竺建敏，男，工業自動化專業博士，現任美國AspenTech公司資深技術顧問， 1993年~1999年在美國休斯敦DMC公司任高級控制工程師，1996年~1999年在美國AspenTech公司任先進控制及優化項目高級工程師， 1999年~2002年在AspenTech中國的合資企業上海申迪軟件工程有限公司任副總經理，2002年起在AspenTech中國區任資深技術顧問。主要研究方向為煉油、石化和化工行業先進控制及閉環實時優化的系統開發和應用，曾任美國休斯敦華人石油協會仿真、控制及優化專業委員會主任，發表相關論文20余篇。

    摘要：

    本文簡述了aspenONE®乙烯工業整體解決方案，著重闡述了乙烯全裝置全流程先進控制的解決方案以及先進控制最佳實踐，詳細描述了乙烯先進控制項目中裂解深度在線控制、乙烯裝置處理量最大化以及裂解爐負荷智能分配控制策略開發。本文以中石化燕山石化乙烯裝置實施AspenTech先進控制項目為案例，介紹了乙烯全裝置全流程先進控制系統設計以及投運結果。

    關鍵詞: 先進控制；模型預測控制；優化；乙烯裝置；裂解深度在線控制；裂解爐負荷智能分配

    1 aspenONE®乙烯工業整體解決方案概述

    AspenTech在乙烯生產制造、工程、供應鏈管理技術集成解決方案方面有著諸多業績，包括100余套乙烯裝置先進控制（APC）在線應用 和40余套乙烯裝置閉環實時優化（RTO）應用、全球65% 的乙烯廠采用AspenTech的計劃排產工具 (PIMS)、100余個工廠 / 2000余個用戶使用AspenTech工廠信息系統以及全球95% 的乙烯廠采用AspenTech流程模擬軟件，AspenTech乙烯生產計劃優化、調度優化、閉環實時優化以及先進控制集成解決方案實例，如圖1所示。aspenONE®解決方案通過以下措施來實現工廠利潤的最大化：

    （1）在裝置的實際約束條件下優化原料選擇和調度；
    （2）對產量、收率和能耗進行綜合考慮和平衡，優化裝置績效，減少過程波動，實現最優卡邊操作；
    （3）保證生產在最好水平運行的基礎上，實現生產工作流程的標準化，確保高質量和高收率；
    （4）通過優化資產利用率，提高資本效率。

                   

                             圖1 aspenONE乙烯廠解決方案實例 

    aspenONE®計劃和調度、先進控制、生產管理和執行以及過程工程解決方案在乙烯生產廠商得到了廣泛的應用。例如，三星道達爾在韓國大山（Daesan）的烯烴和芳烴廠應用aspenONE® 計劃及調度解決方案，建立了一套嚴密整合的計劃及調度業務模式，使三星道達爾每年節約500多萬美元，能實現更好的庫存可視化、促使決策更加快速和正確且擁有完全整合的、多層的過程優化系統。LG化學在韓國大山（Daesan）乙烯廠 采用aspenONE®先進控制解決方案，一年節省了400萬美元的運營成本，這套解決方案還幫助LG化學公司實現了卓越運營目標。在滿足該工廠工藝約束條件下，乙烯和丙烯的產量提高了2%，總石腦油裂解能耗(NCC)也降低1.5%。投運APC后，乙烯和丙烯的損耗明顯減少，而且裝置生產運行也更加穩定，不再像過去投運APC之前經常出現液泛或產品不合格的問題。由于APC項目取得成功，目前LG化學正在實施閉環實時優化（RTO）項目，以進一步改善LG化學的卓越運營水平。例如，道氏化學公司（ Dow Chemical Company ）先后在十多套乙烯裝置上實施Aspen DMCplus/Aspen Composite先進控制(APC)及Aspen Plus Optimizer閉環實時優化(RTO)項目，據不完全統計。有10余套乙烯裝置應用了AspenTech的APC及RTO技術,四年內累計所產生的經濟效益高達17500萬美元。

    中石化燕山石化也分步實施了乙烯集成生產控制和優化及管理系統，應用AspenTech的技術包括Aspen PIMS生產計劃、Aspen Advisor生產統計、Aspen InfoPlus 21信息管理系統、Aspen DMCplus及DMCplus Composite乙烯全裝置全流程先進控制（APC）、Aspen Watch和Aspen SmartStep控制器監控及性能維護，目前燕山石化正在實施乙烯全裝置全流程的Aspen Plus Optimizer閉環實時優化（RTO）項目。

