发表于：2005/6/20 14:17:00
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石 化 炼 油 厂
常压加热炉的先进控制与优化
技改方案
科大创新股份有限公司自动化分公司
中国科学技术大学工业自动化研究所
地址：合肥市长江西路669号·科大创新办公大楼二层
传真：（0551）5329789-4004
邮编：230088
联系人：刘克胜
目 录
第一节． 概述
一、 常压加热炉简介
二、 九江石化炼油厂常压加热炉及其控制系统
第二节． 常压加热炉先进控制
一、 PID参数自动整定
二、 四路支管温度平衡控制
三、 常压加热炉出口总管温度的阶梯式广义预测控制
四、 常压加热炉出口总管温度的模块多变量预测控制
第三节． 燃烧控制
一、 前言
二、 炉膛压力控制
三、 烟道氧含量控制
第四节． 在线燃烧优化控制（节能控制）
一、 节能任务概述
二、 常压加热炉燃烧优化基本原理
三、 常压加热炉不同燃料之间的折算
四、 常压加热炉燃烧优化实施
第五节． 项目实施步骤、工期
一、 项目实施步骤及工期
二、 项目经费报价清单
第六节． 技术支持及售后服务
第七节．
第一节 概 述
一、 常压加热炉简介
在炼油厂的各种生产装置中，原油蒸馏的常压炉和减压炉的处理量和热负荷杜比较大。正确选择炉型，以及采取各种措施提高加热炉的控制精度和热效率，对安全稳定生产和降低全厂能耗，具有重要的意义。
国内目前采用的原油蒸馏加热炉有圆筒炉、卧管立式炉和立管箱式炉等炉形。下面以圆筒炉为例说明常压加热炉的一般结构。
圆筒炉的结构如图1所示。圆筒炉内辐射管一般都是沿圆周排列的，辐射室内燃烧器和管排列成同心圆布置，辐射炉管距火焰的相对位置匀称，炉管径向的辐射热量均匀，同时便于布置成多程并联。圆筒炉的结构紧凑，材料用量、投资和占地面积均小于其他两种炉型。辐射管高度和炉管节圆直径之比约在2.5左右，所以沿管长方向的受热不均匀系数较大，一般为1.2~2.0，故辐射管的平均热流密度也较低。为了弥补这个不足，可以在炉膛中间加置炉管，除能充分利用炉膛空间外，由于中间设置的炉管承受双面辐射，故可提高辐射管的平均热流密度，从而节省材料用量。
相对来说，卧管立式炉的高宽比小，燃烧器沿管长布置，辐射管沿两面侧墙排列，管长方向受热均匀，平均热流密度较高。但沿辐射室高度方向受燃烧器型式和焰形的制约，各部位的炉管热流密度仍有差异。
立管箱式炉系指辐射室为矩形、炉管为立排的加热炉。这种炉形具有辐射管垂直布置，节省占地面积和对流炉管长、压降小等优点。其辐射管可布置在炉膛四周或中间。对流室安放在炉顶或炉侧。立管箱式炉炉膛热流密度大，适用于大型加热炉。
国内炼油厂原油蒸馏装置的过程控制系统，普遍采用电动单元或气动单元组合仪表进行集中监测和集中控制。在一些关键部位如常压塔顶和一线产品的质量控制、加热炉出口总管温度控制、加热炉分支进料流量控制、提高加热炉热效率的自动控制（包括炉膛负压控制、烟气氧含量检测和控制、雾化蒸汽控制等）等都采用了双参数和多参数串级调节的典型控制系统。近十多年来，国内一些炼油厂从国外引进或采用国产DCS应用于蒸馏装置上，对装置操作平稳、质量稳定、能耗降低和轻油收率提高起到了一定的作用，同时为实现先进控制与过程优化技术提供了必要而坚实的硬件基础。其中个别实现部分参数先进控制的炼油厂均已取得了可观的经济效益。加热炉的先进控制与优化除了PID控制器参数的自动整定外，还可以包括以下内容：
1、加热炉支路出口温度的均衡控制
常压炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等方法能够收取一定的效果。其中差动式方法不仅效果不错，而且实现简单，操作简便，对于长期运行有一定的优势。另外，针对系统的非线性、强耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能实现较好的控制。图2所示是一种总温参考支路均衡控制方法：将支路的出口温度和炉出口总管温度比较，通过公式计算自动调节各支路的进料流量，维持各支路的温度均衡。
图2 总温参考支路均衡控制
2、加热炉出口总管温度控制
加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的串级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动，所以出口温度仍不容易稳定，另外没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。
