相关积分法催化裂化在线优化控制系统 本发明涉及催化裂化过程的优化控制方法，属于过程先进控制技术领域。
对催化裂化装置的优化控制采用相关积分法，在此基础上，实现了对产品收率和装置整体经济效益的闭环优化控制。
催化裂化是原油二次加工的重要装置，其过程的优化控制是进一步提高操作水平的重要手段。催化裂化过程以原油中的重组分----蜡油、常压渣油、减压渣油等为原料。在催化剂的作用下，通过裂化反应将重组分分裂成轻组分，转化为干气、液化气、汽油、柴油和焦炭等产品，未转化部分再次送回到反应器参加反应(称为回炼油)。通常催化裂化反应过程包括反应、沉降、再生、分馏和吸收稳定等步骤。进料有喷嘴进入反应管，与从再生器过来的高温催化剂混合后迅速汽化。汽化后的气体夹带着催化剂沿反应器上升，进入沉降器，在上升的同时完成吸热的裂化反应，反应中产生的焦炭附着在催化剂表面，使其失去火星。反应后的油气在沉降器内与催化剂分离，油气进入分离塔，催化剂则进入再生器烧焦。再生器是一流化床反应器，底部进主风，使催化剂流化进行烧焦反应，恢复催化剂的活性(称为再生)。再生后的催化剂沿管线经再生滑阀进入反应器循环使用，而烧焦产生的热量也由催化剂带入反应器供裂化反应用。反应后的油气在分馏塔分离，气体和汽油由塔顶出去，经冷却进入粗汽油罐，再分离为气体(富气)和液体(粗汽油)。富气和粗汽油经管线至稳定吸收部分。分馏塔分离出地轻柴油则直接由塔中抽出，油气中未转化部分(回炼油)一部分进入回炼油罐，较重的部分则落在塔底(塔底油浆)。粗汽油和富气经吸收稳定系统的稳定吸收后，最终形成干气、液化气和稳定汽油等产品。
生产过程操作优化，可以在不修改工艺、不增加生产设备的情况下，仅通过改变操作条件就可以取得明显的经济效益，不失为投资少、见效快的一种好方法，因而有着重要的研究和应用价值。
现有的催化裂化操作控制方法有：再生滑阀→反应温度(提升管出口温度)自动控制法；待生滑阀(从沉降器到再生器的催化剂管线上的控制阀)→沉降器料位自动控制法；塔底油浆抽出量调整再生器温度法等。并且有一些离线调优系统及在线微机监控或优化控制系统，例如多变量预测控制系统等。秦瑞歧在“我国催化裂化的计算机过程控制的发展”(石油炼制与化工，1994，25(5)：1-12)中综述了这些系统的特点，其核心是已有的这些催化裂化控制及调优方案是以控制反应温度为主。但事实上，由于催化裂化是一化学反应过程，对装置操作和产品分布影响最大的是反应深度，而反应温度受多种因素影响，并不能完全代表反应深度，因此用反应温度调优实际效果并不理想。为了解决这一问题。石油大学袁璞在在《催化裂化反应深度的观测与控制方法》的发明专利(申请号90108193.0)中提出了一种反应热控制方案，但因为反应热本身与原料性质关联，因此此方案不适合原料性质变化频繁的装置，同时因反应热不可测，也比较抽象，故此方案实施难度较大。
本发明的目的在于提供一种以装置的反应温度、预提升蒸汽流量、原料油换热温度、掺渣比、回炼油比、油浆回炼比、新催化剂加入量为调控变量的闭环优化控制系统。
相关积分法在线优化控制系统的基本原理是：在流程型生产装置的在线优化控制系统中，应用相关积分方法以实时测量的变量值计算优化变量与目标变量的互相关积分，并求出目标函数的梯度，进而计算出调优变量的新给定值，由装置的基本控制器实施调节，从而使目标函数在满足约束条件下达到最大，实现对生产装置的实时优化控制。
相关积分法在线优化控制系统的关键技术是相关积分理论。相关积分是一种与随机过程有关运算，在相关积分法理论中，目标函数、干扰、优化变量被视为随机过程，而优化变量为均值可控，一般地可以表达为：J~(t)=f(u~(t),p~(t),t)]]>
其中为m维均值可控的调优变量，为干扰，f为未知映射。最优目标函数定义为：J~*(t)=maxE{u~(t)}E{f[E{u~(t)},p~(t),t]}]]>
