CN1216131C - 一种重油减粘反应的先进控制方法 - Google Patents

Abstract

一种重油减粘反应的先进控制方法，其特征在于，实时在线分析重油减粘反应器中油料的粘度；对重油减粘反应实施模型预测控制，即：根据重油减粘反应器出口产品油的油品牌号，闭环自动调节重油减粘反应器的操作变量，实现对重油减粘反应器出口产品油粘度的控制，并且实现至少两种牌号油品生产的自动相互切换。从而实现了重油减粘的闭环自动控制，提高了产率，优化了反应器的运行状态，收到了节能降耗、协调优化的良好效果，创造了经济效益。

Description

一种重油减粘反应的先进控制方法

技术领域

本发明涉及石油化工之重油生产技术领域，具体的讲是一种重油减粘反应的先进控制方法。

背景技术

减粘装置是采用各种不同种类原油的减压渣油经轻度热裂化反应、与焦化蜡油及催化柴油混合以生产180#和250#燃料油。减粘装置的主要目的是保证减粘产品满足粘度等质量要求。

目前，通过调节减粘反应温度和催化柴油混入量(减压蜡油流量不可调)以控制产品的粘度。其中，在生产180#油时，需同时调节反应温度和催化柴油混入量；而在生产250#油时，只需调节反应温度即可。

在现有技术的180#和250#燃料油的生产过程中，所用的重油减粘的控制方法为：根据化验分析得到的产品粘度等质量指标，操作员通过调节反应温度和(或)柴油掺入量，用以控制产品粘度。

实际上以往的重油减粘的控制方法及装置存在着很多弊端：(一)其只是一种开环调节的方法及装置。其对粘度的控制停留在操作经验上，这便不可避免地带来了较大的人为误差，必然会导致控制品质不高。所以这种基于人为经验和操作的控制方法以及实现该方法的装置不是真正意义上的闭环控制方法及装置。(二)在生产不同油品牌号的产品油时需要进行生产切换，而现有技术中的重油减粘的控制方法及装置在切换时需要较多的人工干预，且产品质量波动较大，切换调节时间较长。(三)目前采用的通过调节柴油流量来控制产品粘度的方法导致产品粘度高于一般要求，因而消耗了较多的价值相对较高的柴油，达不到节能降耗、协调优化的目的。

发明内容

本发明提供了一种重油减粘反应的先进控制方法，使重油减粘的控制成为闭环的自动控制，取替人为经验的操作，提高产品品质；在生产不同油品牌号的产品油的生产切换过程中，通过闭环的自动控制降低产品质量的波动，缩短切换调节时间，在提高产品品质的同时，还能达到节能降耗、协调优化的目的。

本发明的技术方案为：一种重油减粘反应的先进控制方法，其特征在于，实时在线分析重油减粘反应器中的油料粘度；对重油减粘反应实施模型预测控制，即：根据重油减粘反应器出口产品油的油品牌号，闭环自动调节重油减粘反应器的操作变量，实现对重油减粘反应器出口产品油粘度的控制，并且实现至少两种牌号油品生产的自动相互切换。

所述的实时在线分析重油减粘反应器中的油料粘度是指：实时采集重油减粘反应器入口渣油粘度、出口减粘渣油粘度、出口产品油粘度，并对其进行实时在线粘度分析。

所述的根据重油减粘反应器出口产品油的油品牌号，闭环自动调节重油减粘反应器的操作变量，实现对重油减粘反应器出口产品油粘度的控制是指：重油减粘反应器出口产品油可为180号燃料油或250号燃料油，

