1.前言
自上世纪七十年代，基于模型预测控制为主的先进过程控制技术不断得到提高和完善。经过近四十年的发展和应用，应用范围也在不断拓宽，从线性时不变系统，逐渐发展到非线性、时变系统的多种新的预测控制技术；工程设计与实施技术也趋于成熟。
从炼油化工装置对象来看，现已涵盖大部分的炼油和化工装置（如：催化裂化、常减压、催化重整、延迟焦化、气分、聚丙烯、聚乙烯、合成氨等）。先进控制技术应用于装置生产过程中，已成为我国炼油和化工企业节能降耗、挖潜增效的重要手段。
2.常减压节能措施概述
常减压装置是炼油厂最大的耗能装置之一。通常，常减压能耗占炼油总耗能的20%左右，因此降低该装置的能耗对炼油厂的节能降耗具有极其重要的意义。据统计，国内常减压装置的最低能耗约为410.3MJ/t，而平均能耗则为518.3MJ/t，差距高达108MJ/t（最低能耗的26.3%）[1]，可见该装置的节能尚有较大的挖掘潜力。目前，国内各大炼油厂和科研机构从设计改造、新工艺新设备的应用等方面进行了大量研究，并取得了较好效果。
而作为在线优化和控制层面的先进控制技术，同样发挥着不可替代的作用。实施先进控制，是常减压装置节能降耗的重要途径之一。
3.常减压装置先进控制策略中的节能设计
根据装置的不同特点，并结合装置能耗分析，设计适合该装置的先进控制方案，是先进控制在节能降耗方面发挥突出作用的前提。
从常减压装置的用能三环节：能量的传输和转换、能量的工艺利用和能量的回收利用角度设计合理的先进控制方案（控制器结构），是降低常减压装置能耗的关键。
3.1 热量传输和转换环节的控制器设计方案
在热量的传输和转换环节，能量的利用率为86.9%。在直接损失的能量中，加热炉的排烟热损失占总供入能量的8.45%。为此，针对烟气回收系统设计控制器，用于提高加热炉的热效率、降低排烟热损失。除此以外，为减少原油各支路进加热炉最终混合后的热损失，提高加热炉的加热原油的效率，针对原油加热流程设计加热炉支路平衡控制器。
3.1.1 加热炉炉效率的先进控制策略及运行效果
加热炉的炉效率先进控制策略一般是通过自动调节鼓风机变频、引风机变频、氧含量挡板开度、烟气挡板开度来控制加热炉的氧含量和炉膛负压，尽可能降低入加热炉的空气量，减少加热炉的热损失。这种控制方案同样适用于两炉共用一个鼓风机和引风机。
图1为控制器投用前后常压炉烟气氧含量（AIC1201）、减压炉烟气氧含量（AIC1301）对比曲线；表1为控制器投用前后常减压炉的烟气氧含量和炉膛负压对比数据统计。
通过图1和表1可以看出先进控制控制器投用后，烟气氧含量波动明显减小，波动方差降低30%左右，烟气氧含量平均值之差达到0.7%左右，通过控制器的卡边调节可进一步降低烟气氧含量，这样便降低入加热炉的空气量，提高了加热炉的热效率。
表1 控制器投用前后烟气氧含量和炉膛负压对比统计
图1 控制器投用前后AIC1201、AIC1301对比曲线
3.1.2 加热炉进料支路平衡先进控制策略及运行效果
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，会在一定程度上降低加热炉的热效率。
先进控制实施中，设计加热炉支路平衡控制器，以减小加热炉各支路的温度偏差，提高加热炉的热利用率。一般设计是：通过自动调节加热炉各支路流量，实现对各支路流量和出口温度的均衡控制。
表2 控制器投用前后常压炉进料
各支路温差对比数据统计
图2 控制器投用前后常压炉进料各支路温差对比曲线
图2所示为控制器投用前后常压炉进料各支路与混合后温差对比曲线；表2所示为控制器投用前后常压炉进料各支路与混合后温差对比数据统计。
由图2和表2可以看出，先进控制器投用后，常压炉进料各支路换热更加均衡，支路之间的温度偏差大幅减小。
3.2 热量工艺利用和回收环节的控制器设计方案
在工艺利用和能量回收利用环节中，装置工艺总用能较高，大于1000MJ/t，且系统回收循环能较低，仅占36.1%，其它用能需要由装置外界燃料、蒸汽和电力等进行补充。
常减压装置的剩余热量，主要是蒸馏塔塔顶回流和各中段回流取出的，热流的温位沿塔径方向从上而下依次升高。因而为提高原油的最终换热温度，应合理分配取热，增加高温位热源热量供给，进行换热网络和常压塔的优化控制是重要的措施之一。
3.2.1 原油换热网络实施先进控制，可以达到明显的节能效果
一般情况下，由于原油性质的变化、操作方案的改变以及设备约束等因素会使原油换热各支路的热供给量发生或大或小的变化，如果仍然保持各原油换热支路的流量均衡，会使整个原油换热网络换热效率下降，因而不是最优操作。
基于以上考虑，利用先进控制技术的在线优化和实时控制功能，针对原油换热网络设计先进控制器用于减小各原油换热支路的换热温差，进而提高原油换热效率。在工程实践中，一般通过调节各原油换热支路流量，来减小各支路的换热温差。
