一种基于模型预测控制的减压加热炉先进控制技术应用与研究

第３Ｏ卷第１２期　甘肃科技　Ｉｆ＿３ＯⅣ０．１２　２０１４年６月　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊｕｎ．２０１４　一种基于模型预测控制的减压加热炉先进　控制技术应用与研究　李世原，景莉　（兰州石化公司自动化研究院，甘肃兰州７３００６０）　摘要：针对某石化炼厂常减压蒸馏装置节能减排，提高产品品质的生产要求，提出了一种基于广义预测控制技术　的先进控制算法。通过广义预测控制、提降量控制以及支路平衡控制技术的应用。应用效果表明，该方法有效减低　了减压炉炉出口终温的波动，提高了换热效率，实现了节能减排，提高产品质量的目的。　关键词：先进控制技术；减压加热炉；广义预测控制；提降量控制；支路平衡　中圈分类号：ＴＧ３０７　加热炉作为常减压蒸馏装置重要的供热设备，　管的物料出口温度相差较大，这将导致各支路加热　其运行状况的优化与否直接影响到整个装置的安全　不均，最终导致产品品质不稳定，甚至不达标。减压　平稳运行。特别是近年来随着装置运行周期的不断　炉采用ＤＣＳ常规控制回路控制各支管出炉汇合后　延长以及企业节能降耗工作的深入开展，如何延长　的物料总温度，其余参数几乎全靠人工操作。装置　加热炉运行周期、降低燃料消耗及运行成本正在成　ＤＣＳ系统中加热炉各支路出口只有温度测量，没有　为炼厂新的研究课题…。石油炼制与石油化工是　温度控制回路，减压炉目前各个支路炉出口温度偏　我国重要的支柱产业，在面临激烈的国际竞争及我　差大，先控实施有一定的优化空间。　国经济体制转轨的挑战下，采用高新技术实现对传　统工业技术改造成为必要。常减压蒸馏过程是一个　２先控技术应用　复杂的传热、传质过程，内在机理复杂，而对它的控　针对目前减压加热炉换热效率低、炉出口终温　制指标要求又比较高，采用常规调节器难以达到理　波动大，影响到本装置产品质量的设备状态与工艺　想的控制效果　Ｊ。目前，装置的控制手段仍停留在　特点，主要通过减压炉支路平衡控制技术对四路进　ＤＣＳ常规控制水平，当生产过程出现较大加工负荷　料流量进行控制，保持四路换热后温度基本一致；通　变化，或者出现物料组成、热源变化等扰动时，常规　过减压炉炉出口温度预测控制技术对常压炉换热终　控制很难达到期望的控制效果，装置生产运行波动　温进行实时跟踪预测，并据此进行联动常压炉换热　大，影响了主要产品的产量和质量。该装置采用先　控制动作。　进控制技术，克服了装置本身的时变性、耦合性、非　２．１模型预测控制　线性、不稳定性、外部扰动的随机性及不可检测等因　模型预测控制（Ｍｏｄｅｌ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＰＣ）　素带来的问题，改善了过程动态性能，减少了生产过　技术是２Ｏ世纪７０、８Ｏ年代出现并逐步发展起来的　程变量的波动，增强了装置运行稳定性和安全性，改　用于工业生产的一种先进的控制方法。最早的应用　善了生产过程的操作，降低了劳动强度，增加目标产　实例见于１９７８年在法国的一种称为模型预测控制　品收率，降低能耗，提高了装置的自动化水平及企业　算法开始用于锅炉和分馏塔的控制　Ｊ。随着应用　的经济效益。　的增加和不断深入，模型预测控制算法已经形成了　一套比较成熟的先进控制技术　Ｊ。　１　装置分析　２．１．１模型预测控制基本原理　常减压装置采用美国Ｅｍｅｒｓｏｎ公司的ＤｅｌｔａＶ　预测算法同状态空间算法一样，也是一种多变　ＤＣＳ系统实现了集中控制。