当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制；

当产品油为250号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用单入单出(SISO)模型预测控制；

所述的实现至少两种牌号油品生产的自动相互切换是指：从生产1 80号燃料油切换为生产250号燃料油，或从生产250号燃料油切换为生产180号燃料油。

所述的一种重油减粘反应的先进控制方法，其步骤包括：

实时采集重油减粘反应器入口渣油粘度、出口减粘渣油粘度、出口产品油粘度，并对其进行实时在线粘度分析；

重油减粘反应器出口产品油可为180号燃料油或250号燃料油，

当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制；

当产品油为250号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用单入单出(SISO)模型预测控制；

可实现从生产180号燃料油自动切换为生产250号燃料油，或从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油。

所述的当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制是指：

设定平稳区，当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之外时，即：出口粘度大于设定值上限或小于设定值下限，利用相应的比例控制调节柴油调和量(F2)；当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之内时，采用模型预测控制。

所述的当产品油为250号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用单入单出(SISO)模型预测控制是指：对250号燃料油进行减粘控制时，只需对减粘反应器入口温度(TI)进行闭环自动调节。

所述的可实现从生产180号燃料油自动切换为生产250号燃料油是指：从生产180号燃料油转为生产250号燃料油可采用直接切换。

所述的从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油是指：从生产250号燃料油转为生产180号燃料油，可在保持TI不变的条件下，一步F2增加，即：增加量取180号油正常生产时F2的平均，使得系统在短时间内即进入平稳区，待其进入平稳区之后，取消TI保持不变，按180号油的一般控制实施控制。

所述的区域控制是指基于机理模型的产品粘度多变量预测控制；其以产品粘度作为主要被控变量，且为保证分馏塔的物料平衡，对塔底液位保留现有的常规控制，即利用塔底产品流出量控制塔底液位，以反应温度和柴油掺入量作为主要操作变量，通过调节加热炉出口温度和柴油掺入量控制产品粘度；在控制时应尽量改变反应温度，而柴油掺入量处于次要操纵变量，且尽可能少；

在建立的机理模型中纳入可测干扰，如装置处理量、蜡油掺入量、原料粘度、原料密度、原料残炭、柴油粘度和蜡油粘度的影响，可以利用前馈-反馈控制减少它们对整个过程控制的扰动。

所述的模型预测控制是指：基于机理模型的多变量预测协调控制，其可根据反应器和分馏塔的物料平衡和能量平衡建立能够反映生产过程的动态数学模型，实施模型预测和具有状态反馈的多变量单值预测控制，根据预测的被控变量的偏差和超限情况进行控制。

所述的从生产180号燃料油转为生产250号燃料油可采用直接切换的步骤为：

在m个控制周期内，分m步过渡到250号的生产，

取上一次平稳生产250号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP；

将SP与本次切换前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量；

将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为的SP输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入250号油的生产方案中。

所述的从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油的步骤包括：

在m个控制周期内，分m步过渡到180号的生产，

取上一次平稳生产180号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP；

将SP与本次切换前的SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量；

将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为的SP输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入180号油的生产方案中。

所述的基于机理模型的产品粘度多变量预测控制需满足下列条件：

180号油的输出条件为： $\mathrm{MU}180\left(k\right)=C_{180}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{180}\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ F2(k-\mathrm{tao}5)\\ F3(k-\mathrm{tao}6)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

被控对象180号油的建模条件为：

$\left\{\begin{array}{c}T0(k+1)=A_{180}*T0(k-\mathrm{tao}3+1)+B_{180}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+\mathrm{tao}3)+V_{180}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+\mathrm{tao}3)\\ F2(k-\mathrm{tao}5+\mathrm{tao}3)\\ F3(k-\mathrm{tao}6+\mathrm{tao}3)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+\mathrm{tao}3)\end{array}\right]\\ \mathrm{MU}180\left(k\right)=C_{180}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{180}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ F2(k-\mathrm{tao}5)\\ F3(k-\mathrm{tao}6)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]\end{array}\right.$

被控对象180号油的控制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*V(k-6)\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*V(k-7)+F3*V\left(k\right)\end{array}\right.$

