCCU(催化裂化装置)具有结构复杂，操作变量多，相互间作用强等特点，应用先进控制可以提高FCCU的控制品质，提高目的产品收率，改善产品分布，降低变量的扰动程度，从而大大提高装置的经济效益。 目前，先进控制技术在我国FCCU的应用已经有多套，有的也取得了明显的成效，但有的装置也有不少问题。北京设计院在推广先进控制技术的项目中，也承担了部分工作，本文以采用北京设计院设计开发的采用重叠式两段再生技术的重油催化裂化装置(RFCCU)为例，谈谈先进控制技术在FCCU的应用。 2．重叠式两段再生技术简介 重叠式两段再生技术是为加工难裂化、生焦量大的重质原料而设计的，第一再生器在较低温度下进行部分燃烧，将催化剂上部分碳和全部氢烧掉，降低了第二再生器中的水蒸汽分压；第二再生器虽然在高温下操作，但水蒸汽分压较低，减少了催化剂的水热失活，有利于保持催化剂活性和选择性。二段再生置于一段下部，一段再生在较低温度下进行部分燃烧，二段再生在较高温度下完全燃烧，引二段再生氧浓度6%以上的烟气进入一段再生，使主风得以充分利用，避免了二次燃烧。两段再生技术还采用了高效雾化喷嘴、分段进料、高效分段汽提、下流式外取热器等技术。 重叠式两段再生技术的主要控制方案为∶ 第一再生器及第二再生器的操作压力由设在三旋后的双动滑阀控制 提升管出口温度由再生滑阀控制 待生催化剂滑阀用来控制汽提段催化剂料位高度 一再床层料位由半再生滑阀控制 第一再生器温度由一再分布环的风量来控制 第二再生器温度由外取热器下滑阀开度或外取热器流化风量控制 3．实施先进控制前的准备工作 3．1 仪表参数的整定 装置自开工至实施先进控制，已经运行了一段时间，大部分PID参数是可以满足先进控制的要求的。但是有的回路在小的扰动下是可以很快达到稳定的，但在进行初步阶跃实验时，在装置波动较大的情况下，就有可能振荡或发散，这就需要及时整定仪表参数，保证为先进控制提供一个平稳操作的基础。 3．2 提高装置的自动化率 由于各装置的操作习惯，或仪表、阀门的质量问题，或者是设计的考虑不周，有的回路无法投自动。例如外取热器下滑阀对第二再生器温度的控制，油浆上下返塔之间互相影响，这些回路投自动就比较困难。但如果某些重要回路不投自动的话，先进控制就无法投用。对于不能投用自动的回路应分析其原因，更换阀门或改变控制方案，并将装置的自动化率作为班组操作的考核指标，以切实提高装置的自动化水平，保障先进控制的投用率。 另外，对于某些纯滞后时间长，或变量间藕合严重的回路，PID调节难以适用，也可以用RMPCT取代PID调节，发挥RMPCT的优势。例如反应压力的控制，由于滞后时间长，气压机转速只能与气压机入口处压力构成回路，应用先进控制时，可以考虑用气压机转速直接作为反应压力的调节参数，可以使反应压力的控制更稳定。 3．3 针对装置瓶颈进行改造 装置的实际操作条件总是不同于装置的设计条件，由于原料、处理量、催化剂的变化等原因，一般装置可能会遇到以下几个问题，限制装置能力的发挥∶ 循环斜管或滑阀过小，影响催化剂循环量的提高，无法提高剂油比 主风量限制或外取热器损坏，烧焦能力受限制 主分馏塔中段取热能力不够，分馏塔操作困难 干气不干、稳定塔顶出不凝气 气压机调速器故障，用反飞动调节反应压力 在装置平时操作就很困难的情况下，勉强投用先进控制也不会有好的效果。结合控制系统的升级，对装置进行核算和技术改造，消除瓶颈，会起到事半功倍的效果。 3．4 增加先进控制要求的测点 4．IRC（中间调节控制器）的应用 IRC（中间调节控制器）的作用是为实现多变量预估控制提供一个稳定的平台。对于RFCCU而言，常用的有比例控制和非线性液位控制。 有人提出雾化蒸气与原料的比例控制，认为雾化蒸气量应随原料油的变化而变化，而实际上，对于每一个固定的雾化喷嘴而言，雾化效果主要取决于雾化蒸气量，并且都应该有一个最优的数值。一般而言，雾化蒸气量应保持设计值，为了减少蒸气消耗而造成雾化效果变差往往是得不偿失的。另一方面，频繁改变雾化蒸气量造成反应时间的波动，对达到一个稳定的反应深度也是不利的。不如对雾化蒸汽引入温压补偿，抵消蒸汽管网的波动，可能会收到更好的效果。 比例控制的功能一般DCS系统都有，而非线性液位控制也可以作为RMPCT控制的一个变量，从这一方面讲，IRC似乎在先进控制中的作用并不是不可缺少的。