减压炉的各进料支管和　量的时域控制技术。但是，它同状态空间法又有很　炉底烧嘴在炉内是按几何对称分布的，但因多烧嘴　大的区别，其基本原理包括以下２个方面；　燃烧、雾化蒸汽波动及送风量不均衡而会出现“偏　１）被控系统的内部模型。是用系统时域的输　火”现象，即各个支管的加热强度不同，从而使各支　入一输出的简单数字关系来表达，在常压加热炉先　第ｌ２期　李世原等：一种基于模型预测控制的减压加热炉先进控制技术应用与研究　３３　进控制技术实施中，是通过对系统脉冲响应的长期　ｓ——设定值；　测定来确立系统的模型；　——收敛系数。　２）参考轨迹。参考轨迹是指一条引导被控的　不难看出，参考轨迹的期望就是系统的输出，从　输出变量到达最终的给定值的平滑的曲线，其表示　现实值无超调、平滑、快速地接近新的给定值Ｓ。　式是：　２．１．２广义预测控制算法　Ｙ＾（ｔ０＋　）＝　Ｙ＾（ｔ０）＋（１一　）ｓ　Ｙ　（ｔ０）＝Ｙ（ｔｏ）　（１）　广义预测控制算法（ＧＰＣ）的基本思想建立在模　型预测的基础上，利用模型来预测被控对象的输出，　Ｉ　ｌ＜１　ｉ＞０　式中：），　——参考轨迹值；　并在线辨识进行反馈校正，修正预测输出值【６】。　ｙ——输出变量测量值（实际输出）；　ＧＰＣ基本原理如图１所示。　过去　米来　—＼　．一　、●　　一　广　Ｌ一　－　Ｉ　Ｉ　Ｉ　—　ｏ　１　Ｌ—ｉ　Ｐ　ｋ　图１　ＧＰＣ预测控制基本原理　对有ｑ拍时滞的系统，ｂ。一ｂ　均为０，　＞ｇ。　２．２支路平衡控制技术　考虑下述丢番图方程：　加热炉支路温度平衡控制的目的是：在保证各　１＝Ｅ　（　－１）Ａ（ｚ－１）△＋Ｚ１Ｆ，（　一１）　（２）　支路流量差不大于工艺要求约束值和各支路流量总　式中：Ｅ　（ｚＩ１），　（ｚＩ１）是由Ａ（ｚ　）和预测长度－『唯　和为原油处流量的条件下，通过调节支路流量，使支　一确定，Ｅｆ（　Ｉ１）＝ｅ，．０＋ｅ，．１　－１＋…＋ｅ，．『－１　一‘　＿１’，　路温差最小　Ｊ。这里有两个约束条件：一是支路流　（ｚＩ１）＝　．０＋　．１ｚ－１＋…＋　．　：一　，　量差不大于工艺要求约束值，这主要是考虑到过小　设对象在ｋ时刻输出初始值为ｙ（．ｊ｝），在ｋ时刻　的支路流量将可能产生炉管烧穿的工艺事故；二是　的控制量Ⅱ（后）有一增量△ｕ（ｋ），则未来ｋ＋１时刻　各支路流量总和为原油处流量，这就保证在调节过　的预测值表达式为：　程中不影响原油加工量。为了满足以上约束条件，　Ｙ（ｋ＋　）＝Ｅ　（　一　）８（ｚ一　）△ｕ（ｋ＋　一１）　避免单独支路和总流量的出现异常状况，减压炉支　＋　（　）），（后）　（３）　路平衡控制器包括减压装置自动提降量控制、减压　根据已知的输入输出信息及未来的输入值可预　炉支路平衡控制。减压炉支路平衡控制原理如图２　测出装置未来的输出，便可由式（３）通过历史温度　所示。　值来预测未来的温度值。　图２减压炉支路平衡先进控制器　支路平衡控制采用差动式温度平衡控制策略，　４　对４个支路，分别为支路１至支路４，进料流量分别　为Ｆ・到　，支路的总进料流量为Ｆ　善　；出口温　甘肃科技　第３０卷　度分为　至　，温差均值为　＝∑ｒ，／４，出口温差　为△　：Ｔ一　，支路平衡的目标就是使得Ａｔ，趋近　与０。　进料流量和温度的波动、进入炉膛空气量的大小、燃　料压力和热值的变化、燃料燃烧情况的好坏以及炉　膛负压升降等因素都会影响炉出口温度。为了提高　总出口温度的控制质量，拟在现有控制回路的基础　２．