串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。
在串级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。
国内大多数的炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的串级控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。
3、加热炉燃烧控制
加热炉燃烧控制的任务是提高加热炉的热效率，以达到节能增效的目的。由于加热炉是常压蒸馏装置中耗能最大的环节，能耗占整个装置的70%以上，因此加热炉热效率的提高对于整个常压蒸馏装置的节能具有决定性的意义。常规的控制系统中，加热炉出口温度、炉膛负压、烟气氧含量等变量是独立的、互不关联的，而实际上各变量之间相互影响。一般可以采用前馈加反馈的控制方法。如：反馈调节对象选择加热炉的热效率或烟气氧含量，执行手段采用调节控制量；前馈系统采用单参数或多参数前馈，如选干扰源为燃料流量或燃料压力等。在燃烧控制的基础上可进一步实施燃烧优化，即采用高级优化策略通过烟气氧含量或热效率反馈寻求最佳的过剩空气系数。一般情况下，采用燃烧优化控制后能显著的提高加热炉的热效率。
二、 九江石化炼油厂常压加热炉及其控制系统
装置规模为150×104t/a。(设计最大能力是250×104t/a)
DCS选用Honeywell-TDC3000
系统共152个测量点，62个控制点，数值量点有264个，共55个PID控制回路。
原系统四路支管流量差勉强控制在工艺要求的范围内，四路温度差往往稳定在7οC、8οC左右，最多时达到20多度，出口总管温度一般在设定值附近3οC左右波动，最多时波动范围达到10οC，这样的控制效果远远不够理想，控制精度和效率有待于进一步提高，系统具有很大的节能潜力。实施先进控制与优化项目的目标是：PID参数软件自整定工作完成系统PID 回路的参数整定优化工作，解决若干回路不能投自动和效果差的问题，为后续工艺提供了最大可能理想的稳定工况；四路支管温度平衡控制采用差动式控制方法和模糊控制方法，通过微调流量差，将四路支管出口温差稳定在3οC范围内，同时流量差控制在2t/h以内；针对系统的大时延、时变、非线性特性，出口总管温度采用自适应预测控制和模糊控制，充分考虑各影响因素，将出口总管温度稳定在设定值365οC附近1οC范围内； 燃烧优化对烟气氧含量、炉膛负压、雾化蒸汽压力实施在线优化控制、比值控制等多种复合控制方式，节能达3%以上，仅此一项较原控制方式可年节省燃料50余万元。
为实现先进控制控制与优化系统，我们在原有的DCS系统上进行了扩展，增加了一台先进控制工作站，开发了相应的软件，构成了先进控制与优化系统。
第二节 常压加热炉先进控制
一、PID参数自动整定
由于常压塔加热炉温度的稳定非常依赖于前面各环节的稳定，前面生产过程的任意波动，都会影响到常压塔加热炉温度的稳定。对加热炉前面各环节回路进行整定，一方面可增强装置的稳定性，从而使常压塔加热炉的温度波动减小，增加整个装置的稳定性，另一方面也可以节能增效，有利于整个优化控制和燃烧优化项目，各回路的稳定性增强，这本身也可以达到部分的优化和节能的目的。对回路的整定我们使用了相关系数法PID自整定方法进行。
PID自动整定的算法，采用相关系数法。算法原理见框。
R(t)
u(t) y(t)
图(3)
图中的模型要根据系统的特点，选择一阶加纯滞后、二阶加纯滞后。建模的原理是：选一组模型参数，例如一阶加纯滞后系统：
K e_τs
G(s)=
Ts+1
系统中的K、τ、T三个参数，然后用采集到的u(t)同时加到系统被控对象和模型，用模型仿真软件计算出相应的ym(t)，再计算y(t)与ym(t)的相关系数γ。
如果模型参数真实地代表了系统被控对象，那么二者输出应相同，其相关系数
γ= ∑([y(i)-y][ym(i)-ym])/√ ∑[y(i)-y]2∑[ym(i)-ym]2
式中： y=[∑y(i)]/N ym=[∑ym(i)]/N
γ应为1，反之则应为零，一般情况下应为0>γ>1，因此γ应与模型参数的选择有关，也即γ是模型参数的函数，我们可以通过寻优，选择最优K*、τ*、T*使γ达到极大，或1-γ达到极小。此时的K*、τ*、T*就是最佳模型参数。
下一步是通过极小化二次型目标函数，设计最优PID参数：
J=∑{(1—λ)e2(i)+λK2[Δu(i)]2}
e(i)=R(i)-ym(i)
