芳烃异构化装置先进控制系统的设计
张菁 张培贵 施大鹏
张菁女士，中国石化洛阳石油化工工程公司仪电室工程师；张培贵先生，中国石油吉林石化
分公司炼油厂联合芳烃车间工程师；施大鹏先生，清华大学自动化系高级工程师。
关键词：先进控制 芳烃异构化装置 软测量 状态空间模型
石油化工生产过程具有生产连续、多变量相关、
存在不可实时测量变量、时间滞后大、动态特性复
杂、难于准确建模及安全平稳性要求高等特点。先
进控制技术在石油化工过程中的应用提高了生产装
置的平稳率、处理量和目的产品的产率，可使装置
在约束的边界条件下平稳操作，具有可观的经济效
益。
异构化单元是芳烃联合装置的重要岗位，包括
反应和分馏两部分。在反应部分，贫邻二甲苯(OX)
的C8芳烃在催化剂作用下发生异构化反应，C8芳烃
4种异构体趋向热力学平衡。分馏部分从反应产物中
分离苯、甲苯和二甲苯产品。为了增强装置控制系
统的稳定性，克服干扰的影响，设计了基于机理的
异构化装置先进控制系统，该系统包括异构化反应
热软测量系统、异构化反应预测控制系统和分馏单
元预测控制系统3部分。
一 异构化反应热软测量系统
1. 反应机理
芳烃异构化反应就是在一定的温度、压力、临氢状态和催化剂作用下，将含邻二甲苯(OX)
较少的混合二甲苯转化为二甲苯4种异构体(PX、MX、OX、EB)接近平衡的催化异构过程。
本装置采用了联合油品公司(UOP)的异构化工艺，原料是贫OX的C8芳烃，基本反应有两种，
即异构化和乙苯脱烷基，生成目标产品混合二甲苯和副产品苯。主要反应为：二甲苯异构化、
乙苯转化为二甲苯和乙苯脱烷基。
2. 软测量模型
芳烃异构化反应器(DC501)为径向固定床反应器， 反应原料和循环氢经异构化加热炉
(BA501)加热后进入反应器。原控制方案为反应器入口温度—燃料气压力串级PID控制。反
应温度、催化剂活性、氢油比、停留时间以及原料组成等都影响反应深度。因此，仅仅控制
反应温度的平稳，并不能保证在任何情况下维持反应深度的平稳。
本方案用宏观反应热(单位原料在反应时所需的热量)实时衡量反应深度，由实测过程变
量和动态数学模型在线实时计算反应热，进一步实施反应热的控制，使反应深度平稳。基于
反应过程机理的宏观反应热动态数学模型为： (t)]Q-(t)Q-(t)Q(t)[Q(t)G1(t)Hednrrinr+= (1)
式中Hr(t) ——宏观反应热(kJ/kg)；
Grin(t)——反应物流量(kg/h)；
Qr(t)——反应物热量(kJ/h)；
Qn(t)——非反应物热量(kJ/h)；
Qd(t)——积蓄热(kJ/h)；
Qe(t)——其他热量(kJ/h)。
二 先进控制系统设计
1. 控制器的设计
基于催化反应过程机理和分馏过程机理建立了芳烃异构化反应器和脱庚烷塔(DA501)
的多变量协调预测控制模型。
异构化反应器的被控变量(CV)为宏观反应热和反应温度，两者所用的操纵变量(MV)和
部分状态反馈变量(SV)是相同的，在实际运行时，必须对两者进行协调。对反应热实施给定
点控制，目标是将其维持在设定值或优化值上。一般情况下，总有预估偏差存在，该CV总
是投入控制的。对反应温度实施浮动区域控制，将其维持在给定上下限限定的区域内。预估
偏差的大小用设置的多区域上下限来衡量，偏差处于最小区域内时表示无差或小偏差，处于
较大区域内为大偏差，超出上下限(最大区域)为超限。无干扰时，该CV处于最小区域内，
可不进行控制；处于大小偏差区域间时，对反应热和反应温度都进行控制，反应温度的偏差
越大，对反应温度控制作用的加权越大，对反应热的加权越小；当反应温度偏差很大或超限
时，只对反应温度进行控制(对反应热控制的加权为零)，使其不超限。
脱庚烷塔的作用是将异构化反应产物中的苯和甲苯与二甲苯分离，分离效果由灵敏板温
度控制。本系统将灵敏板温度作为被控变量，实施给定点控制。
在建立的数学模型中纳入可测干扰，如异构化反应器进料量、脱庚烷塔顶回流温度和塔
顶压力等的影响，可利用前馈－反馈控制减少它们对整个过程控制的扰动。
控制器模型中设置的控制参数见表。
2. 控制器数学描述
异构化反应系统由异构化加热炉(BA501)和异构化反应器(DC501)两个对象组成。异构
化加热炉为立式圆筒炉，异构化反应器为径向固定床反应器，从机理出发分别建立其动态模型，对模型进行简化并线性化，推导出状态空间模型中的状态方程。
根据现场情况，将DA501分成若干塔段，对各段建立动态机理模型，推导出状态方程。
由当前工况，将DA501分成3个塔段：
第1段：塔顶～3层塔板；
第2段：4～26层塔板；
第3段：27层塔板～塔底。
3. 控制系统动态模型
状态变量X=[T1 T2 T3 T4 T5 T6]T
被控变量Y=[Hr Tin Tt]T
操作变量U=[Pg FB]
干扰变量D=[FT
f Tf Ft Tt Fr Tr Pt]
根据机理模型可得到预测控制所要求的线性动态模型的状态空间描述：
X=AX+BU+FD
Y=CX
式中A、B、F、C为模型系数矩阵。
三 先进控制系统的应用
1. 系统结构
先进控制系统采用图1所示的分级控制方案。基于不可测变量在线软测量和常规PID控
制系统的先进控制系统主要目的是给出比常规PID控制更好的控制性能。 T
先进控制系统通过调整常规PID控制器的设定值，实现先进控制器的控制作用。也就
是说，PID的给定被作为先进控制的操作变量。当先进控制投用后，作为先进控制调节手段
的PID控制器的给定由先进控制调整，不再由操作员调整。操作人员通过DCS操作站操作
先进控制系统，工程师通过先进控制工作站调整系统参数。
2. 应用效果
本软测量和先进控制系统在装置在线投用几个月以来控制效果良好。
异构化反应热－反应温度先进控制系统投用后，在主要干扰循环氢流量变化较大时仍能
保持反应热的平稳，由于反应深度较为平稳，反应温度波动范围比未投用先进控制系统前减
小，保证了反应系统的稳定，也使进入精馏塔的进料成分波动范围减小，有利于精馏塔的稳
定操作。(见图2)
脱庚烷塔灵敏板温度先进控制系统投用后，被控变量灵敏板温度波动较小。(见图3)
四 结论
芳烃异构化装置实施先进控制技术，提高了操作水平，保证了装置运行的稳定性，为装
置优化、提高经济效益奠定了基础。选择基于机理的动态建模的预测方法和具有状态反馈的
多变量单值预测控制技术，免去了阶跃测试对装置正常操作的影响，并使控制具有鲁棒性强
的优点。反应热控制方案和先进控制系统在反应过程中的投用，改善了整个装置操作的平稳
性。
（全文完）
来源：《世界仪表与自动化》
出版日期：2008年1月