所述的基于机理模型的多变量预测协调控制需满足下列条件：

被控对象250号油的输出条件为：

$\mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

被控对象180号油的建模条件为：

$\left\{\begin{array}{c}T0(k+1)=A_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3+1)+B_{250}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+1)+V_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+1)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+1)\end{array}\right]\\ \mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]\end{array}\right.$

被控对象250号油的控制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*\left[\begin{array}{c}F1(k-6)\\ \mathrm{MU}1(k+1)\end{array}\right]\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*\left[\begin{array}{c}F1(k-7)\\ \mathrm{MU}1\left(K\right)\end{array}\right]\end{array}\right.$

本发明的有益效果为：实现了反应器产品粘度的多变量预测控制，减少产品粘度的波动，波动值不超过控制值的5％，保证产品粘度平稳合格。保证其它被控变量、操作变量不超出其给定上、下限，保证整个装置安全平稳运行。降低了调和柴油的掺入量，降低幅度不少于1％，提高了经济效益。实现了180#和250#两种方案方便切换，缩短了产品切换时间。

可见，与现有技术相比，本发明反应器操作平稳，改变了过去开环调节产品质量波动大，入口温度调节频繁，调节幅度大的状况；而且柴油调和量明显减少，产品质量卡边；特别是产品油生产切换实现了自动控制，调节时间明显减少。从而实现了重油减粘的闭环自动控制，提高了产率，优化了反应器的运行状态，收到了节能降耗、协调优化的良好效果，创造了经济效益。

附图说明

图1为现有技术的重油减粘控制装置的示意图；

图2为区域控制曲线及流程；

图3为本发明功能框图。

具体实施方式

参照图1，可根据在线粘度分析仪对进口渣油、反应器出口减粘渣油及出装置的减粘产品粘度的实时分析，采用模型预测控制技术，对减粘装置实施先进控制：对反应器出口减粘渣油的粘度实现区域控制、对减粘产品粘度实现给定点控制，在闭环控制减粘反应温度及柴油渗入量以达到控制目标的同时，实现180#油品与250#油品两种控制方案的安全方便的自动相互切换，取代人工手动调节手段的同时，缩短切换时间，并尽可能地降低催化柴油的掺入量，达到提高经济效益的目的。

控制分两部分：180#油品控制与250#油品控制，其具体实施如下：

(一)粘度控制策略：

对180号燃料油如表1所示：

表1：

被控变量	操作变量	干扰变量
			装置出口油品粘度	减粘反应器入口温度柴油调和流量	入口乙炔浓度入口乙烯浓度入口氢气浓度入口原料进料量入口粗氢气进料量入口纯氢进料量

综合先进控制优势与最优化策略，在保证平稳控制的同时，使得柴油调和量尽可能的小，达到控制的目的。

对当粘度控制采用区域控制的方法，设定一定的控制区域，即如图的“平稳区”，并对柴油调和量的实施逻辑控制(如图2所示)：

1.当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之外时(出口粘度大于设定值上限或小于设定值下限)，利用相应的比例控制调节柴油调和量。调节公式如图2所示。

2.当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之内时，采用采用模型预测控制技术。

其中，SP是MU180设定值，SP_HI、SP_LO为设定值的高低限

ΔF2为柴油控制量，控制中，把其作为干扰

K为比例控制系数

ΔFd为平稳区域(图示中高低限之间)内的F2优化控制

α为平稳区域的半宽

2.对250号燃料油，因其无调和，只有一个操纵变量TI，按SISO预测控制策略即可。

3.粘度控制生产方案的平稳切换：

(1)从生产180号燃料油转为生产250号燃料油：直接切换。

(2)从生产250号燃料油转为生产180号燃料油：

在保持TI不变的条件下，一步F2增加(增加量取180号油正常生产时F2的平均)，使得系统在短时间内即进入平稳区，待其进入平稳区之后，取消TI保持不变，按180号油的一般控制方案实施控制。