这里，为调优变量的均值，它可以是基层控制器的设定值或阀位等。对于单变量的优化问题，可以证明，在一定条件下目标函数均值对调优变量均值的梯度dEfdE{u~(t)}]]>满足下式：KuJ=KuudEfdE{u~(t)}+ϵ(t)]]>式中，ε(t)是均值为零的噪声项，而KuJ是调优变量与目标函数间的互相关积分，Kuu为调优变量自相关积分，如下所示：KuJ(T,M)=∫-MM12T∫-TTu(t-τ)J(t)dtdτ]]>Kuu(T,M)=∫-MM12T∫-TTu(t-τ)u(t)dtdτ]]>
T，M＞0为常数
上述公式中，u(t)，J(t)分别为调优变量和目标函数的测量值。可见KuJ，Kuu能够通过调优变量和目标函数的观测值计算得到，于是根据公式KuJ=KuudEfdE{u~(t)}+ϵ(t)]]>
可用最小二乘法估计目标函数的梯度dEfdE{u~(t)}.]]>
在算得目标函数的梯度后，可以用直接迭代计算调优变量的新设定值us(l+1)us(l+1)=us(l)+adEfdE{u~(l)}]]>式中，a为一个常数。
这种迭代过程在线持续进行，直至梯度为零。
对于多变量的优化问题，理论分析也可以得到类似的结果。
本发明的闭环优化控制系统为二级控制方式。优化控制器从催化裂化生产装置的DCS基本控制器中读取所须的测量信息，采用相关积分方法，每分钟计算一次各变量间的相关积分，以及各变量与目标函数间的相关积分。优化控制器根据这些相关积分值，定期计算一次调控变量的给定值送往基本控制器执行。如此循环往复，实现在线闭环优化控制，提高了装置操作的自动化程度，基本不需操作工干预，操作和维护更加容易进行。同时由于优化系统本身有故障诊断系统及一系列安全保障措施，故当装置出现以外情况，如仪表失灵等均能切换为常规控制，保障安全。图1为本发明的优化控制结构图。图2为本发明的具体实施例结构框图。
下面结合具体的实施方案及其控制过程对本发明做进一步说明。
上海炼油厂一号催化裂化的工艺流程如图3所示。总进料控制系统
从图3的工艺流程可以看到，一号催化裂化提升管反应器的总进料由蜡油+一段油，减压渣油，常压渣油，回炼油和回炼油浆五路构成。在原有的控制系统中，这五路进料由各自的单回路流量控制，互相独立。这样当其中一个流量，例如蜡油流量改变时，重要的工艺参数如掺渣比，回炼比，回炼油浆比等不能自动保持不变。
为了使优化系统能在各种工况下稳定地工作，使各重要操作参数不会相互影响，需要对原系统的反应器总进料控制进行改造。修改后的控制系统由以下子回路组成：
1. 反应器总新鲜进料量控制
2. 进料掺渣比控制
3. 回炼油比值控制
4. 回炼油浆比值控制
以上各变量能保持相互独立，其中任意一个的给定改变时，其它变量能自动保持恒定。1.反应器总新鲜进料量和掺渣比控制
反应器总新鲜进料量控制系统结构如图4所示。蜡油+一段油流量给定，减压渣油流量给定由总新鲜进料量控制计算模块计算而得。常压渣油流量给定，装置处理量和掺渣比由人工给定或来自优化控制器，总新鲜进料量控制计算模块依据常压渣油流量测量值，装置处理量给定值，掺渣比给定值计算出蜡油+一段油流量给定值和减压渣油流量给定值，其计算公式为：
减压渣油给定值＝掺渣比给定值×新鲜进料总流量给定值-0.5×常压渣油流量测量值
(蜡油+一段油)流量给定值＝(1-掺渣比给定值)×新鲜进料总流量给定值-0.5×常压渣油流量测量值
为了在操作员界面上显示总新鲜进料流量测量值和掺渣比测量值，还需对这两个量进行计算，计算公式为；
新鲜进料总流量测量值＝(蜡油+一段油)流量测量值+减压渣油流量测量值+常压渣油流量测量值
掺渣比测量值＝(减压渣油流量测量值+0.5×常压渣油流量测量值)/新鲜进料总流量测量值2. 回炼油比控制系统