对于热量供给比较充足的原油换热支路，此种方案可通过提高被加热物流量来提高该支路的热交换量，最大限度地取热，使换热过程更加均衡，最终提高整个原油换热网络的换热效率。
表3 控制器投用前后电脱盐前进料
各支路温差对比数据统计
图3 控制器投用前后电脱盐前进料
各支路温差对比曲线
图3所示为控制器投用前后电脱盐前原油进料各支路与混合后温差对比曲线；表3所示为控制器投用前后电脱盐前原油进料各支路与混合后温差对比数据统计。
由图3和表3可以看出，先进控制器投用后，原油进料各支路换热更加均衡，支路之间的温度偏差大幅减小，提高了换热网络的运行效率。
3.2.2 常压塔先进控制器的节能设计考虑
常压蒸馏塔是石油产品分离的核心设备，常压塔先进控制的主要目标是质量控制和产品优化。但在保证产品质量的前提下，优化常压塔的操作，同样也可达到节能的效果。
通常，热流温位沿常压塔的塔径方向自上而下依次升高，因而在保证常压塔汽液相分布均匀和产品质量合格的前提下，尽量提高二中和一中循环量，尽量降低冷回流量，最大限度的使高温位热源多换热可提高热量利用率。在具体实施过程，合理设置DMCplus的优化参数可实现该功能。
为保证常压塔精馏段最低侧线以下塔板上有足够的液相回流，原油进常压塔时一般设计2%～4%的过汽化率。然而研究证明，过汽化率每提高1%可使加热炉的负荷增加2%，因此在实际生产中，只要能够保证侧线产品的质量，应对现有操作进行调整，使过汽化率降到最低，从而降低加热炉出口温度，节省燃料。
4.常减压装置先进控制在节能降耗方面的效益估算
先进控制投入使用后，优化了常压炉的操作，降低燃料消耗；优化了换热网络并提高了高温热利用情况，能量消耗变化主要体现在循环、蒸汽以及燃料使用量三个方面，综合考虑，能耗改变数据列表如表4所示。
根据能耗数据可以看出先进控制投用后，装置循环水使用量有上升，蒸汽和燃料气使用量降低，综合能耗降幅达到了2.28%。
根据表3能耗变化，可知吨原油能耗降低：9.67-9.45=0.22千克标油，按照装置按一年运行350天，日加工15000吨原油计，则每年可减少能耗15000*350*0.22/1000=1155吨标油，标油价格按照2300元/吨计算，则可增加效益1155*2300=2656500元，即265.65万元。
5.先进控制实施中遇到的主要问题
先进控制技术在国内常减压装置的推广应用已有十几年的历史，取得了不小的进步。但是在先进控制实施过程中也遇到了一些问题，这些问题通常随着装置的不同特点，最终表现出的应用效果也不一样。对于先进控制技术在常减压装置实施应用过程遇到的问题，笔者可以归纳为以下几点：
（1）硬件设备的可靠性有待提高。
电气阀门定位器、控制阀的可靠性较低；流量、液位变送器时常失灵；加热炉烟气氧含量分析仪故障率很高；可以非常有效地指导加热炉操作的烟气中一氧化碳体积分数在线分析仪根本无法长期正常投用；等等。基础控制条件极大地影响先进控制的应用。
这些问题会影响加热炉的热效率和原油换热网络及各系统的优化控制。有些常减压装置甚至由于硬件设备不可靠而导致的先进控制实施无法正常进行下去，更别提应用效果了。
（2）企业重视程度、操作人员对先进控制的认识，有待进一步提高。
先进控制的效益体现在持续的投用上，并且是慢慢积累起来的，因此只有企业领导、相关单位高度重视，同时，不断提高操作人员对先进控制的认识和操作熟练程度，才能保证先进控制有高的投用率，节能降耗、经济效益才能实现。
（3）DCS控制技术素质有待进一步提高。
DCS所带的高级控制功能大多没有被使用，很多DCS仅仅被作为普通的PID控制器使用，甚至有些装置的PID参数也很不合理。作为先进控制下层的DCS基础控制回路问题，同样制约着先进控制效果的发挥。
在先进控制实施过程中遇到的有些特殊性问题，首先必须充分运用DCS内嵌的一些高级控制算法在DCS层上解决。实施先进控制前最大限度发挥DCS的基础控制功能，有利于提高先进控制的投用效果。
6.结论与展望
先进控制技术，本身已相当成熟。该技术应用于常减压装置，也不存在任何不可逾越的技术壁垒。
应用效果的不同，大多取决于装置的基础性问题，是否得到很好的解决。例如原料性质的频繁变化，基础硬件设备的故障、老化和可靠性低，企业重视程度，先进控制专业维护人员配备，等。
随着中国石化各企业越来越重视装置的节能降耗、精细管理和精细操作，随着中国石化加大投入、在各装置上大力推广新技术，先进控制技术，将在其中扮演非常重要的角色。
随着先进控制在各炼化企业的逐步普及，先进控制技术，必将成为装置实现节能降耗、精细操作不可获缺的工具之一。
参考文献
[1]侯祥麟.中国炼油技术（第2版）[M].北京：中国石化出版社，2001.
作者简介：邱崇军（1965—），大学本科，1987年7月参加工作，参加工作以来一直在中石化炼油企业及相关单位从事自动化仪表专业维护、工程管理和设计等工作，自动化工程师、全国注册监理工程师和国家一级建造师。