    2 aspenONE乙烯先進控制和閉環實時優化系統綜述

    乙烯生產優化解決方案包括以下主要部分：用于先進控制（APC）的Aspen DMCplus及DMCplus Composite；用于閉環實時優化的Aspen Plus Optimizer；計劃的生產信息來自于計劃工具Aspen PIMS；乙烯調度采用Aspen Olefins Scheduler工具； 而實際的生產信息是由Aspen InfoPlus.21實時數據庫系統記錄下來，并經Aspen Advisor調合后的生產數據。圖2為典型乙烯廠中Aspen DMCplus、DMCplus Composite與Aspen Plus Optimizer的信息交換。

                 

                     圖2 典型乙烯廠中Aspen DMCplus、DMCplus Composite與Aspen Plus Optimizer的信息交換

    在乙烯裝置上實施先進控制和實時優化具有顯著的經濟效益。乙烯裝置的高度集成設計使得它很難時時刻刻地運行在優化操作點上,因而需要有先進控制和閉環實時優化系統來尋找和控制影響裝置效益的關鍵變量。先進控制（APC）能夠把裝置推向更接近于真正的工藝約束限值，可顯著地提高裝置處理能力。閉環實時優化系統（RTO）采用非線性優化技術能以全局效益最大化方式來優化諸如裂解爐進料量、稀釋蒸汽／烴進料比、裂解深度以及壓縮機吸入段壓力和塔的產品純度，能在先進控制基礎上進一步帶來效益。例如，RTO能夠在優化裂解氣壓縮機吸入段壓力、最大化裂解爐處理量和優化乙烯產率之間進行綜合考慮并做出優化決策。或者，基于非線性的優化系統來實現全裝置的優化，為了最大化裂解爐的處理量，能夠適當地放寬脫甲烷塔頂的乙烯損失程度。

    AspenTech已成功地實施了100余套乙烯裝置先進控制項目和40套乙烯裝置閉環實時優化項目。例如，新加坡石化公司（PCS）乙烯裝置采用AspenTech先進控制和閉環實時優化，經標定，總體效益包括提高產量5.5%，其中30%來自于DMCplus控制，40%來自于組合線性規劃控制器(DMCplus Composite)處理量最大化，30%來自于閉環實時優化(RTO)。除了增加產量外，每噸乙烯還可節能3%。

    3．乙烯全裝置全流程先進控制的主要技術特點

    Aspen DMCplus基于多變量模型預估控制理論， DMCplus控制系統能夠增強裝置生產的抗干擾能力和約束處理能力，降低生產的波動，充分挖掘裝置的工藝和設備能力，DMCplus能以更加接近于裝置的真正的約束條件下及更接近產品規格要求下可靠運行，實現最優卡邊操作，得到可觀的經濟效益回報。通過對生產過程中所有被控變量進行監測和控制，DMCplus控制系統能夠增強生產的穩定性，降低操作人員對生產的監測和干預強度。
裂解爐先進控制的效益主要通過提高目的產品收率和提高熱效率及提高爐子運行周期來實現。控制合理的煙道氣氧含量和優化裂解深度，可以降低能量的損耗、延長裂解爐運行周期并提高目的產品收率。
乙烯裝置分離系統的效益是通過采用DMCplus控制系統，減少關鍵被控工藝變量的標準偏差量，使各分離單元控制目標接近最優卡邊值，達到增產和降耗增效目標。 

    3.1 SAPC在先進控制中的作用

    乙烯裝置的每個裂解爐將由一個單獨的DMCplus控制器來控制。裂解爐操作的一個關鍵性能指標是裂解深度，裂解深度用來控制乙烯和丙烯的產率。實現裂解深度自動控制為裝置下游平穩操作奠定了基礎。大部分乙烯裝置都配備有裂解爐出口組成分析的在線色譜來確定裂解深度。但是，在線儀表的更新周期太長一般都不適合于在線裂解深度控制。而且，有時其可靠性不足以用于連續控制。作為先進控制的一部分，AspenTech建議采用SAPC，TECHNIP公司用于先進控制的SPYRO模型技術來在線預估和控制裂解深度／轉化率。SAPC能每分鐘進行計算來提供實時的裂解深度／轉化率。當裂解爐有出口分析數據或化驗室分析數據時， SAPC模型計算可在線更新（如更新SAPC模型中的COT偏置項等）。如果原料性質在線分析數據或原料的在線分析結果與SAPC聯用，可實時地反映裂解深度隨原料性質的變化， AspenTech開發了SAPC標準接口，實現了與SAPC無縫連接，其進料分析、裂解深度在線計算及校正、DMCplus控制一體化相關流程，如圖4所示。