(二)基于机理模型的粘度多变量预测控制器

(1)基于机理模型的多变量预测协调控制器

减粘装置中与产品粘度密切相关的主要有反应器和分馏塔。根据反应器和分馏塔的物料平衡和能量平衡建立能够反映生产过程的动态数学模型，采用预测控制器UPCC策略，实施模型预测和具有状态反馈的多变量单值预测控制技术，根据预测的被控变量的偏差和超限情况进行控制，具有较强的鲁棒性。

(2)产品粘度多变量预测控制器

以产品粘度作为主要被控变量，同时为保证分馏塔的物料平衡，对塔底液位保留现有的常规控制，即利用塔底产品流出量控制塔底液位。

以反应温度和柴油掺入量作为主要操作变量，通过调节加热炉出口温度和柴油掺入量控制产品粘度。为了提高装置的经济效益，在保证产品质量的前提下，首先尽量改变反应温度、而柴油掺入量处于次要操纵变量，且尽可能少。

在建立的机理模型中纳入可测干扰，如装置处理量、蜡油掺入量、原料粘度、原料密度、原料残炭、柴油粘度和蜡油粘度的影响，可以利用前馈-反馈控制减少它们对整个过程控制的扰动。

(三)减粘动态机理数学模型

1.过程动态模型的推导：

(1)系统滞后、离散时间及预测时域的考虑：

根据实测数据和工艺参数确定滞后时间、动态数学模型离散时间和控制预测时预。

反应器内时滞：20-60分钟

反应器至调和后时滞：3-15分钟(如表2)

表2

数据	MU1	TI	T0	F1	F2	F3	反应器出口粘度	最终产品粘度
									纯滞后(分钟)	0-10	20-60	3-15	20-60	0-6	0-6	3-15	0-2

减粘反应是一个反应比较迟缓的过程，滞后时间较大，需要合理选择离散时间，离散时间过小，将增大数据处理量和计算量，增加DCS系统负荷，离散时间过大，将不足以反映真实的系统过程状态。这里，确定离散时间为3-15分钟，那么如表3所示；

表3：

数据	MU1	TI	T0	F1	F2	F3	反应器出口粘度	最终产品粘度
									纯滞后(步长)	tao1	tao2	tao3	tao4	tao5	tao6	tao7	tao8

预测步长取为P＝5-15步。表中：

MU1    为原料粘度(100℃(mm²/_s))；

TI    为反应器入口温度(℃)；

T0    为反应器出口温度(℃)；

F1    为原料进口流量(t/h)；

F2    为调和柴油流量(t/h)；

F3    为调和蜡油流量(t/h)；

tao    为工艺滞后时间(步/分钟)；

反应器出口产品粘度：对250号燃料油而言，因无调和，故此项与最终产品粘度一致；

最终产品粘度：MU250(250号燃料油产品粘度)、MU180(180号燃料油调和后的产品粘度)(100℃(mm²/_s))。

(2)输出方程的推导：

由于减粘系统进料组成多变、减粘反应高度复杂，目前国内外化学化工届对其尚无定量机理研究，减粘系统产品粘度的准确关系式不得而知，但是，我们在考虑到反应器自身传导时滞、反应器至调和段时滞的情况下，根据将现场采集的一系列与产品粘度有关的历史数据进行拟合得出产品粘度的近似计算表达式如下：

1. 250号燃料油产品粘度

$\mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

2. 180号燃料油产品粘度：

$\mathrm{MU}180\left(k\right)=C_{180}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{180}\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ F2(k-\mathrm{tao}5)\\ F3(k-\mathrm{tao}6)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