式中e(i)是P、I、D三个参数的函数，显然最优的P*、I*、D*应该是使系统误差最小的控制器参数。
整定工作是在系统正常运行中进行，不扰动系统。也即AtLoop软件采集的是运行数据，设计出最优P*、I*、D*后，计算机打出最优P*、I*、D*参数，经判断无误后，由操作人员修改原P、I、D三个参数，投运后还要观察一段时间，运行情况不满意，还可通过修正λ等参数重新设计P*、I*、D*，直到满意。
二、四路支管温度平衡控制
1、概述
加热炉各进料支管和炉底烧嘴虽然在炉内按几何对称分布，但由于原油流量波动、压力波动、各支管流量不均衡、各炉管分支结焦程度不同的影响，以及各烧嘴燃料流量、雾化蒸汽以及送风量不均衡而造成偏火现象，从而造成各支管进料不能均衡加热，最终使加热炉各支管出口温度不平衡。如果各支管进料温度偏差过大，会影响蒸馏塔的分离效果及原油裂解，甚至造成油料气化结焦现象，影响产品质量和炉管使用寿命，这也会使出口总管温度不稳定。并且，当出现“偏火”时，燃烧强度大的支管内的物料温度会很高，很高的温度又会使原油结焦，阻碍管内的原油流动，这样会进一步加剧结焦现象，最终可能会使管壁烧穿造成事故。此外，各支管内油料不能均衡加热还会降低热效率，增加燃料消耗。
支管平衡常规的控制方案是采用四个单回路的定值调节器，控制各个炉管的流量，流量调节器的给定值由操作人员根据调度指令和实际工况给出，各支管出口温度可以通过改变各支管的流量给定值来控制。由于工艺要求总进料流量要保持恒定，因此，改变某支管进料流量时，必须同时改变其他各进料支管的进料流量，以保证总进料不变，这必将使其他各支管的出口温度发生变化。所以，采用常规控制方案很难取得满意的效果。这实际上是一个强耦合的多变量系统，给问题带来了很大的困难。为此，本方案提出了差动式支管出口温度平衡控制方法和模糊控制方法,这两种方法避免了多变量的强关联问题，控制系统结构巧妙、设计简单。工艺要求加热炉四路支管出口温度差小于5摄氏度，四路支管进料流量差小于3吨/小时。
差动平衡控制方案是在原有控制方案基础上增加三个平衡调节器，完成四路支管出口温度平衡控制。差动平衡控制方案拟采用现有集散控制系统自带的组态软件完成，包括三个常规PID调节器和相应的运算模块。
2、两路支管差动平衡控制
所谓两路差动平衡控制，就是用两路支管的进料流量之差作为控制量，而将两路支管出口温度之差作为被调量，这样便将原来的两输入两输出（四路平衡时是一个四输入四输出）强耦合系统转化为一个单输入单输出系统，只需要一块常规调节器配合两路支管的进料流量调节器便可构成两路支管出口温度平衡反馈控制系统，其原理如图7所示。有两个支路，分别为支路1和支路2，进料流量分别为F1、F2，两支路的总进料流量为F12= F1 + F2；出口温度分别为T1、T2，出口温差为ΔT = T1 - T2。
控制约束是两支路进料总流量F12保持恒定；控制目标是两支路的物料出口温度T1、T2达到一致。现设计一个平衡调节器，令其输入E= -ΔT；输出是两个支路进料流量在初始设定值（分别为s1和s2）基础上的改变量，记为ΔF，则有：
F1=s1-ΔF
F2=s2+ΔF
显然，总流量F12=F1+F2保持不变。
3、四路支管差动平衡控制
差动式四路平衡控制基本原理如图8所示。通过两个平衡调节器G12和G34，我们可以实现支路1与支路2之间的平衡、支路3与支路4之间的平衡。支路1与支路2之间的温度平衡点T12与支路3与支路4之间的温度平衡点T34可能并不相等，这一点通过平衡调节器G1234来实现。
图8 差动式四路平衡控制示意图
4、控制效果（以前的成功案例）
差动式四路平衡控制在原有的工程师站上通过组态实现。基于差动法的四路平衡控制取得了预期的效果。在正常工作条件下，投用两路平衡控制或四路平衡控制都能够在较短的时间内使相应支路的出口温度差显著下降，同时还能保证支路流量差限制在期望的范围之内。在现有设备不能更新的情况下，差动法平衡控制是实现四路平衡切实有效的方法。图9所示是投用四路平衡控制前后四路分支温度与流量变化趋势图。投用前四路温度差约7°C，投用后10分钟左右四路温度差降至3°C以内。图10所示是四路平衡控制投用期间四路分支温度与流量变化趋势图。温度差基本维持在3°C以内，流量差在2吨/小时左右。一般而言，在工况比较平稳，炉膛偏火不是特别严重（如四路流量均衡而温差超过十几度甚至二十度）的情况下，投用四路平衡控制能够将温差与流量差均稳定在工艺范围内，并留有一定的调节裕度。
图9 投用前后四路分支温度与流量变化 图10 投用期间四路分支温度与流量变化
三、常压加热炉出口总管温度的阶梯式广义预测控制
1、引言