    AspenTech已經在很多乙烯先控項目上成功實施了裂解深度在線控制。除了裂解深度以外，機理的SPYRO模型還能用來預測爐管表面溫度（TMT）以及結焦速率等。

                 

                          圖3 原料計算、SAPC及DMCplus一體化流程

    3.2 大型控制器

    與其它多變量預估控制器不同，DMCplus具有運行大型控制器能力，例如冷區包含脫甲烷塔、脫乙烷塔、乙烯精餾塔、丙烯制冷壓縮機等單元，各單元之間在工藝上存在很強的操作耦合。在冷區設計單一大型控制器能有機地協調各單元之間熱量與物料的集成、綜合所有操作變量和被控(約束)變量的關系，更好地處理多個和/或轉換工藝約束，因而可獲得更好的動態控制效果。

    3.3 子控制器

    圖4為冷區典型單一控制器設計，該控制器包含有幾個子控制器，子控制器把一個大型控制有機地分割成幾個邏輯流程段，它們擁有一組控制器的相關操作變量和被控變量，使控制器操作變得非常靈活及容易。子控制器均可按需要獨立地運行（開和關），而并不需要對內部真正的控制結構進行任何的變更，因而可顯著地提高控制器的投用率。

                       

                                圖4 冷區的控制器被分成幾個子控制器

    3.4 通過組合線性規劃控制器，實現進料最大化及裂解爐負荷的智能分配

    組合線性規劃控制器（DMCplus Composite, CLP）能處理諸如整個乙烯廠這樣的大型控制難題。在穩態優化(CLP)意義上，它擁有與單個控制器相同的模型，通過與下層控制器有機的互動，以一個大型多變量控制器進行整體協調工作，為裂解爐進料的最大化及裂解爐負荷的智能分配提供了行之有效的解決方案。組合線性規劃控制器在滿足上下游工藝約束的條件下，使裝置進料達到最大化的同時，使全裝置維持在最優的目標。

                 

                     圖5 DMCplus Composite 組合線性規劃控制器與常規DMCplus控制器的關系

    一般由DMCplus用戶按照工藝約束來確定哪個控制器應包含在組合線性規劃控制器中。組合線性規劃控制器利用下層的控制器核實輸入數據，用組合預測和組合線性規劃（CLP）替換每個控制器的預測和線性規劃（LP）。前端的動態控制作用與后端控制器有機通訊，從而獲得一致的動態控制調節方案。

    如果由于下游約束，CLP不能達到優化目標值，可采用基于優化系統的靈敏度分析來確定每臺裂解爐對目標函數的影響程度。CLP可采用分析結果，對每臺裂解爐排序。當組合線性規劃控制器需要對進料量作調整，選擇調整裂解爐是基于上述優化系統的靈敏度分析。組合線性規劃控制器決定各裂解爐調整的組合來確保滿足工藝約束，且使效益最大化。

    當由于操作條件的變化所引起處理量增加的空間時，CLP將基于上述優化系統的靈敏度分析來增加各個裂解爐的進料量。在處理量增加時，下游裝置將保持在優化器給出的目標值。

    假如一臺清焦后裂解爐在線生產，整個裝置組合線性規劃控制將調節其他裂解爐進料來滿足后系統約束。調整各裂解爐進料是基于優化系統的邊際效益分析。

    整個裝置組合線性規劃控制在響應裂解爐切換及其他干擾時的協調作用能確保裝置運行在一組最優卡邊工藝條件。當克服干擾之后，裝置回到穩態，組合線性規劃控制將優化相應的操作目標值。

    由上所述，采用組合線性規劃控制器（DMCplus Composite, CLP）可容易地實現裂解爐負荷的智能分配。乙烯裝置特別適合運行組合線性規劃控制器，CLP將連續不斷地把裝置推向進料最大化直到工藝約束為止。例如，由于夜晚冷卻水溫度較低，某些工藝約束可能有些余量，CLP將進一步增加進料量。 DMCplus 控制器將確保所有下游操作穩定且在工藝范圍內前提下，使進料最大化。