其中：

T0  反应器出口温度(℃)；

F1  原料进料量(t/h)；

F2  调和柴油进料量(t/h)；

F3  调和蜡油进料量(t/h)；

MU1 原料粘度(100℃，运动)；

k   离散步(每步7分钟)；

tao为工艺滞后时间(步/分钟)；

C₂₅₀、C₁₈₀、D₂₅₀、D₁₈₀为相应系数阵。

注：式中粘度均已转化为100℃时的运动粘度(mm²/_s)，

(3)状态方程的推导

产品粘度控制中采纳了基于模型基础上的预测控制原理，所以首先要确定反应器模型，预测控制对模型的要求并不是很高，这是预测控制最大的优点之一。

1. 250号燃料油产品粘度控制

(1)模型推导

对反应器R01，根据能量平衡，有：

$C_{p}W\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=F_1[C_p(\mathrm{TI}-T0)-\mathrm{\ΔH}]-q$

其中，C_p为反应器内渣油的平均比热；

W为反应器存量；

F₁为反应进料量；

TI，T0分别为反应器入口及反应温度(≈出口温度)；

q为热损失，可忽略；

ΔH为反应热(≈0)，故取＝C_P*(MU1-MUQ)，MU1，MUQ分别是原料渣油及反应器出口渣油粘度。

稳态关系：在某一稳态点，ΔH＝Cp*(MU1-MUQ)，线性化上式，并考虑到时间延迟，离散化处理有

$T0\left(k\right)=A_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3)+B_{250}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2)+V_{250}\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

2. 180号燃料油产品粘度控制

(1)模型推导

同样，对反应器R01，根据能量平衡，有：

$C_{p}W\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=F_1[C_p(\mathrm{TI}-T0)-\mathrm{\ΔH}]-q$

线性化上式：其中：

C_p为反应器内渣油的平均比热；

W为反应器存量；

F₁为反应进料量；

TI，T0分别为反应器入口及反应温度(＝出口温度)；

q为热损失，可忽略；

ΔH 为反应热(≈0)，故取＝C_P*(MU1-MU180Q)，MU1，MU180Q分别是原料渣油及反应器出口渣油粘度。

ΔH 稳态关系：在某一稳态点，ΔH＝Cp*(MU1-MU180Q)，

考虑到时间延迟，并经过离散化处理得状态方程：

$T0(k+1)=A_{180}*T0\left(k\right)+B_{180}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+\mathrm{tao}3)+V_{180}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+\mathrm{tao}3)\\ F2(k-\mathrm{tao}5+\mathrm{tao}3)\\ F3(k-\mathrm{tao}6+\mathrm{tao}3)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+\mathrm{tao}3)\end{array}\right]$

(4)离散后动态数学模型：

联立输出方程及状态方程即得出减粘反应器的动态数学模型：

1.被控对象250#燃料油数学模型表示为：

$\left\{\begin{array}{c}T0(k+1)=A_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3+1)+B_{250}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+1)+V_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+1)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+1)\end{array}\right]\\ \mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*T0(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]\end{array}\right.$

2.被控对象180#燃料油数学模型表示为：

(四)粘度多变量预测区域控制器控制律

假定纯滞后如下：(参见表4)

表4

数据	MU1	F1	TI	T0	F2	F3	反应器出口粘度	最终产品粘度
									纯滞后(步长)	0	7	7	1	0	0	1	0

1. 250#油

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*\left[\begin{array}{c}F1(k-6)\\ \mathrm{MU}1(k+1)\end{array}\right]\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*\left[\begin{array}{c}F1(k-7)\\ \mathrm{MU}1\left(k\right)\end{array}\right]\end{array}\right.$

其中：

X(k)＝T0(k)          U(k)＝TI(k)   $V\left(k\right)=\left(\begin{array}{c}F1\left(k\right)\\ \mathrm{MU}1\left(k\right)\end{array}\right)$

Y(k)＝MU250(k)

X：控制模型状态变量，即反应器反应温度，在此例中为一个1×1向量；

U：控制模型操纵变量，即反应器入口温度，1×1向量；

V：控制模型干扰变量，即反应器进料流量、进料粘度。2×1向量；

Y：控制模型被控变量(模型输出变量)，即减粘系统出口产品粘度，1×1向量；

A，B，C，F1，F2：模型系数阵；

预测输出进行反馈修正，并采用单值预测控制算法，得到增量形式的最优控制律：

Δu(k)＝S^-1{YS-Y-KX-SU-SF1-SF2}

其中：

$S^{-1}=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}B$

YS＝Y^S(k+P)