加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高轻油收率至关重要。国内大多数的炼油厂目前均采用简单的串级控制，控制器多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统干扰多、时延大、具有较强的非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的效果。以辽河油田东蒸馏车间为例，出口总温在设定值365°C附近较大范围（约±10°C）变化，平均值接近设定值，但标准差一般在2°C以上，控制效果不够理想，需要采取新的控制方法来提高控制精度。采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。预测控制具有优良的控制性能和鲁棒性，被广泛应用于过程控制中。有文献报道采用DMC-PID串级的控制方案进行出口总温控制，效果较好。但是很多情况下由于测点、火嘴以及负荷的变化导致炉膛温度的测量不准，将其作为串级内环并不合适，DMC-PID串级方法不再适用。本文采用广义预测控制直接利用出口总管温度反馈来控制燃料，一方面将阶梯式控制策略引入广义预测控制，大大降低了在线运算量，保证了控制的实时性，另一方面通过在线辨识、修正模型参数来解决系统时变特性，同时引入原油总进料流量作为前馈信息来加快控制响应速度，在辽河油田石化总厂东蒸馏车间加热炉上的应用取得了满意的效果。
2、常压加热炉出口总管温度控制
影响加热炉出口温度的因素很多，最主要的因素有两个，一个是原油进料总量，另一个是燃料量。受生产任务的限制，原油进料总量不能作为控制量进行调节。将原油进料总量作为前馈，以出口总温作为反馈量，控制量选燃料流量，仅仅舍去炉膛温度环节，将各种可测干扰作为前馈显式引入，避开了炉膛温度测量不准的问题，但并没有克服系统因负荷变化等因素引起的时变特性，由负荷等因素引起的时变特性仍然间接表现在燃料对出口温度的模型参数中。当负荷增加的时候，炉膛温度随之降低，出口温度也随之降低，继而反馈回来增加燃料流量，使得炉膛温度上升，从而出口总温也上升，维持在其设定值附近；当负荷降低的时候，炉膛温度随之升高，出口温度也随之升高，继而反馈回来减少燃料流量，使得炉膛温度下降，从而出口总温也下降，维持在其设定值附近。这种由工作点漂移引起的系统非线性时变特性同时伴随有燃料调节本身的非线性特性。调节燃料流量是通过直接或间接的调节其阀位的，欲增大燃料流量时，增大对应燃料阀位，但是阀位与流量的关系并不是那么简单，不同压力下关系不同，并且在调节阀位时，燃料压力随之变化，燃料流量因而未必如期望的变化。对于燃料气，这种非线性尤其明显。燃料压力的变化不仅影响燃料供给流量，还直接影响燃烧状况，这就要求尽量少幅度尽量小的调节燃料，这一点为控制算法的快速性及鲁棒性提出了较高的要求。预测控制虽然对模型失配具有较好的鲁棒性，但在工作点较大幅度漂移时，引入自校正模型参数是最好的选择。本文实现的广义预测控制控制框图如图11所示，它通过在线辨识系统模型，得到新的模型参数后，重新设计控制器参数，再使用新的模型参数和控制器参数对变化了的对象实施控制，是较好的控制方案。
图11 广义预测控制框图
模型参数估计采用递推最小二乘方法在线辨识。需要注意的是，加热炉环节的干扰太多，在线辨识的采样周期不能太小，否则模型参数的改变其实并不是模型的真正改变，而是干扰的影响。为了避免这种情况，除了对数据进行必要的滤波外，采样周期的选择要适当，一般在不影响采样的情况下，取控制周期的5至10倍左右。软件实现的广义预测控制流程如图12所示。
3、应用效果（以前的成功案例）
本文常压加热炉出口总管温度阶梯式广义预测控制在辽河油田东蒸馏车间常压炉控制系统上得以成功的应用，能将出口总管温度稳定在设定值366°C附近1°C范围内波动，并且具有很好的鲁棒性和快速性。图13、图14是投用效果图。为了便于在同一窗口中显示，我们采用线性归一化方法将多条曲线数据全部归一化到0～100之间范围内。归一化的目的仅在于方便显示，不改变真实数据，显示的曲线趋势就是真实数据的趋势，不影响比较分析。归一化按下式进行： 。其中， 、 为真实数据的上下限， 、 为归一化后显示区间， 、 分别为真实数据和变化后数据。以出口总管温度曲线为例，变化范围为350℃～380℃，即 ， ，而归一化后 ， 。图4图5中各曲线的归一化设定是一致的，归一化后范围均为0～100，原始数据显示上下限分别为：出口总温350～380°C，炉膛温度550～670°C，各自的设定值显示上下限与之一致，燃油阀位和燃气阀位均为0～100％。
