延迟焦化装置先进控制方法研究与应用

论文摘要

延迟焦化是一种加工重油,特别是劣质减压渣油的炼油工艺。随着原油资源的匮乏和原油品质的重质化、劣质化,延迟焦化在原油深度加工中地位日益突出。延迟焦化是最难控制的炼油装置之一,其特点是半连续操作、干扰多、温度高、易结焦。我国延迟焦化加工能力居世界第二位,但自动控制水平却相对落后于其它炼油装置。本文针对延迟焦化装置的关键设备—延迟焦化加热炉(简称焦化炉),综合应用化工原理、控制理论、人工智能和计算机技术等多学科的理论和技术,从生产过程的内在机理出发,对焦化炉的先进控制、异常工况的诊断与补偿和炉管结焦厚度的在线估计及相关内容进行了研究。主要工作及研究结果如下:1.针对焦化炉干扰多,具有时变和非线性特性,控制要求高等特点,在建立焦化炉的机理动态模型基础上,对焦化炉出口温度控制提出了一种自适应状态反馈预测控制方法。通过将炉膛温度和经温度压力补偿后的燃料气流量作为状态变量,采用实测状态反馈,克服了常规加热炉出口温度串级控制方法中不能同时克服进入流量副回路和炉膛温度副回路的干扰的缺点。针对负荷经常变化和炉管结焦导致的非线性和时变特性,提出了在线进行模型自适应的方法,增强了焦化炉抗干扰和对各种工况的适应能力。HYSYS仿真和某120万吨/年焦化炉的应用结果表明,控制效果明显提高。2.针对焦化炉炉管注汽量突增后引起炉出口温度大的反向响应并大幅超温,进行了汽量突增诱发大幅超温过程的机理分析,提出了基于专家规则和多传感器数据融合的方法,准确地判断出注汽量突增影响,并提出了基于模型的热平衡补偿和专家智能相结合的异常工况专家控制方法,可以在注汽量突增时及时给出合适的超前补偿。现场运行表明,所提方法抑制了焦化炉出口温度的大幅超温,为焦化装置的安全和长周期运行奠定了基础。3.焦化炉炉管结焦是影响装置开工周期的主要原因之一,并导致燃料和动力消耗增加,处理量下降。为了监视焦化炉运转特性,提出了一种焦化炉辐射室内炉管结焦厚度的在线估计方法。根据炉管管壁温度测点的分布,对炉管进行分段集结法建模。利用传热、反应等模型和实测的过程变量,计算不同炉管段的总传热阻力和焦炭层传热阻力,从而确定不同炉管段的结焦厚度。对历史工业数据的计算结果表明,所提方法可有效的估计结焦变化的趋势。所提结焦计算方法可以为现场生产操作提供指导,提高装置运行的安全性和经济性。4.针对多支路通用管式加热炉出口温度不均衡,提出了基于稳态能量平衡的支路平衡控制方法,并进行了稳定性分析。支路平衡控制采用长控制周期的稳态控制和区域控制,以避免频繁调整引起系统内各回路之间的动态耦合。对以燃料气为主要燃料的多种燃料混烧加热炉,提出了一种燃料气理想阀位区间控制,以节省高价格的燃料油,并保证燃料气有一定的调节能力。上述方法与出口温度自适应状态反馈预测控制相结合,形成了加热炉出口温度的一种综合控制方法。在某500万吨/年常压炉上的长期应用表明,所提方法控制效果良好。针对三种燃料混烧的分子筛装置热油炉,改进了基于燃料流量热平衡的出口温度控制方法并成功应用。5.针对网络控制系统中网络数据传输普遍存在随机时延等问题,在采用预测控制时,提出了对反馈通道和前向通道分别进行补偿的策略。对反馈通道,通过对采样数据附加时间戳,选择和利用控制器当前时刻所能得到的最新输出测量值,修改预测控制中的反馈修正算法,可补偿测量数据的随机时延、数据丢失和数据时序错乱对控制性能的影响。对前向通道网络时延,通过在执行器端加入接收缓冲区,将前向通道的传输时延变为固定时延,并将此固定时延加入预测模型之中。对补偿器结构的分析和仿真结果表明,所提出的策略可有效的补偿网络传输时延等问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 预测控制及自适应预测控制
• 1.2.1 预测控制的历史发展
• 1.2.2 预测控制的工业应用现状
• 1.2.3 自适应预测控制
• 1.3 焦化炉相关研究与应用现状
• 1.3.1 延迟焦化装置简介
• 1.3.2 焦化炉的模型化