３减压炉出口温度控制器　减压炉出口温度先进控制器原理如图３所示，　原料　灯ｔ膛ｉ６；５度　上，串联一个多变量先进控制器来改变现有控制器　设定值，以达到实现炉出口温度平稳控制的目的。　３　３　３　３　３　３　３　３西　盯　黔　∞　缸　图３减压炉出口温度先进控制器　３应用效果　在实际应用中，为了使减压炉４个支路出口温度　相近，加热炉总出口温度平稳，采用了如下控制方法：　针对进料流量和温度、燃料压力和热值、炉膛压力和　温度等参数建立数学模型；在系统模型建立的基础　上，通过广义预测算法（ＧＰＣ）对炉温等被控量实时预　测并作出相应的控制动作；一个控制周期内，将加热　炉各支路提降量Ａｆ，一△　按当前控制周期内，各　支路流量调节量按比例进行分配，见式４。　一Ａｆ，＝ＡＦｉ＋Ａｆ，卸×　∑　１　Ｊ　（４）　应用结果如图４所示，是先进控制技术应用前　后４路出口温度效果对比，可以看出，投用前后换热　终温波动的差距非常明显。投用之前最高温度超过　３８９＇ｔｌ２，最低温度达到了３７５ｏＣ，最大温差达１４￣Ｃ。　投用之后最低温度未低于３７８℃，最高温度未高于　３８４￣Ｃ，最大温差仅为６￣Ｃ，减压炉炉出口终温波动　缩小的幅度超过５７％，效果显著。　减压炉炉出口终温　一景Ｓ菪霸巷苔蕞善ｇ荟是晷荨是晷毒釜篓　襄虽霉篓警　一一一ｅ４，　Ｎ　Ｎ　ｍ　ｍ　ｍ　ｔａ－甘寸ｍ　‘ｎ∞　．。卜卜卜∞　图４减压炉炉出口终温度对比　＾　、＾　参考文献：　［１］　窦岩．常减压加热炉热效率提升与改进措施［Ｊ］．生物　。叶¨ｕ　通过实际应用，以ＧＰＣ控制技术为核心的先进　控制技术的应用起到了对加热炉炉出１２１终温的有效　控制和稳定，使得炉出口终温温差大幅减小，温度较　技术世界２０１２，２１（６）：１０—１３．　，［２］吴宁川，马俊英，潘立登．用ＦＩＸ组态软件开发常减压　蒸馏装置的ＳＣＡＤＡ应用［Ｊ］．北京化工大学学报，　为稳定，波动频率幅度都有较大降低，提高了装置的　２００１，１５（４）：４０—４１・　换热／加热效率，降低了物耗及能耗。　［３］　ｍｃｈ　ｅ　，Ｒａ　Ａ・Ｍ０ｄｅ　ＰＩ－ｅｄｉ：　ｉ　。Ｈｅｕ商ｉ　ｃ。“　：　Ａｐｐｌｉｅａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ【Ｊ　Ｊ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，１９７８，　１４（５）：４１３—４２８．　（下转第２１页）　第１２期　苏永琦：甘肃北山地区小草湖金矿地质特征及成矿预测　２ｌ　由于断裂活动的频繁性，金矿化也明显呈现出　多期性。小草湖金矿显示较为单一的断裂活动，以　进东西向为主要构造形式，后期见南北向小断层错　英脉同位素年龄为１８１Ｍａ和４２．２Ｍａ，矿化发生在　燕山一喜山期，说明岩体只有空间关系，成岩和成矿　时间相隔甚远。　断石英脉，但断裂活动的持续性依然有利成矿作用。　具有较高浓度的金矿液形成后，可沿某些较单一的　构造裂隙上升至较浅部位，随着晚期硅质的沉淀而　沉淀于先期形成的石英单脉或复脉中；或随着晚期　硫化物的析出而沉淀，形成含金石英脉或含金一硫　化物石英脉等　Ｊ。含金成矿热液也可在断裂破碎　带汇聚贮存，在之后的构造活动中，继续向较单一的　构造裂隙运移沉淀而形成后期不同形态的含金多金　属石英脉。成矿时期往往也是断裂活动相当活跃的　５．３成矿机制及矿床形成过程　矿床类型：石英脉型金矿，以华力西早期黑云母　花岗岩为容矿岩石，以脆性小断层、裂隙带为容矿构　造，以脉石英为矿石主体的浅成、中低温热液金矿。　