常压加热炉的先进控制与优化
技改方案
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传真：（0551）5329789-4004
邮编：230088
联系人：刘克胜
目 录
第一节． 概述
一、 常压加热炉简介
二、 九江石化炼油厂常压加热炉及其控制系统
第二节． 常压加热炉先进控制
一、 PID参数自动整定
二、 四路支管温度平衡控制
三、 常压加热炉出口总管温度的阶梯式广义预测控制
四、 常压加热炉出口总管温度的模块多变量预测控制
第三节． 燃烧控制
一、 前言
二、 炉膛压力控制
三、 烟道氧含量控制
第四节． 在线燃烧优化控制（节能控制）
一、 节能任务概述
二、 常压加热炉燃烧优化基本原理
三、 常压加热炉不同燃料之间的折算
四、 常压加热炉燃烧优化实施
第五节． 项目实施步骤、工期
一、 项目实施步骤及工期
二、 项目经费报价清单
第六节． 技术支持及售后服务
第七节．
第一节 概 述
一、 常压加热炉简介
在炼油厂的各种生产装置中，原油蒸馏的常压炉和减压炉的处理量和热负荷杜比较大。正确选择炉型，以及采取各种措施提高加热炉的控制精度和热效率，对安全稳定生产和降低全厂能耗，具有重要的意义。
国内目前采用的原油蒸馏加热炉有圆筒炉、卧管立式炉和立管箱式炉等炉形。下面以圆筒炉为例说明常压加热炉的一般结构。
圆筒炉的结构如图1所示。圆筒炉内辐射管一般都是沿圆周排列的，辐射室内燃烧器和管排列成同心圆布置，辐射炉管距火焰的相对位置匀称，炉管径向的辐射热量均匀，同时便于布置成多程并联。圆筒炉的结构紧凑，材料用量、投资和占地面积均小于其他两种炉型。辐射管高度和炉管节圆直径之比约在2.5左右，所以沿管长方向的受热不均匀系数较大，一般为1.2~2.0，故辐射管的平均热流密度也较低。为了弥补这个不足，可以在炉膛中间加置炉管，除能充分利用炉膛空间外，由于中间设置的炉管承受双面辐射，故可提高辐射管的平均热流密度，从而节省材料用量。
相对来说，卧管立式炉的高宽比小，燃烧器沿管长布置，辐射管沿两面侧墙排列，管长方向受热均匀，平均热流密度较高。但沿辐射室高度方向受燃烧器型式和焰形的制约，各部位的炉管热流密度仍有差异。
立管箱式炉系指辐射室为矩形、炉管为立排的加热炉。这种炉形具有辐射管垂直布置，节省占地面积和对流炉管长、压降小等优点。其辐射管可布置在炉膛四周或中间。对流室安放在炉顶或炉侧。立管箱式炉炉膛热流密度大，适用于大型加热炉。
国内炼油厂原油蒸馏装置的过程控制系统，普遍采用电动单元或气动单元组合仪表进行集中监测和集中控制。在一些关键部位如常压塔顶和一线产品的质量控制、加热炉出口总管温度控制、加热炉分支进料流量控制、提高加热炉热效率的自动控制（包括炉膛负压控制、烟气氧含量检测和控制、雾化蒸汽控制等）等都采用了双参数和多参数串级调节的典型控制系统。近十多年来，国内一些炼油厂从国外引进或采用国产DCS应用于蒸馏装置上，对装置操作平稳、质量稳定、能耗降低和轻油收率提高起到了一定的作用，同时为实现先进控制与过程优化技术提供了必要而坚实的硬件基础。其中个别实现部分参数先进控制的炼油厂均已取得了可观的经济效益。加热炉的先进控制与优化除了PID控制器参数的自动整定外，还可以包括以下内容：
1、加热炉支路出口温度的均衡控制
常压炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等方法能够收取一定的效果。其中差动式方法不仅效果不错，而且实现简单，操作简便，对于长期运行有一定的优势。另外，针对系统的非线性、强耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能实现较好的控制。图2所示是一种总温参考支路均衡控制方法：将支路的出口温度和炉出口总管温度比较，通过公式计算自动调节各支路的进料流量，维持各支路的温度均衡。
图2 总温参考支路均衡控制
2、加热炉出口总管温度控制
加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的串级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动，所以出口温度仍不容易稳定，另外没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。
串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。
