APC杂谈之PID Watch

中国石化积极推进以ERP为主线的信息化建设，信息化工作已步上了健康、有序、快速发展的轨道。信息化也与中国石化的发展一样步入了一个发展新阶段，正进入到一个由离散走向集成，由局部应用走向整体应用的转变时期。紧密围绕集团公司“资源、市场、一体化、国际化”发展战略，坚持“六统一”方针，进一步加快信息化建设，消除非上市和海外等信息化建设“短板”，不断强化信息系统集中集成，深化系统应用。使信息化真正成为加强管理的重要手段，进一步提升中国石化的经营管理水平和生产管理水平。
发展规划清晰地描述了中国石化未来信息化发展思路、发展目标、建设内容和实施计划。其中，针对生产企业先进控制的建设与应用提出了明确目标：在90%的主要炼化装置上实现先进过程控制。
先进过程控制（简称APC）技术的应用是信息化在生产装置级的应用。它使石油化工生产过程控制实现革命性的突破，由原来的常规控制过渡到多变量模型预估控制，工艺生产控制更加合理、优化。先进控制技术采用科学、先进的控制理论和控制方法，以工艺过程分析和数学模型计算为核心，以工厂控制网络和管理网络为信息载体，充分发挥DCS和常规控制系统的潜力，保障生产装置始终运转在最佳状态，通过多变量协调和约束控制降低装置能耗，实现卡边操作，以获取最大的经济利益。

1 APC项目必要性
APC直接对生产装置实施优化控制策略，把效益目标直接落实到阀门，是装置进一步挖潜增效的有效手段。APC的应用不仅提高了装置的控制能力和管理水平，提升了企业的竞争能力，推动了工厂的科技进步，而且还为企业创造了可观的经济效益。国内外的成功经验和中国石化十多年来APC建设的实践充分说明了实施APC是大幅提高炼油化工装置控制水平的必然选择，是用先进信息技术改造和提升传统产业的重要手段，是炼油化工企业提高生产力水平的有效途径。
在国外石油化工领域，利用先进控制技术提高装置加工能力和高附加值产品收率已成为众多企业普遍采用的技术手段，多家公司开发成功的诸多先进控制软件在常减压、延迟焦化、催化裂化、重整等炼油装置以及聚丙烯等化工装置上成功应用后，取得了显著经济效益。自“九五”以来，中国石化通过购买国外公司先进控制软件与自行组织开发相结合，已在催化裂化、常减压、重整、焦化、聚丙烯、聚乙烯等近百套装置上应用，取得了较好的效果，经济效益显著。
2 国内外现状及发展趋势
2.1 国内现状及发展趋势
APC在国内石化企业的应用已开展了10多年，为提升企业竞争力起到了应有的作用。近几年来，中国石化在总部领导的正确领导下，落实了组织、掌握了现状、明确了思路，APC项目建设稳步推进。经过信息系统管理部、炼油事业部、化工事业部、企业和承建单位的共同努力，APC建设逐步走出低谷，开始步入良性轨道，取得了可喜的成绩。
从2006年到2011年，信息部集中组织验收了37套装置先进控制项目。先进控制在这这些装置投用后，装置的控制水平、平稳程度得到了很大提高，保证了产品质量，降低了操作人员的劳动强度。而且先进控制通过提高装置轻收，降低能耗，提高装置处理量等挖潜增效手段，提高了装置效益。
延迟焦化装置先进控制器投用后，在保证装置平稳运行的前提下，优化循环比，提高新鲜进料的处理量，综合提高加热炉效率，达到了挖潜增效、节能降耗之目的，平均每年增效约530万元。
常减压装置先进控制系统投用后，进一步提高了装置操作的平稳率，提高了加热炉热效率以及装置拔出率，实现了产品质量和能耗的卡边控制，为企业创造了可观的经济效益，500万吨/年以上的装置每年平均可创经济效益700多万元。