    3.5 先進控制最佳實踐

    先進控制系統在石油化工企業的應用為企業創造了可觀的經濟效益。然而，隨著時間的推移，由于工藝過程和操作上的變化，控制器的在線時間會逐步減少，控制器的投用效果會降低。因此，有必要實時監測各個控制器的性能并且不斷提升其性能。

    Aspen Watch就是一套先進控制系統的性能監測軟件，應用該技術可以從大量的操作數據中有效提取出有用的信息，通過對控制器狀態監測、控制器性能分析、控制器性能診斷和增強控制器性能建議等一整套性能監視和診斷工具及方法來保持先進控制系統長周期高效運行，給企業帶來效益。

    另外，當一套裝置的工藝發生較大變化或工藝改造后，控制器的模型必須進行相應的調整，否則控制器的創效能力會慢慢下降。而采用傳統的階躍測試技術需要耗費大量的人力和時間成本，影響了控制器在裝置運行周期內的的持續創效能力。

    Aspen SmartStep自動階躍測試技術是在降低測試強度的情況下自動施加信號，并獲得高質量的測試數據，同時能夠維持裝置的安全操作，該技術和控制器投用同步實施，可有效地達到減少項目實施周期、快速投用控制器、提高模型精度、改善控制效果等功能。

    此外，AspenTech推出的Adaptive Modeling 自適應建模技術能使更新控制模型步驟自動化、能自動進行裝置測試來產生新數據，從而精簡控制器維護工作來使多變量模型預測控制器效益最大化，目前，Adaptive Modeling技術已有多個成功應用實例。

    綜上所述，AspenTech先進控制最佳實踐主要包括三個方面：采用自動裝置測試技術來產生高質量模型數據、2)采用多變量模型預測控制器及DCS中PID回路性能監控技術以及3)采用模型自適應技術來維護多變量模型預測控制系統。

    乙烯裝置工藝流程復雜、控制器數量多、規模大，控制器性能監控及維護是實現先進控制可持續效益的關鍵，道氏化學公司（ Dow Chemical Company ）先后在10余套乙烯裝置上實施Aspen DMCplus先進控制，伴隨著工藝改造，過程的動態變化，通過采用先進控制最佳實踐以及Aspen Watch和Aspen SmartStep等控制器維護工具來實現可持續效益的最大化，適時進行模型更新，整定參數調整及日常維護，使先進控制系統獲得持續的效益，目前道氏化學公司乙烯裝置先進控制在線投用率仍在95%以上。

    4 燕山石化乙烯裝置全流程先進控制實例

    4.1裝置簡介

    中石化燕山石化乙烯裝置是我國第一套引進的大型乙烯裝置，1976年投產能力為30萬噸乙烯/年，1994年首次擴能改造為45萬噸乙烯/年；采用“兩頭一尾”布局。2001年11月二次擴能改造為71萬噸乙烯/年。與一般的乙烯裝置不同，燕化乙烯裝置裂解爐包含五種爐型專利，四種原料，兩個裂解爐區、急冷和壓縮系統，后系統合并成一個大的分離區及多個冷劑系統相互作用，具有工藝流程復雜，技術密集和系統關聯程度高的特點，對實施先進控制系統具有挑戰性。

    在先控項目啟動之前，工藝操作遇到的問題包括許多DCS控制器處于手動、丙烯精餾塔塔釜的丙烯含量偏高、產品質量過剩以及裂解爐結焦速度快、運行周期短等。為此，先進控制項目的目標為實現裝置平穩操作、生產合格產品、實現乙烯/或乙烯加丙烯產量最大化及提高操作效率。

    4.2 項目范圍

    本先進控制項目集成了多種技術，主要包括AspenTech公司的多變量控制器DMCplus 技術、AspenTech公司的組合線性規劃控制器CLP技術、Technip公司的用于先控應用的裂解爐裂解深度在線計算軟件SAPC (Spyro for APC)、AspenTech公司的用于SAPC的接口系統(IP.21和Aspen Calc)以及中石化NAP原料近紅外NIR在線分析技術。