回炼油比控制系统见图5。其中
新鲜进料总流量测量值＝(蜡油+一段油)流量测量值+减压渣油流量测量值+常压渣油流量测量值
回炼油比测量值＝回炼油流量测量值/新鲜进料总流量测量值
回炼油流量给定值＝回炼油比给定值×新鲜进料总流量测量值
回炼油流量给定值可由人工或由优化控制器给定。3. 回炼油浆比控制系统
回炼油浆比控制系统见图6。其中
新鲜进料总流量测量值＝(蜡油+一段油)流量测量值+减压渣油流量测量值+常压渣油流量测量值
回炼油浆比流量测量值＝回炼油浆流量测量值/新鲜进料总流量测量值
回炼油浆流量给定值＝回炼油浆比给定值×新鲜进料总流量测量值
回炼油浆流量给定值可由人工或由优化控制器给定。优化控制系统
根据目前油品销售的市场情况，考虑到催化裂化加工方案的多变性，综合一号催化裂化的目前工艺设备条件，要求整个优化系统能适应不同的加工原料和生产不同的主产品。本优化控制系统可以适应三种加工方案：
● 以液态烃为主产品的优化方案
● 以汽油为主产品的优化方案
● 以柴油为主产品的优化方案1.目标函数：在以液态烃为主产品的优化方案中，将液态烃产率作为瞬时目标函数(OBJS(t))
OBJS(t)＝液态烃流量/进装置油料流量
约束条件：柴油收率不小于25％(此值可人工设定)在以汽油为主产品的优化方案中，以汽油收率为瞬时目标函数(OBJS(t))
OBJS(t)＝汽油流量/进装置油料流量
约束条件：柴油收率不小于25％(此值可人工设定)在以柴油为主产品的优化方案中，把柴油收率取为瞬时目标函数(OBJS(t))
OBJS(t)＝柴油流量/进装置油料流量
约束条件：液态烃收率不小于9％(此值可人工设定)
其中：进装置油料流量＝蜡油流量+一段油流量+减渣油流量+常渣油流量
在实际优化时，优化目标OBJ为瞬时目标函数OBJS(t)的8小时递推平均收率，即：OBJ=18∫-8OBJS(s)ds]]>
这三个加工方案可以根据工艺调度的指令随时进行切换。2.目标函数的补偿
在优化控制系统中，其瞬时目标函数，即主产品的瞬时收率是由主产品在一个采样周期内产出的累积量除以新原料同一周期内进装置的累积量计算而得。这对于液态烃和汽油方案不成问题。但在柴油方案中，其成品柴油一部分还要用作油封等，回流到系统之中(见图4)，因此真正流出装置的柴油应减去这部分回流量。
图7中，201和202是收油罐，LD501和LD502是它们的液位。这两个罐交替收油和放油。显然，在一个数据采样周期内，按物料平衡，有：
柴油产量＝成品柴油量-回流柴油量
由于成品柴油量和回流柴油量都没有检测装置，只能通过柴油出装置累积流量计和两个收油罐的液位变化计算而得。计算公式如下：
在一个数据采样周期内：
柴油产量＝柴油出装置累积量+收油较正量
收油较正量＝0.82×π×6.62/4×0.06×(ΔLD501+ΔLD502)
式中：ΔLD501，ΔLD502分别为501和502罐液位在一个数据采样周期内的变化量。这样，
柴油方案主产品的瞬时收率＝(一个采样周期内柴油出装置累积量+收油校正量)/同一采样周期内新原
料进装置累积量3.优化变量
在选择优化变量时，主要考虑反应-再生部分工艺中的那些重要的，同时又易于控制的变量。在一号催化裂化装置中，取以下几个变量作为在线优化变量
● 提升管出口温度 (TC701)
● 预提升蒸汽流量 (FC2104)
● 原料油换热温度 (TC350)
● 掺渣比 (FB002。R003)
● 回炼油比
● 油浆回炼比
● 外排油浆量 (FC205)4.约束条件1)优化变量的约束
在优化控制系统中，为了保正安全和过程的正常运作，所有的优化变量只能在某一许可范围内变化。这种许可范围就是优化变量的约束。在本系统中，每一个优化变量都设置了上界和下界，如表1所示。考虑到这些变量的约束可能会随着装置的操作状态，优化方案而变化，它们都能通过操作员界面根据需要人工设置。