只要对装置原有的控制系统进行仔细的整定，也可以达到相同的效果。 5．RFCCU反应再生系统RMPCT控制器的设计 一个设计良好的控制器不一定是最复杂的，在确定控制器结构的过程中，装置的现场工程师是最有发言权的。对于如何操作重叠式两段再生的RFCCU，由于现场情况不同，很多装置都有其独到的经验。将宝贵的现场经验用于控制器的设计，对于控制器的建立是大有好处的。本文针对RFCCU反应再生系统，讨论RMPCT控制器的设计。 5．1控制目标 设计RMPCT首先要明确其控制目标，从而可以确定操作变量、受控变量及干扰变量。RFCCU的反应再生系统的控制目标可分为两个部分进行讨论。 A． 反应部分的控制目标 反应部分的作用就是将原料进行催化裂化反应，得到反应产物。所以其控制目标为： 调整反应深度，改变产率分布，提高目的产品的产率，以获得最大的经济效益。 B． 再生部分的控制目标 再生部分的作用是将催化剂上的焦碳烧掉，恢复其活性和选择性，为反应部分稳定提供具有一定活性和温度的催化剂。其控制目标为∶ 满足装置约束，控制再生温度稳定，保障设备安全 控制一再烟气过剩氧含量，避免二次燃烧 在不同的焦碳产率下达到热平衡，为提高装置处理量或掺渣量创造条件 5．2 受控变量 受控变量可分为两类：约束变量和优化变量。 约束变量为设备本身条件要求或工艺过程要求，比如再生器温度，受催化剂热稳定性的限制，一般在700℃左右，只要不超过上限，多变量预估控制器就不需要进行调节。 反应再生系统的约束变量有∶ 一再稀相温度 一再密相温度 一再氧含量 一再CO含量 二再稀相温度 二再密相温度 反应压力 回炼油罐液位 其中二再密相温度直接影响再生催化剂的含碳量和催化剂循环量，从而对反应造成影响，所以应尽量保持二再密相温度的平稳。 优化变量是实施先进控制所要优化的变量，比如预估汽油产量等，与经济效益密切相关，在操作变量有自由度的时候，就要对优化变量起优化作用，将优化变量推向某一个极限，使得经济效益最大化。 反应再生系统的优化变量有∶ 预测转化率 预测干气产量 预测液化气产量 预测汽油产量 预测轻柴油产量 预测油浆产量 预测焦炭产量 5．3 操作变量 操作变量是实现受控变量的手段。在实际操作中，反应部分的考核指标是提升管出口温度，常用的操作手段是调节再生滑阀开度，回炼油、油浆回炼量，急冷油量。而多变量预估控制器的优势就在于综合运用多个调节手段，以最小的动作，达到操作目标。 在选择操作变量的过程中，对于工艺过程的深刻了解是非常必要的。以下几个变量就不宜作为操作变量∶ A．原料预热温度 预料预热温度对于催化剂循环量的有直接影响。但从进料雾化喷嘴的操作考虑，要使原料良好的雾化，适合的粘度是至关重要的。有时预热温度降得很低，剂油比提了上去，从理论上讲对催化反应是有利的，但原料油粘度增大，雾化效果变差，反而会导致焦炭和干气产率上升。 B． 反应压力 反应压力是影响反应的一个重要因素。但是反应压力的调节滞后时间长，不易实现，另外压力平衡对反应再生部分催化剂的循环和流化影响很大，调节不当，会引起难以预料的后果。不如将反应压力作为受控变量，保持其稳定，为其它变量的调节提供一个稳定的条件。 C．再生压力 再生压力对烧焦速度有影响，但考虑到压力平衡，以及烟气能量的稳定回收，再生压力也不宜作为经常调节的变量。由于双动滑阀滑阀的作用，再生压力一般控制是很平稳的。没有必要用RMPCT来取代PID控制。 D． 二再主风量 由于重叠式两段再生技术的特殊结构，即二再烟气通过一、二再之间的分布板进入一再，二再主风的变化直接影响催化剂内循环和外循环的量，从而造成一、二再料位的变化，这对于再生器内催化剂的稳定流化相当不利。另外，由于主风机组的原因，很多装置倾向于固定总风量，使得一再主风和二再主风相互影响。 因此，一再主风应作为操作变量，作为调节烧焦比例的主要手段，而二再主风可以作为干扰变量，用RMPCT来预估二再风量引起的变化，并通过其它变量来抵消二再风量变化带来的影响。 E． 汽提蒸汽量 汽提蒸汽影响焦炭中可汽提焦的含量，改善汽提效果，有利于减少再生器的烧焦负荷，增加目的产品产量。但考虑到旋分分离器入口线速的限制，汽提蒸汽调节的范围不大，并且各装置也已经逐渐摸索出一个优化的汽提蒸汽量，没有必要将其作为操作变量。 可用于反应再生系统的操作变量∶ 在反<