    先進控制項目實現了包括原料計算、裂解爐、急冷壓縮和分離系統在內的全流程、全過程的先進控制在線運行，達到了乙烯裝置穩定高效運行和提高效益的目標。

    4.3 多變量控制器設計

    針對新老裂解爐區、新老急冷壓縮系統、深冷系統和碳三分離系統，整個乙烯全裝置、全流程先進控制系統總計開發了23個主控制器（含18個子控制器）和2個CLP組合控制協調器 ，其控制器設計如表1所示。

    表1

                 
                 

    如圖6所示，在各單元DMCplus控制器基礎上，進一步采用組合線性規劃控制器DMCplus CLP實現進料最大化及裂解爐負荷的智能分配。

                 

                    圖6 DMCplus控制器及組合線性規劃控制器CLP結構圖 

    先進控制操作平臺采用三臺上位機，分別為DMCplus/CLP多變量控制服務器、InfoPlus 21/SAPC實時數據庫及裂解深度在線計算服務器以及Aspen Watch控制器性能監控服務器。DCS系統通過三臺EXA OPC通信工作站與上位機相連。OPC上安裝AspenTech的 標準通訊接口軟件Cim-IO Server for OPC，用于DMCplus/InfoPlus 21與DCS通信。 

    先進控制項目實施步驟主要包括：技術培訓、預測試、初步功能設計、儀表實施整改、裝置響應測試、控制器建模、控制器離線模擬整定、DCS接口組態、詳細功能設計、操作工培訓、控制器投運及性能考核驗收等環節。

    4.4 投運效果

    老區裂解爐DMCplus控制器于2004年8月實現在線投運，由于受乙烯裝置檢修周期延長、考慮DCS在線下裝的影響，其它DMCplus控制器和CLP應用也都在2007年5月至9月間陸續投用。目前系統運行正常，控制器投用率較高，達到了穩定操作、提高效益的設計目標，取得了良好的經濟效益。在國內實現了乙烯裝置全流程、全過程先進控制在線投用。投用結果表明：

    （1）系統操作界面友好，操作簡便及安全可靠；
    （2）改變了裂解爐控制策略，優化了裂解爐的運行狀況，降低了主要被控工藝變量的波動幅度；從常規控制的單純的COT操作，到先進控制的裂解深度的控制，使得裂解反應的操作條件更加穩定和均一，從而使產物的組成更加穩定；
    （3）提高了裝置運行的平穩性，例如，投運先控后，急冷系統塔頂溫度、塔釜溫度波動明顯減小、裝置穩定性增強；
    （4）實現了裝置卡邊操作，例如乙烯精餾塔控制器能控制塔頂乙烷雜質含量，實現卡邊控制并有效地控制塔底乙烯損失在要求范圍內；
    （5）有效、合理地協調了裝置的運行負荷：CLP組合線性規劃控制器是一個近似于涵蓋整個裝置的大型多變量控制器、協調器。其主要目的是在滿足下游約束，或是保持操作員給定的進料量設定值，并保持操作員設定石腦油進料量或HGO/HVGO進料量的條件下，使進料最大化。目前，在正常情況下，CLP控制器運行效果良好，能夠根據各個裂解爐的工藝約束狀況，自動地完成對所有裂解爐的負荷分配。

    4.5 結語

    燕山石化乙烯全流程、全過程先進控制項目于2008年通過了中國石化總部驗收。通過實施先進控制項目，提高了乙烯裝置生產運行平穩率、降低了操作人員的勞動強度，減少人為的操作失誤和生產過程上下游的相互干擾；進而可實現裝置卡邊操作，提高產品產量，提升了市場競爭力。在產量最大化的條件下，乙烯和丙烯產量可增加2%，經濟效益顯著。實施先進控制項目后還實現了裂解爐負荷的智能分配，在提高裝置處理能力的同時，延長了裂解爐的運行周期。該項目的成功為國內開展乙烯裝置全流程先進控制技術的推廣應用打下基礎，積累經驗。乙烯生產裝置具有工藝流程長、處理能力大、裝置能耗高的特點，乙烯生產裝置實施先進控制是企業信息化應用中一項投入少、增效快的重要措施。大量實踐證明，先進控制能為企業創造巨大的經濟效益。

    致謝：衷心感謝中石化北京燕山分公司化工一廠技術專家金宗賢先生對本文寫作給予的多方幫助。

    參考文獻：

    陳德燁 ，金宗賢.先進控制技術在燕化乙烯裝置上的實施［J］.乙烯工業，2008， 20(2):34-38.