Y＝Y(k)

KX＝CA^P-1[X(k)-X(k-P)]

$\mathrm{SU}=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}C{A}^{i-1}B[u(k-1)-u(k-P)]+\underset{i=p-6}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}B[u(k+P-i-7)-u(k-i-7)]$

$\mathrm{SF}1=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i=1}{F}_1\left(1\right)[F1(k-1)-F1(k-P)]+\underset{i=p-6}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}{F}_1\left(1\right)[F1(k+P-i-7)-F1(k-i-7)]$

$-\underset{i=l}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-l}{F}_1\left(2\right)[\mathrm{MU}1(k-1)-\mathrm{MU}1(k-P)]$

SF2＝F2(1)*[F1(k-1)-F1(k-7)]

其中：

Δu：操纵变量控制增量；

Ys：输出变量(被控变量)设定值；

Y：输出变量(被控变量)测量值；

S^-1：预测时域阶跃响应阵；

p：预测时域；

F₁(1)：矩阵F1第一列元素；

F₁(2)：矩阵F1第二列元素；

F₂(1)：矩阵F2第一列元素。

2. 180#油

模型规范化得到：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*V(k-6)\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*V(k-7)+F3*V\left(k\right)\end{array}\right.$

其中：

X(k)＝T0(k)         U(k)＝TI(k)   $V=\left(k\right)=]\left[\begin{array}{c}F1\left(k\right)\\ F2\left(k\right)\\ F3\left(k\right)\\ \mathrm{MU}1\left(k\right)\end{array}\right]$

Y(k)＝MU180(k)

X：控制模型状态变量，即反应器反应温度，在此例中为一个1×1向量；

U：控制模型操纵变量，即反应器入口温度，1×1向量；

V：控制模型干扰变量，即反应器进料流量、进料粘度。2×1向量；

Y：控制模型被控变量(模型输出变量)，即减粘系统出口产品粘度，1×1向量；

A，B，C，F1，F2，F3：模型系数阵；

预测输出并进行反馈修正，并采用单值预测控制算法，得到增量形式的最优控制律：

          Δu(k)＝S^-1{YS-Y-KX-SU-SF1-SF2}

其中：

$S^{-1}=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}C{A}^{i-1}B$

YS＝Y^S(k+P)

Y＝Y(k)

KX＝CA^P-1[X(k)-X(k-P)]

$\mathrm{SU}=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}B[u(k-1)-u(k-P)]+\underset{i=p-6}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}B[u(k+P-i-7)-u(k-i-7)]$

$\mathrm{SF}1=\underset{i=1}{\overset{P-7}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}F1[V(k-1)-V(k-P)]+\underset{i=p-6}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CA}}^{i-1}F1[V\left(k+P-i-7\right)-V(k-i-7)]$

SF2＝F2*[V(k-1)-V(k-7)]

其中：

Δu：操纵变量控制增量；

Ys：输出变量(被控变量)设定值；

Y：输出变量(被控变量)测量值；

S^-1：预测时域阶跃响应阵；

p：预测时域。

(五)不同油品生产方案自动切换策略

1.由生产250号油切换生产180号油

在m个控制周期(每n分钟程序送出一个SP，即一个控制周期)内分m步过渡到180号生产方案。(m，n视现场情况而定)

(1)取得上一次生产180号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP

(2)将SP与本次切换前的SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量

(3)将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为的SP输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入180号油的生产方案中

2.由生产180号油切换生产250号油

在m个控制周期(每n分钟程序送出一个SP，即一个控制周期)内分m步过渡到250号生产方案。

(1)取得上一次生产250号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP

(2)将SP与本次切换前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量

(3)将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为的SP输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入250号油的生产方案中。