优化变量的约束条件优化变量名约束条件反应温度人工可变上界，人工可变下界预提升蒸汽流量人工可变上界，人工可变下界原料油换热温度人工可变上界，人工可变下界掺渣比人工可变上界，人工可变下界回炼油比人工可变上界，人工可变下界油浆回炼比人工可变上界，人工可变下界，分馏塔底液位规则约束外排油浆流量人工可变上界，人工可变下界，分馏塔底液位规则约束为了保证优化过程中分馏塔底液位在正常范围内变化，系统中还对油浆回炼比和外排油浆流量这两个直接影响分馏塔底液位的变量加入了规则约束。规则如下表。从该表可以看到，约束规则的原则是尽量使分馏塔底液位保持在30％到70％之间。超出范围则视情况而定是否执行优化指令。
表油浆回炼比和外排油浆流量的分馏塔底液位约束规则分馏塔底液位优化指令执行规则＜30％增加不执行指令，维持原值＜30％减少执行指令＞70％增加执行指令＞70％减少不执行指令，维持原值2)产品分布约束
在优化控制中，对主产品的优化可能会引起其它产品产率的下降。例如，在柴油优化方案中，柴油收率的增加就会造成液态烃收率的减少。而在实际生产过程中，有时会提出这样的要求：在液态烃收率不小于某个值的前提下尽可能提高柴油的收率。这种要求可视为一种约束优化。
在本优化系统中，加入了这种对产品分布的约束条件，如下表所示。
各优化方案的产品分布的约束优化方案产品分布约束条件液态烃柴油收率不小于某人工设定值汽油柴油收率不小于某人工设定值柴油液态烃收率不小于某人工设定值
上表中的约束条件的人工设定值可由工程师进行修改，或者把约束条件除去。5.控制结构
总体控制结构为二级控制方式。优化控制器从一号催化裂化的基本控制器中取得所须的测量信息，每分钟计算一次各变量间的相关积分，以及各变量与目标函数间的相关积分。优化器依据这些相关积分值，每十分钟计算一次给定值送往基本控制器执行。如此循环往复，完成在线闭环优化控制。
在优化控制器中，7个优化变量有各自可调的上下限，也能跟据具体情况将一部分变量投入手动，另一部分变量投入自动。当图7中的切换开关处于A时，优化控制器的输出与相应的调节器连通，进行优化控制。而当切换开关处于M时，相应的调节器的外给定由人工设定。6.报警与应急系统
一号催化裂化优化控制设有测量信号的异常检测系统。它每分钟巡查一次输入信号，如发现信号的不正常状况，会在操作员界面上发出报警信号，提醒操作员对相应仪表进行检查。同时，优化控制核心根据异常检测系统的检测结果，对优化控制进行重组，对受到异常测量信号影响的那些变量暂停优化，保持异常前的状态，而对不受异常测量信号影响的那些变量继续优化。当异常检测系统检测到测量信号的异常消失后，优化控制核心自动进行回复重组，恢复正常控制方式。
在装置出现紧急情况时，操作员可以起动应急系统。按动红色的应急按钮并确认后，应急系统立即将所有变量切出优化控制，同时把与优化控制有关的基本控制器从远程给定切为本地给定。把所有回路的控制权交给操作员。
当装置回复到正常状态后，操作员可按正常步骤将变量投入优化。7、操作界面设计和系统功能
在优化控制的操作界面上设计了以下的表格：NAME MEAS GRD OPT OUTPUT HI LIM LO LIM A/M ALARMTC701FC2104TC350RSID RARCYC RAOILMD RAFC205OBJCNTOPTALMFEED.SPLHC YLDGASL YLDDIES YLDFEED.M
MAXIMUM SCHEME LIQUID HYDROCARBON GASOLINE DIESEL OIL CONSTRAIN：9 CONSTRAIN：25 EMERGENCY在表中，各列的名称含义如下；NAME 优化变量的名称，其中