• 1.3.3 焦化炉的控制
• 1.4 焦化炉结焦状态观测相关研究与应用现状
• 1.4.1 焦化炉炉管结焦机理
• 1.4.2 焦化炉炉管结焦模型
• 1.4.3 结焦状态观测的方法
• 1.5 通用加热炉相关研究与应用现状
• 1.6 论文研究内容与论文结构
• 第二章 焦化炉出口温度自适应状态反馈预测控制
• 2.1 引言
• 2.2 焦化炉过程描述与原控制系统分析
• 2.2.1 焦化炉过程描述
• 2.2.2 焦化炉原控制系统分析
• 2.3 焦化炉控制器的设计
• 2.4 焦化炉简化机理模型
• 2.4.1 焦化炉机理模型
• 2.4.2 焦化炉简化机理模型
• 2.5 状态反馈预测控制
• 2.6 在线模型自适应
• 2.7 控制方案的HYSYS仿真
• 2.7.1 HYSYS中的通用动态加热炉仿真模型
• 2.7.2 仿真系统的总体结构
• 2.7.3 控制方案的仿真
• 2.8 现场实施
• 2.8.1 硬件平台
• 2.8.2 APC与原PID控制系统之间的无扰动切换
• 2.8.3 实施效果
• 2.9 小结
• 第三章 焦化炉注汽量突增扰动及其控制
• 3.1 引言
• 3.2 注汽量突增引起温度失控的原因分析
• 3.3 基于专家规则的注汽量突增判断
• 3.4 基于热平衡的补偿与智能控制方法
• 3.4.1 基于热平衡的补偿方法
• 3.4.2 出口温度的智能控制方法
• 3.5 应用结果
• 3.6 小结
• 第四章 焦化炉炉管内壁结焦的在线估计
• 4.1 引言
• 4.2 炉管内壁结焦厚度在线估计的考虑
• 4.2.1 工业焦化炉炉管结焦特点及原因
• 4.2.2 焦化炉炉管内壁结焦在线估计的考虑
• 4.3 炉管内壁结焦厚度的在线估计
• 4.3.1 在线估计原理
• 4.3.2 炉管分段传热速率
• 4.4 结焦厚度估计方法的历史工业数据验证
• 4.4.1 标定工况
• 4.4.2 历史数据验证
• 4.5 小结
• 第五章 其它加热过程上的优化控制方法研究与应用
• 5.1 引言
• 5.2 多支路多燃料管式加热炉出口温度控制方案
• 5.3 多燃料管式加热炉出口温度自适应状态空间预测控制
• 5.4 基于稳态能量平衡的支路平衡控制方案及稳定性分析
• 5.4.1 基于稳态能量平衡的支路平衡控制方案
• 5.4.2 控制器实施的考虑
• 5.4.3 支路平衡控制稳定的充分条件
• 5.4.4 支路平衡控制算法的分析
• 5.5 多燃料混烧管式加热炉燃料费用优化控制
• 5.6 常压加热炉上的应用
• 5.6.1 工艺流程简介
• 5.6.2 常压炉控制方案
• 5.6.3 仿真研究
• 5.6.4 实际应用
• 5.7 改进的燃料流量热平衡控制及其在热油炉上的应用
• 5.7.1 工艺流程和控制分析
• 5.7.2 控制方案
• 5.7.3 方案应用中的问题
• 5.7.4 系统实现和控制效果
• 5.8 小结
• 第六章 网络环境下基于预测控制的闭环控制方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 相关研究综述
• 6.3 网络时延与数据丢失的描述与分析
• 6.3.1 网络时延
• 6.3.2 网络时延的估计
• 6.3.3 时间驱动和事件驱动
• 6.3.4 网络时延对系统的影响分析
• 6.3.5 数据包丢失
• 6.4 问题描述
• 6.5 动态矩阵控制
• 6.6 改进的DMC算法
• 6.6.1 反馈修正
• 6.6.2 对前向通道时延的补偿
• 6.6.3 补偿器的结构
• 6.7 仿真研究
• 6.7.1 反馈通道补偿策略的仿真
• 6.7.2 前向通道补偿策略的仿真
• 6.8 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文内容总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学 博士研究生学位论文答辩委员会决议书