在串级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。
国内大多数的炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的串级控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。
3、加热炉燃烧控制
加热炉燃烧控制的任务是提高加热炉的热效率，以达到节能增效的目的。由于加热炉是常压蒸馏装置中耗能最大的环节，能耗占整个装置的70%以上，因此加热炉热效率的提高对于整个常压蒸馏装置的节能具有决定性的意义。常规的控制系统中，加热炉出口温度、炉膛负压、烟气氧含量等变量是独立的、互不关联的，而实际上各变量之间相互影响。一般可以采用前馈加反馈的控制方法。如：反馈调节对象选择加热炉的热效率或烟气氧含量，执行手段采用调节控制量；前馈系统采用单参数或多参数前馈，如选干扰源为燃料流量或燃料压力等。在燃烧控制的基础上可进一步实施燃烧优化，即采用高级优化策略通过烟气氧含量或热效率反馈寻求最佳的过剩空气系数。一般情况下，采用燃烧优化控制后能显著的提高加热炉的热效率。
二、 九江石化炼油厂常压加热炉及其控制系统
装置规模为150×104t/a。(设计最大能力是250×104t/a)
DCS选用Honeywell-TDC3000
系统共152个测量点，62个控制点，数值量点有264个，共55个PID控制回路。
原系统四路支管流量差勉强控制在工艺要求的范围内，四路温度差往往稳定在7οC、8οC左右，最多时达到20多度，出口总管温度一般在设定值附近3οC左右波动，最多时波动范围达到10οC，这样的控制效果远远不够理想，控制精度和效率有待于进一步提高，系统具有很大的节能潜力。实施先进控制与优化项目的目标是：PID参数软件自整定工作完成系统PID 回路的参数整定优化工作，解决若干回路不能投自动和效果差的问题，为后续工艺提供了最大可能理想的稳定工况；四路支管温度平衡控制采用差动式控制方法和模糊控制方法，通过微调流量差，将四路支管出口温差稳定在3οC范围内，同时流量差控制在2t/h以内；针对系统的大时延、时变、非线性特性，出口总管温度采用自适应预测控制和模糊控制，充分考虑各影响因素，将出口总管温度稳定在设定值365οC附近1οC范围内； 燃烧优化对烟气氧含量、炉膛负压、雾化蒸汽压力实施在线优化控制、比值控制等多种复合控制方式，节能达3%以上，仅此一项较原控制方式可年节省燃料50余万元。
为实现先进控制控制与优化系统，我们在原有的DCS系统上进行了扩展，增加了一台先进控制工作站，开发了相应的软件，构成了先进控制与优化系统。
第二节 常压加热炉先进控制
一、PID参数自动整定
由于常压塔加热炉温度的稳定非常依赖于前面各环节的稳定，前面生产过程的任意波动，都会影响到常压塔加热炉温度的稳定。对加热炉前面各环节回路进行整定，一方面可增强装置的稳定性，从而使常压塔加热炉的温度波动减小，增加整个装置的稳定性，另一方面也可以节能增效，有利于整个优化控制和燃烧优化项目，各回路的稳定性增强，这本身也可以达到部分的优化和节能的目的。对回路的整定我们使用了相关系数法PID自整定方法进行。
PID自动整定的算法，采用相关系数法。算法原理见框。
R(t)
u(t) y(t)
图(3)
图中的模型要根据系统的特点，选择一阶加纯滞后、二阶加纯滞后。建模的原理是：选一组模型参数，例如一阶加纯滞后系统：
K e_τs
G(s)=
Ts+1
系统中的K、τ、T三个参数，然后用采集到的u(t)同时加到系统被控对象和模型，用模型仿真软件计算出相应的ym(t)，再计算y(t)与ym(t)的相关系数γ。
如果模型参数真实地代表了系统被控对象，那么二者输出应相同，其相关系数
γ= ∑([y(i)-y][ym(i)-ym])/√ ∑[y(i)-y]2∑[ym(i)-ym]2
式中： y=[∑y(i)]/N ym=[∑ym(i)]/N
γ应为1，反之则应为零，一般情况下应为0>γ>1，因此γ应与模型参数的选择有关，也即γ是模型参数的函数，我们可以通过寻优，选择最优K*、τ*、T*使γ达到极大，或1-γ达到极小。此时的K*、τ*、T*就是最佳模型参数。
下一步是通过极小化二次型目标函数，设计最优PID参数：
J=∑{(1—λ)e2(i)+λK2[Δu(i)]2}
e(i)=R(i)-ym(i)
式中e(i)是P、I、D三个参数的函数，显然最优的P*、I*、D*应该是使系统误差最小的控制器参数。
