基于DCS丙烯腈反應器三層控制技術研究

姜 珮 姜金鎖 李照杰 沈洪洋 劉建軍

（1. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2. 蘭州石化公司自動化院，甘肅 蘭州 730060；3. 中石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060 ；4. 山東東宏管業股份有限公司，山東 濟寧 273100）

0 引言

先進控制技術是提高裝置操作水平和經濟效益行之有效的方法，在先進控制層次之上的在線優化技術是煉化裝置過程控制的發展方向，優化控制已由單裝置走向多裝置優化，并逐步發展到全廠的優化生產。先進控制的目標是穩定生產、降低消耗、提高產品質量，進而產生更好的經濟效益。

國內的丙烯腈工藝裝置以引進為主，對反應器操作條件進行優化，是提高裝置經濟效益的最直接、最有效、最科學的途徑。

1 丙烯腈裝置工藝概述

丙烯腈裝置采用丙烯、氨、空氣為原料，在硫化床反應器中通過催化劑制得丙烯腈，裝置分合成、分離、后處理和乙腈四個工序。丙烯、氨、空氣按1：1.05～1.25：9.5～10.5的比例通過催化劑的作用，在溫度435～450℃，壓力0.055～0.08MPa條件下進行反應，主產物為丙烯腈，副產物為乙腈、氫氰酸等。

主反應：CH2=CH-CH3+NH3+3/2O2→CH2=CH2+3H2O+519KJ/mol

副反應: CH2=CH-CH3+3/2NH3+3/2O2→3/2CH3-CN+3H2O+552KJ/mol

2 三層控制技術

在丙烯腈裝置DCS系統之上實施三層控制技術，第一層控制周期是秒級，第二層控制周期是分鐘級，第三層控制周期是小時級，其結構如圖1所示。

圖1 DCS上的三層控制

2.1 三層控制之間的區別

第一層是基礎控制。執行諸如PID算法等常規控制，包括單回路、串級、比值、前饋和均勻等控制，通過PID自動整定軟件調整其控制參數，充分發揮其自動控制作用。

第二層是先進控制（GPC）。通過改變一組常規調節控制回路的設定值來發揮其控制作用，其目的是協調過程變量交互作用，使生產過程操作更接近于過程約束，進行卡邊控制。

第三層是優化控制（OPT）。綜合分析影響整個裝置效益的各種因素，把整個工藝過程的經濟效益與裝置操作直接連接起來，確定過程整體的最佳工藝操作條件，然后由先進控制來確保實現，使裝置處于整體最佳運行狀態。

2.2 三層控制之間的聯系

GPC與OPT是在裝置DCS常規控制基礎之上的控制系統，GPC保證過程參數控制的穩定，并達到比常規控制精度要高的技術指標，穩定生產、提高產品質量；而OPT往往是通過動態調整裝置調節回路的設定值，實現裝置在最優狀態下運行。GPC控制是OPT的前提，OPT則通過將優化結果設定為GPC的目標值來實現。

3 PID自動整定技術

常規控制的關鍵技術是PID參數整定技術，主要克服非線性、參數時變性和不確定性和外界干擾等問題，特別是當控制對象參數發生變化時，PID參數必須整定適宜，才能實現精確穩定的控制。

PID參數自動整定技術采用相關系數法，通過相關系數法辨識出系統模型，然后在模型的基礎上進行PID尋優，獲取最佳PID參數。其工作原理可分為兩步：模型辨識和PID自動整定。

3.1 模型辨識

對回路實時運行數據進行有效性檢驗和必要的處理，得到N 組控制量u（t）和系統輸出y（t）；然后用控制量序列{u（t）}激勵數學模型，得到模型輸出ym（t），計算系統輸出與模型輸出之間的子樣相關系數γ[2]：

其中，

子樣相關系數越大，系統輸出與模型輸出曲線擬合效果越好；先選定模型結構，再采用坐標輪換法獲取對應最大子樣相關系數的模型參數，作為系統的數學模型。

3.2 PID自動整定原理

采用極小化二次型目標函數優化整定PID 參數，公式如下:

其中，α 為加權系數，0 ≤α ＜1，缺省值為0.1；

e（k）=R（k）-Z（k），R（k)為參考軌跡， Z（k）為模型響應；

M為評價域。

3.3 PID自動整定在丙烯腈裝置上的應用

利用自動整定軟件對丙烯腈裝置丙烯進料、丙烯進料溫度、丙烯蒸發器液位和丙烯過熱器壓力等回路進行控制參數辯識，有效的抑制了控制參數的波動，各回路運行平穩，取得了較好的效果。圖2為丙烯進料溫度整定前后效果對比示例。

圖2 丙烯進料溫度整定前后效果對比

4 GPC控制技術

4.1 GPC控制原理

廣義預測控制（GPC，Generalized Predictive Control）采用下列具有隨機階躍擾動非平穩噪聲的離散插分方程，即 CARIMA模型：

其中：

yt為t時刻的系統輸出；

ut為t時刻的控制量；

d是系統最小純時延步數；

q-1為向后一步平移因子。

4.2 丙烯腈裝置反應溫度GPC控制

針對現場實際情況設計出了反應器溫度和進料量的先進控制方案。反應溫度的主要控制手段是撤熱水，微調可以通過丙烯進料量實現。GPC的被控制變量為反應溫度，GPC的控制量為丙烯進料量的調整值，這個調整值與丙烯進料量的設定值相加作為實際的丙烯進料PID回路設定值，通過微量的丙烯流量變化達到調整反應溫度的效果。同時，當微調丙烯量不能滿足溫度調整要求時，控制器會通過人機界面給出調整撤熱水的操作指導，由操作人員根據操作指導完成現場操作，來進行大幅度的溫度調整。通過實際的丙烯進料、氨烯比和空烯比計算氨和空氣進料PID回路的設定值，調整氨和空氣的進料量。而整個控制系統的輸入參數反應器溫度設定、氨烯比設定和空烯比等的設定由優化系統的操作指導給出，GPC先進控制主結構如圖3所示。

圖3 GPC先進控制主結構圖

通過GPC控制使得反應溫度既能及時響應設定值的變化，同時也沒有產生超調現象，在反應溫度穩定后，可以將溫度控制在設定值較小的波動范圍內，控制能力明顯，效果良好，達到了預測控制的目標。圖4為GPC實施前后反應溫度運行記錄對比示例，黃色為GPC控制的溫度曲線，藍色為原DCS控制的溫度曲線。

圖4 GPC實施前后反應溫度運行記錄對比

5 操作優化技術

5.1 操作優化原理

一個基本的穩態優化問題可描述為：

其中，Uv∈Rp，Yv＜Rl，Qv與Uv，Yv的關系是已知的，Uv， Yv，Qv分別為操作因素U ，系統輸出向量Y，目標函數Q的穩態值，優化的目標即是尋找一組符合約束的操作條件，使目標函數最大。這里假設等式約束可通過解方程消去，不等式約束可以通過在目標函數引入罰函數而不顯式出現。

考慮到過程的動態特性且Y與U的關系往往是非線性的， 將其關系寫為：

在此只研究靜態部分，即：

利用最速下降法來尋找下一個工作點：

δ為尋優步長；

圖5 操作優化結構

5.2 丙烯腈裝置反應器操作優化

通過工藝分析，選定反應溫度、空塔線速、氨烯比、空烯比和反應器負荷作為自變量，采用多元逐步回歸分析方法建立丙烯腈產量的模型f（x），再基于模型用最速上升法計算反應器優化操作參數。

在優化計算中，除了反應器操作條件本身的工藝約束外，還需考慮反應器出口氣體中尾氧含量的約束以及丙烯醛生成量的約束,分別通過數學模型 g（x）和h（x）計算獲得。

各數學模型如下：

式中x1為反應溫度、x2為空塔線速、x3為氨烯比、x4為空烯比、x15為丙烯腈反應器負荷。而別的變量結合裝置情況，通過分析研究分別定義為：

6 結語

基于DCS的丙烯腈反應器三層控制系統投運后，在一定的反應負荷下，通過在線優化動態修正反應器操作參數相關設定值，改良了反應器的操作性能，增加了丙烯腈產量，提高了丙烯腈的收率，應用效果良好。