● TC701 提升管出口温度 (DEGC)
● FC2104 预提升蒸汽流量 (T/H)
● TC350 原料油换热温度 (DEGC)
● RSID RA 掺渣比 (％)
● RCYC RA 回炼油比 (％)
● OILMD RA 油浆回炼比 (％)
● FC205 外排油浆量 (T/H)GRD 优化梯度，是优化计算的中间结果。如为正，则该变量将上调，为负将下调。OPT 优化控制值OUTPUT 控制器输出值。该值将送往有关控制回路的外给定上。该变量可以在线人工修改。HI LIM 优化控制器高限。当实施优化控制时，被优化变量的上限值。该变量可以在线人工修改。LO LIM 优化控制器低限。当实施优化控制时，被优化变量的下限值。该变量可以在线人工修改。A/M 连通优化控制器与人工给定开关。该开关可控制个别变量是否投入优化。在开关处于A状态时，
控制器的输出(OUTPUT值)与优化器相连，送出优化控制值(OPT)到相应的控制器外给定上。如处
于M状态，则控制器的输出(OUTPUT值)由人工给定，人工修改OUTPUT值，此时如参照优化控制
值(OPT)人工修改OUTPUT，可构成开环优化指导操作。ALARM 优化变量报警器。当该栏绿灯时，变量正常，如出现红灯，则该变量监测到异常值。当A/M状态
为A时，优化系统会自动把该变量切下自动，保持当前输出值(OUTPUT)不变，但表观上A/M栏状
态不变，仍为A。OBJ 优化目标函数的当前值，每一分钟刷新一次。CNT 优化程序计数器。该数在正常情况下每一分钟加1。大到一定的上限(约485)后自动回1，周而
复始。用以监测优化器的工作状态。OPTALM 优化器报警。如为绿灯为正常，红灯报警，表示优化器监测到关键变量数据异常(如计算目标函
数的有关仪表数据异常)，优化器自动进入应急状态，各输出值(OUTPUT)保持当前值。当数据恢
复正常后，报警消失，优化器自动投入正常运行。LHC YLD 液态烃八小时积算收率。每一分钟刷新一次。计算现时起前推八小时液态烃的积算收率。GASL YLD 汽油八小时积算收率。计算现时起前推八小时汽油的积算收率。DIESYLD 柴油八小时积算收率。计算现时起前推八小时柴油的积算收率。MAXIMUM SCHEME 标题下，有三个按钮，控制优化方案。按下LIQUID HYDROCARBON按钮，优化目标为多产
液态烃。按下GASOLINE按钮，目标为多产汽油。按下DIESEL OIL为多产柴油。需要指出，这
些按钮只能在工程师环境中才能按动。LIQUID HYDROCARBON 按钮下面，有CONSTRAIN：9，为液态烃收率约束条件(9％)，该项目只有当采用柴
油优化优化方案才有效，目的是使液态烃收率大于等于9％的前题下，尽可能提高柴油的收率。该
约束条件值可在工程师环境下设定。当该约束条件值小于1％时，约束条件被取消。DIESEL OIL 按钮下面，有CONSTRAIN：25，为柴油收率约束条件(25％)，该项目只有当采用液态烃或汽
油优化优化方案才有效，目的是使柴油收率大于等于25％的前题下，尽可能提高液态烃或汽油的收
率。该约束条件值可在工程师环境下设定。当该约束条件值小于1％时，约束条件被取消。EMERGENCY 按钮只有在发生紧急情况时使用。按下此按钮并确认后，控制系统自动起动以下应急程序：
1)将各优化系统所涉及的所有控制回路设定值R切为L，即外给定切为内给定。
2)将各优化变量的A切为M，即从优化切为人工设定。
上述实施方案中的各测量信号的采集处理、优化控制器通过集散控制系统(DCS)及其上位机来实现。此方案应用在工业装置上，达到了自动调整操作变量，优化目标函数，提高装置目标产品收率的目的。对上海炼油厂90万吨/年的中型催化裂化生产装置，年经济效益为500多万元以上。