整定工作是在系统正常运行中进行，不扰动系统。也即AtLoop软件采集的是运行数据，设计出最优P*、I*、D*后，计算机打出最优P*、I*、D*参数，经判断无误后，由操作人员修改原P、I、D三个参数，投运后还要观察一段时间，运行情况不满意，还可通过修正λ等参数重新设计P*、I*、D*，直到满意。
二、四路支管温度平衡控制
1、概述
加热炉各进料支管和炉底烧嘴虽然在炉内按几何对称分布，但由于原油流量波动、压力波动、各支管流量不均衡、各炉管分支结焦程度不同的影响，以及各烧嘴燃料流量、雾化蒸汽以及送风量不均衡而造成偏火现象，从而造成各支管进料不能均衡加热，最终使加热炉各支管出口温度不平衡。如果各支管进料温度偏差过大，会影响蒸馏塔的分离效果及原油裂解，甚至造成油料气化结焦现象，影响产品质量和炉管使用寿命，这也会使出口总管温度不稳定。并且，当出现“偏火”时，燃烧强度大的支管内的物料温度会很高，很高的温度又会使原油结焦，阻碍管内的原油流动，这样会进一步加剧结焦现象，最终可能会使管壁烧穿造成事故。此外，各支管内油料不能均衡加热还会降低热效率，增加燃料消耗。
支管平衡常规的控制方案是采用四个单回路的定值调节器，控制各个炉管的流量，流量调节器的给定值由操作人员根据调度指令和实际工况给出，各支管出口温度可以通过改变各支管的流量给定值来控制。由于工艺要求总进料流量要保持恒定，因此，改变某支管进料流量时，必须同时改变其他各进料支管的进料流量，以保证总进料不变，这必将使其他各支管的出口温度发生变化。所以，采用常规控制方案很难取得满意的效果。这实际上是一个强耦合的多变量系统，给问题带来了很大的困难。为此，本方案提出了差动式支管出口温度平衡控制方法和模糊控制方法,这两种方法避免了多变量的强关联问题，控制系统结构巧妙、设计简单。工艺要求加热炉四路支管出口温度差小于5摄氏度，四路支管进料流量差小于3吨/小时。
差动平衡控制方案是在原有控制方案基础上增加三个平衡调节器，完成四路支管出口温度平衡控制。差动平衡控制方案拟采用现有集散控制系统自带的组态软件完成，包括三个常规PID调节器和相应的运算模块。
2、两路支管差动平衡控制
所谓两路差动平衡控制，就是用两路支管的进料流量之差作为控制量，而将两路支管出口温度之差作为被调量，这样便将原来的两输入两输出（四路平衡时是一个四输入四输出）强耦合系统转化为一个单输入单输出系统，只需要一块常规调节器配合两路支管的进料流量调节器便可构成两路支管出口温度平衡反馈控制系统，其原理如图7所示。有两个支路，分别为支路1和支路2，进料流量分别为F1、F2，两支路的总进料流量为F12= F1 + F2；出口温度分别为T1、T2，出口温差为ΔT = T1 - T2。
控制约束是两支路进料总流量F12保持恒定；控制目标是两支路的物料出口温度T1、T2达到一致。现设计一个平衡调节器，令其输入E= -ΔT；输出是两个支路进料流量在初始设定值（分别为s1和s2）基础上的改变量，记为ΔF，则有：
F1=s1-ΔF
F2=s2+ΔF
显然，总流量F12=F1+F2保持不变。
3、四路支管差动平衡控制
差动式四路平衡控制基本原理如图8所示。通过两个平衡调节器G12和G34，我们可以实现支路1与支路2之间的平衡、支路3与支路4之间的平衡。支路1与支路2之间的温度平衡点T12与支路3与支路4之间的温度平衡点T34可能并不相等，这一点通过平衡调节器G1234来实现。
图8 差动式四路平衡控制示意图
4、控制效果（以前的成功案例）
差动式四路平衡控制在原有的工程师站上通过组态实现。基于差动法的四路平衡控制取得了预期的效果。在正常工作条件下，投用两路平衡控制或四路平衡控制都能够在较短的时间内使相应支路的出口温度差显著下降，同时还能保证支路流量差限制在期望的范围之内。在现有设备不能更新的情况下，差动法平衡控制是实现四路平衡切实有效的方法。图9所示是投用四路平衡控制前后四路分支温度与流量变化趋势图。投用前四路温度差约7°C，投用后10分钟左右四路温度差降至3°C以内。图10所示是四路平衡控制投用期间四路分支温度与流量变化趋势图。温度差基本维持在3°C以内，流量差在2吨/小时左右。一般而言，在工况比较平稳，炉膛偏火不是特别严重（如四路流量均衡而温差超过十几度甚至二十度）的情况下，投用四路平衡控制能够将温差与流量差均稳定在工艺范围内，并留有一定的调节裕度。
图9 投用前后四路分支温度与流量变化 图10 投用期间四路分支温度与流量变化
三、常压加热炉出口总管温度的阶梯式广义预测控制
1、引言