成矿机理及模式：中上志留统公婆泉群安山质　火山岩沉积时期初步富集成矿物质；华力西期岩浆　活动的改造作用使这些火山岩系中的成矿物质易于　活化迁移，同时也为以后的成矿活动进一步准备成　矿物质；华力西期以来的构造挤压作用使火山岩系　时期，而断裂活动经常是断续和多阶段的，含金矿液　劈理化，同时在花岗岩体中形成裂隙系统；喜马拉雅　期区域构造应力松弛后，下渗雨水沿断裂一裂隙系　统下渗并被加热、加压，沿途淋滤围岩中成矿物质并　形成成矿热液；矿液最终循环上升到花岗岩体顶部　裂隙系统中，因减压、降温等环境条件骤变，导致矿　质沉淀形成矿床。　５．４成矿预测　在运移中本身的性质在改变，周围的物理化学环境　也在改变，沉淀条件随之不同，这就造成了金矿化的　多期多阶段性。　５矿床成因与成矿预测　５．１成矿物质来源　小草湖金矿形成于浅成中一低温环境。为岩浆　小草湖金矿为石英脉型金矿，通过综合研究，初　作用晚期的产物，后期深大断裂构造运动引起上地　壳热液活动加剧，在断裂带内，随着变形及变质作用　而诱发大量的热液以及发生强烈的物理、化学分异。　断裂带内形成一个巨大的物理化学反应带。含金成　矿热液也可在断裂破碎带汇聚贮存，进而侵出岩石　裂隙中　’　ｏ　５．２成矿时代　步确定该区找矿预测要素，以期指导该区金矿找矿　工作。　参考文献：　［１］殷先明．甘肃岩金矿床地质［Ｍ］．兰州：甘肃科学技术　出版社，２０００．　［２］　聂凤军．北山地区金属矿床成矿规律及找矿方向　［Ｍ］．北京：地质出版社，２００２．　［３］　王玉玺．甘肃北山地区拾金坡式岩浆热液型金矿成矿　模式建立［Ｊ］．甘肃地质，２０１２，２２（５）：１０６—１０８．　［４］　殷先明．甘肃省北山地区中生代构造花岗岩侵入及成　矿作用［Ｊ］．甘肃地质，２００８，１８（２）：１１１—１１３．　［５］　陈柏林．北山地区金矿床金的赋存状态和金矿物特征　［Ｊ］．矿物学报，２０００，２１（３）：６４—６６．　［６］潘小菲，刘伟．北山金窝子金矿床流体包裹体特征及　成矿流体演化［Ｊ］．岩石学报，２００６，１８（４）：９７—１００．　［７］陈柏林．甘一新北山金窝子金矿田构造控矿解析［Ｊ］．　地球学报，２００３，１９（６）：２１１—２１３．　成矿期：可分为热液期和表生氧化期，由于矿石　中金属矿物少，氧化期金的次生富集作用不明显，热　液期也仅能划出一个阶段。黄铁矿的结晶时间贯穿　成矿过程始终，方铅矿、闪锌矿结晶较早，黄铜矿较　晚。脉体两侧的围岩蚀变较弱，主要为硅化（细脉　浸染）和黄铁矿，亦见绿泥石化。在花岗岩体和中　上志留统公婆泉群安山质凝灰岩之间接触带上，见　黄铁绢英岩化。脉体既产于年龄为３５６Ｍａ的花岗　闪长岩中，产于不整合覆盖在岩体之上的早二叠系　地层中，矿化时间肯定在二叠纪之后，经测定含金石　（上接第３４页）　［４］　许超，陈治纲，邵惠鹤．预测控制技术及应用发展综述　［６］刘福才，王哲，温淑焕．广义预测控制快速算法研究及　［Ｊ］．化工自动化及仪表，２００２，１７（３）：１—１０．　［５］　席裕庚，李德伟．预测控制定性综合理论的基本思路　和研究现状［Ｊ］．自动化学报，２００８，３４（１Ｏ）：１２２５—　１２３４．　其应用［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００９，２０（８）：１０９—　１１２，１４０．　［７］　曾文华．原油加热炉支路平衡多变量预测控制［Ｊ］．控　制系统，２０００，１２（５）：３５—３７．