本控制策略的功能，如图3所示：

具体实施的步骤为(以本发明在某厂的实施为例进行说明)

实施前模型的工程化；

工程实施包括：

(1)DCS组态

这一部分由厂方协助完成，主要任务是为控制器软件包的编写提供必要的条件。

(2)控制器软件包的编写及调试。

实施要求：

(1)常规仪表工作正常；

(2)工况平稳；

(3)DCS系统正常。

本发明的有益效果为：实现了反应器产品粘度的多变量预测控制，减少产品粘度的波动，波动值不超过控制值的5％，保证产品粘度平稳合格。保证其它被控变量、操作变量不超出其给定上、下限，保证整个装置安全平稳运行。降低了调和柴油的掺入量，降低幅度不少于1％，提高了经济效益。实现了180#和250#两种方案方便切换，缩短了产品切换时间。

可见，与现有技术相比，本发明反应器操作平稳，改变了过去开环调节产品质量波动大，入口温度调节频繁，调节幅度大的状况；而且柴油调和量明显减少，产品质量卡边；特别是产品油生产切换实现了自动控制，调节时间明显减少。从而实现了重油减粘的闭环自动控制，提高了产率，优化了反应器的运行状态，收到了节能降耗、协调优化的良好效果，创造了经济效益。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (14)

1.一种重油减粘反应的先进控制方法，其特征在于，实时采集重油粘度反应器入口渣油粘度、出口减粘渣油粘度、出口产品油粘度，并对其进行实时在线粘度分析；对重油减粘反应实施模型预测控制，即：根据重油减粘反应器出口产品油的油品牌号，闭环自动调节重油减粘反应器的入口温度(TI)和柴油调和流量(F2)，实现对重油减粘反应器出口产品油粘度的控制，并且实现180号燃料油和250号燃料油品生产的自动相互切换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据重油减粘反应器出口产品油的油品牌号，闭环自动调节重油减粘反应器的操作变量，实现对重油减粘反应器出口产品油粘度的控制是指：重油减粘反应器出口产品油为180号燃料油或250号燃料油；

当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制；

当产品油为250号燃料油时：对重油粘度反应器出口产品油粘度采用单入单出模型预测控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的实现两种牌号油品生产的自动相互切换是指：从生产180号燃料油切换为生产250号燃料油，或从生产250号燃料油切换为生产180号燃料油。

4.根据权利要求1所述的方法，其步骤包括：

实时采集重油减粘反应器入口渣油粘度、出口减粘渣油粘度、出口产品油粘度，并对其进行实时在线粘度分析；

重油减粘反应器出口产品油为180号燃料油或250号燃料油，

当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制；

当产品油为250号燃料油时；对重油减粘反应器出口产品油粘度采用单入单出模型预测控制；

实现从生产180号燃料油自动切换为生产250号燃料油，或从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的当产品油为180号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用区域控制是指：

设定平稳区，当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之外时，即：出口粘度大于设定值上限或小于设定值下限，利用相应的比例控制调节柴油调和量F2；当减粘反应器出口粘度测量值在平稳区之内时；采用模型预测控制。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的当产品油为250号燃料油时：对重油减粘反应器出口产品油粘度采用单入单出模型预测控制是指：对250号燃料油进行粘度控制时，只需对减粘度反应器入口温度TI进行闭环自动调节。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的实现从生产180号燃料油自动切换为生产250号燃料油是指：从生产180号燃料油转为生产250号燃料油采用直接切换。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油是指：从生产250号燃料油转为生产180号燃料油，在保持TI不变的条件下，直接将柴油调和流量F2增大，即：增加量取180号油正常生产时F2的平均，使得系统在短时间内即进入平稳区，待其进入平稳区之后，取消TI保持不变，按180号油的一般控制实施控制。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的区域控制是指基于机理模型的产品粘度多变量预测控制；其以产品粘度作为主要被控变量，且为保证分馏塔的物料平衡，对塔底液位保留现有的常规控制，即利用塔底产品流出量控制塔底液位，以反应温度和柴油掺入量作为主要操作变量，通过调节加热炉出口温度和柴油掺入量控制产品粘度；在控制时应尽量改变反应温度，而柴油掺入量处于次要操纵变量；且尽可能少；