加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高轻油收率至关重要。国内大多数的炼油厂目前均采用简单的串级控制，控制器多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统干扰多、时延大、具有较强的非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的效果。以辽河油田东蒸馏车间为例，出口总温在设定值365°C附近较大范围（约±10°C）变化，平均值接近设定值，但标准差一般在2°C以上，控制效果不够理想，需要采取新的控制方法来提高控制精度。采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。预测控制具有优良的控制性能和鲁棒性，被广泛应用于过程控制中。有文献报道采用DMC-PID串级的控制方案进行出口总温控制，效果较好。但是很多情况下由于测点、火嘴以及负荷的变化导致炉膛温度的测量不准，将其作为串级内环并不合适，DMC-PID串级方法不再适用。本文采用广义预测控制直接利用出口总管温度反馈来控制燃料，一方面将阶梯式控制策略引入广义预测控制，大大降低了在线运算量，保证了控制的实时性，另一方面通过在线辨识、修正模型参数来解决系统时变特性，同时引入原油总进料流量作为前馈信息来加快控制响应速度，在辽河油田石化总厂东蒸馏车间加热炉上的应用取得了满意的效果。
2、常压加热炉出口总管温度控制
影响加热炉出口温度的因素很多，最主要的因素有两个，一个是原油进料总量，另一个是燃料量。受生产任务的限制，原油进料总量不能作为控制量进行调节。将原油进料总量作为前馈，以出口总温作为反馈量，控制量选燃料流量，仅仅舍去炉膛温度环节，将各种可测干扰作为前馈显式引入，避开了炉膛温度测量不准的问题，但并没有克服系统因负荷变化等因素引起的时变特性，由负荷等因素引起的时变特性仍然间接表现在燃料对出口温度的模型参数中。当负荷增加的时候，炉膛温度随之降低，出口温度也随之降低，继而反馈回来增加燃料流量，使得炉膛温度上升，从而出口总温也上升，维持在其设定值附近；当负荷降低的时候，炉膛温度随之升高，出口温度也随之升高，继而反馈回来减少燃料流量，使得炉膛温度下降，从而出口总温也下降，维持在其设定值附近。这种由工作点漂移引起的系统非线性时变特性同时伴随有燃料调节本身的非线性特性。调节燃料流量是通过直接或间接的调节其阀位的，欲增大燃料流量时，增大对应燃料阀位，但是阀位与流量的关系并不是那么简单，不同压力下关系不同，并且在调节阀位时，燃料压力随之变化，燃料流量因而未必如期望的变化。对于燃料气，这种非线性尤其明显。燃料压力的变化不仅影响燃料供给流量，还直接影响燃烧状况，这就要求尽量少幅度尽量小的调节燃料，这一点为控制算法的快速性及鲁棒性提出了较高的要求。预测控制虽然对模型失配具有较好的鲁棒性，但在工作点较大幅度漂移时，引入自校正模型参数是最好的选择。本文实现的广义预测控制控制框图如图11所示，它通过在线辨识系统模型，得到新的模型参数后，重新设计控制器参数，再使用新的模型参数和控制器参数对变化了的对象实施控制，是较好的控制方案。
图11 广义预测控制框图
模型参数估计采用递推最小二乘方法在线辨识。需要注意的是，加热炉环节的干扰太多，在线辨识的采样周期不能太小，否则模型参数的改变其实并不是模型的真正改变，而是干扰的影响。为了避免这种情况，除了对数据进行必要的滤波外，采样周期的选择要适当，一般在不影响采样的情况下，取控制周期的5至10倍左右。软件实现的广义预测控制流程如图12所示。
3、应用效果（以前的成功案例）
本文常压加热炉出口总管温度阶梯式广义预测控制在辽河油田东蒸馏车间常压炉控制系统上得以成功的应用，能将出口总管温度稳定在设定值366°C附近1°C范围内波动，并且具有很好的鲁棒性和快速性。图13、图14是投用效果图。为了便于在同一窗口中显示，我们采用线性归一化方法将多条曲线数据全部归一化到0～100之间范围内。归一化的目的仅在于方便显示，不改变真实数据，显示的曲线趋势就是真实数据的趋势，不影响比较分析。归一化按下式进行： 。其中， 、 为真实数据的上下限， 、 为归一化后显示区间， 、 分别为真实数据和变化后数据。以出口总管温度曲线为例，变化范围为350℃～380℃，即 ， ，而归一化后 ， 。图4图5中各曲线的归一化设定是一致的，归一化后范围均为0～100，原始数据显示上下限分别为：出口总温350～380°C，炉膛温度550～670°C，各自的设定值显示上下限与之一致，燃油阀位和燃气阀位均为0～100％。
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