催化裂化装置投用先进控制后，提高了装置操作的平稳率、产品质量和产品收率，重油催化装置APC投用后还可提高掺渣比。经济效益明显，平均每年可创效益870多万元。
重整装置先进控制投用后，进一步提高了装置操作的平稳率、产品质量、产品收率，同时降低了能量消耗，平均每年可创效益770多万元。
从近几年国内APC应用情况看，APC已被大多数石油化工企业所接受。中石油、中海油也开始重视APC的推广应用，制定了相应的发展战略，投巨资进行APC的建设。
随着经济和科技的发展，先进控制的应用必将进一步得到提升和扩展：
（1） APC作为企业挖潜增效一种先进的控制手段，将会被普遍采用；其应用对象将由中小装置逐步推广到大型装置（如乙烯等）和企业全流程。
（2） APC技术应用将由生产装置区域扩展到生产罐区，实现在线自动原油调合和油品调合。
（3） 多装置区域协调优化。
2.2 国外现状及发展趋势
在国外，炼化企业的多数生产装置都采用了APC技术，其中美国重点装置的APC普及率已到达90%以上，应用APC技术的效益非常显著，投资回收期小于一年，如韩国SK公司应用APC技术,每年收益近2000万美元。根据Aspen和Honeywell的统计资料，采用APC技术后，一套750万吨/年常减压装置每年可增效270-700万美元， 250万吨/年催化裂化装置每年可增效240-540万美元，50万吨/年乙烯装置每年可增效100-500万美元，90万吨/年乙烯装置上每年可增效200-1000万美元；在聚烯烃装置上应用APC技术，可以使装置处理量增加5%、产品不合格率减少50%。
国外主要大型石油石化公司都已完成全球企业重要装置先进控制的实施。目前，先进控制软件在全世界已推广应用了4,000余套。
APC的实施，在发达国家的炼化企业中已由单元操作走向系统操作，从单元优化过渡到联合装置系统优化，甚至全流程优化。APC控制也由装置单元发展到企业的全部主要生产装置，并拓展到罐区，实现在线油品调合，减少质量过剩，缩短油品调合周期，多出高利润成品油，最大限度地为企业创造经济效益。
2.3 以中石化业务为例
中国石化从1995年以来，通过引进国外APC软件，中石化与美国艾斯本公司结盟为战略合作伙伴，采用先试点后推广的模式。先后有200多套炼油化工生产装置实施了或者正在实施APC技术。
较早时期对部分企业进行APC试点和推广的企业，取得了较好的效果，积累了一定的项目实施和开发经验，同时也培养了自己的专业技术人才。
3 PID整定的重要性
PID控制器虽然历史悠久，应用广泛，但是从它的诞生之日起，针对于控制性能改善的研究就从未间断过。经国外刊物统计，最近三十年来，关于PID整定的研究成果逐年上升。在国内，伴随着石化系统APC的推进，PID整定技术的应用正在逐渐发展。
近几年，各主流DCS厂商也在逐渐开展PID整定的工业应用，国外厂商如、AspenTech、YOKOGAWA、Honeywell、Invensys等，其相关研究和应用是具有前瞻性和先进性的。由于其技术原理相对成熟、实现起来也相对简单，国内部分高校和科研院所在这方面也自主开发了一些PID自整定软件。
预计项目实施后，将全公司主要装置的自动化率提高到90%以上；关键控制回路波动的均方差减小20%以上，降低了操作人员的劳动强度；随着自控回路的平稳性提高，装置操作平稳性也将随之提高，回路和装置的平稳性即给装置带来一定的卡边操作裕度，涉及到的回路诸如蒸汽、加热炉（燃料气）、压力等。
根据国外某咨询机构的分析，实施PID整定、先进控制和实时优化能够改善装置的平稳性带来优化的操作效益，其中PID整定约占15%，先进控制的效益为50%，实时优化的效益约为35%。