在建立的机理模型中纳入可测干扰装置处理量、蜡油掺入量、原料粘度、原料密度、原料残炭、柴油粘度和蜡油粘度的影响，利用前馈-反馈控制减少它们对整个过程控制的扰动。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的模型预测控制是指：基于机理模型的多变量预测协调控制，其根据反应器和分馏塔的物料平衡和能量平衡建立能够反映生产过程的动态数学模型，实施模型预测和具有状态反馈的多变量单值预测控制，根据预测的被控变量的偏差和超限情况进行控制。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的从生产180号燃料油转为生产250号燃料油采用直接切换的步骤为：

在m个控制周期内，分m步过渡到250号的生产，

取得上一次生产250号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP；

将SP与本次切换前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量；

将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为SP的输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入250号油的生产方案中。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的从生产250号燃料油自动切换为生产180号燃料油的步骤包括：

在m个控制周期内，分m步过渡到180号的生产，

取得上一次生产180号油时的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP；

将SP与本次切换前的SP作差，将差作m的平均，作为切换控制的控制量；

将控制量加到当前的反应器入口温度及柴油流量的程序设定值SP上，作为SP的输出，每n分钟输出一个控制，m*n分钟后即自动切换入180号油的生产方案中。

13.根据权利要求9所进的方法，其特征在于，所述的基于机理模型的产品粘度多变量预测控制需满足下列条件：

180号油的输出条件为： $\mathrm{MU}180\left(k\right)=C_{180}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3)+D_{180}\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ F2(k-\mathrm{tao}5)\\ F3(k-\mathrm{tao}6)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

被控对象180号油的建模条件为：

$\left\{\begin{array}{c}T0(k+1)=A_{180}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3+1)+B_{180}*{\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+\mathrm{tao}3)+V}_{180}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+\mathrm{tao}3)\\ F2(k-\mathrm{tao}5+\mathrm{tao}3)\\ F3(k-\mathrm{tao}6+\mathrm{tao}3)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+\mathrm{tao}3)\end{array}\right]\\ \mathrm{MU}180\left(k\right)=C_{180}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3)+D_{180}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ F2(k-\mathrm{tao}5)\\ F3(k-\mathrm{tao}6)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]\end{array}\right.$

被控对象180号油的控制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*V(k-6)\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*V(k-7)+F3*V\left(k\right)\end{array}\right..$

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的基于机理模型的多变量预测协调控制需满足下列条件：

被控对象为250号油的输出条件为：

$\mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]$

被控对象180号油的建模条件为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{TO}(k+1)=A_{250}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3+1)+B_{250}*\mathrm{TI}(k-\mathrm{tao}2+1)+V_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4+1)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1+1)\end{array}\right]\\ \mathrm{MU}250\left(k\right)=C_{250}*\mathrm{TO}(k-\mathrm{tao}3)+D_{250}*\left[\begin{array}{c}F1(k-\mathrm{tao}4)\\ \mathrm{MU}1(k-\mathrm{tao}1)\end{array}\right]\end{array}\right.$

被控对象250号油的控制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}X(k+1)=\mathrm{AX}\left(k\right)+\mathrm{BU}(k-6)+F1*\left[\begin{array}{c}F1(k-6)\\ \mathrm{MU}1(k+1)\end{array}\right]\\ Y\left(k\right)=\mathrm{CX}(k-1)+F2*\left[\begin{array}{c}F1(k-7)\\ \mathrm{MU}1\left(k\right)\end{array}\right]\end{array}\right..$

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