先进控制在石油化工行业的应用

引言

石油化工行业作为国民经济支柱产业，其生产过程的稳定性与经济性直接影响能源安全与市场竞争力。天然气处理厂作为连接上游开采与下游消费的关键环节，承担着原料气净化、组分分离及产品提质等核心任务。传统控制策略在应对复杂工况时存在响应滞后、调节精度不足等问题，而先进控制技术的引入为解决这些痛点提供了新路径。本文以天然气处理厂为研究对象，探讨先进控制在工艺优化、能效提升及安全保障等领域的实践价值。

一、先进控制技术体系与天然气处理工艺契合性

在石油化工领域，先进控制技术体系与天然气处理工艺的深度融合，正成为推动行业转型升级的关键力量。先进控制技术，涵盖模型预测控制（MPC）、自适应控制、智能优化算法等多个分支，其核心优势在于能够精准应对多变量耦合、非线性动态过程等复杂工况。而天然气处理流程，包括脱硫、脱水、分馏、液化等多个紧密关联的单元，各单元间的强关联性对控制系统的协同性和响应速度提出了极高要求。这种技术特性与工艺需求的契合性，为先进控制在天然气处理厂的应用提供了广阔空间。

以脱硫单元为例，醇胺法吸收工艺中溶液循环量与酸气负荷之间存在复杂的非线性关系。传统控制策略往往难以实现精准调节，导致酸气脱除效率波动较大。而基于机理模型的 MPC 控制器，能够实时捕捉工艺参数的变化趋势，动态优化溶液循环量。某企业应用该技术后，酸气脱除效率从 98.2% 提升至 99.5% ，同时蒸汽消耗量减少了 12% 。这一案例充分展示了先进控制在提升工艺效率和节能降耗方面的显著优势。

在脱水单元，三甘醇浓度波动是影响产品气水露点稳定性的关键因素。传统控制方法难以快速响应浓度变化，导致产品气质量不稳定。而采用模糊控制与专家系统结合的方案，能够实时监测三甘醇浓度，并根据预设规则动态调整操作参数。这一技术使得产品气水露点稳定控制在 -15‰ 以下，完全满足管输标准。这不仅提高了产品质量，还降低了因水露点超标导致的安全风险。

先进控制技术与天然气处理工艺的契合性，还体现在对全局协调能力的提升上。传统 PID 控制系统在应对原料气压力波动等复杂工况时，往往存在响应滞后、调节精度不足等问题。而 MPC 系统通过构建多变量耦合模型，能够实时预测工艺参数的变化趋势，并提前进行调节。某处理厂数据显示，当原料气压力波动 1% 时，传统 PID 控制系统需 15 分钟完成调节，而 MPC系统可在 3 分钟内实现稳定，效率提升 80% 。这种全局协调能力的提升，对于保障天然气处理厂的稳定运行具有重要意义。

二、先进控制在关键工艺环节的实践突破

1. 分馏塔群协同优化

天然气分馏涉及多塔串联操作，传统控制策略难以平衡产品纯度与能耗。引入多变量模型预测控制（MPC）后，通过构建塔板温度、回流比、压力的三维动态模型，实现了全塔热力学特性的实时预测和动态优化。例如，某处理厂应用该技术后，丙烷收率提高了 3.2% ，重沸器蒸汽消耗下降了18% ，年节约成本超千万元。这一突破表明，先进控制可突破单塔优化局限，实现全流程能效最优。

2. 液化装置动态补偿

LNG 装置在变负荷工况下易出现冷剂组分偏移，影响装置稳定运行。采用自适应前馈控制技术，通过实时计算冷剂蒸发压力与目标值的偏差，动态调整混合冷剂配比，有效解决了这一问题。某项目数据显示，在 50% -110% 负荷波动范围内，装置运行平稳率从 76% 提升至 95% ，启停次数减少60% ，设备寿命延长 30% 。这显著提升了液化装置的适应性和运行效率。

3. 火炬系统智能管控

火炬气排放既是安全隐患也是能源浪费。基于机器学习的异常检测系统，可提前 30 分钟预测放空风险，并通过优化压缩机负荷分配，将非计划

排放量降低 85% 。例如，某企业应用该系统后，年减少甲烷排放相当于节省标准煤2.3 万吨，碳减排效益显著。这一突破不仅提升了火炬系统的安全性，还实现了显著的环保效益。

由此可见，先进控制在天然气处理厂的关键工艺环节中取得了显著的实践突破，不仅提升了工艺效率和产品质量，还显著降低了能耗和排放，为天然气处理厂的稳定运行和可持续发展提供了有力支持。

三、数字化赋能下的控制架构升级

在天然气处理领域，先进控制技术的落地实施高度依赖于工业互联网基础设施的支撑。某处理厂通过构建数字孪生平台，集成了超过 2000 个测点数据，实现了对生产过程的全面感知与实时监控。该平台利用边缘计算节点，能够每秒处理百万级数据，为实时优化系统（RTO）提供了强大的数据支撑。RTO 系统基于这些数据，每 15 分钟生成一次全局最优操作参数，并直接指导DCS 系统执行，从而实现了对生产过程的精准控制。

这种数字化赋能下的控制架构升级，带来了显著的经济效益。据测算，该架构使装置自控率从 82% 提升至 98% ，操作频次下降了 70% ，人力成本减少了 40% 。同时，由于操作参数的优化，产品质量也得到了显著提升，进一步增强了企业的市场竞争力。

在网络安全层面，该处理厂采用了纵深防御体系，确保控制数据传输的可靠性。通过部署区块链加密方案，控制指令传输延迟被控制在50 毫秒以内，误码率降至 10 的负 9 次方级别。这种高安全性的数据传输机制，为先进控制技术的稳定运行提供了坚实保障。

数字化赋能下的控制架构升级，不仅提升了天然气处理厂的生产效率和产品质量，还显著降低了运营成本和安全风险。随着工业互联网技术的不断发展，这种升级将成为天然气处理行业转型升级的必然趋势。

四、挑战与未来方向

尽管先进控制已展现显著价值，但推广仍面临三重障碍：其一，工艺机理模型与数据驱动模型的融合深度不足，导致模型泛化能力受限；其二，复合型人才缺口制约技术应用深度，需培养既懂工艺又精算法的“T 型”人才；其三，国产控制系统市场占有率不足 30% ，核心技术受制于人。

未来发展方向应聚焦三方面：一是开发基于迁移学习的快速建模工具，缩短工程化周期；二是构建行业级知识图谱，实现跨企业优化经验共享；三是推进 5G+ 工业互联网与控制系统的深度融合，打造全流程自主可控的智能工厂。

五、结语

先进控制在天然气处理厂的应用，不仅解决了传统控制策略的响应滞后和调节精度不足等问题，还通过工艺优化、能效提升和安全保障，显著增强了企业的市场竞争力。数字化赋能下的控制架构升级，为先进控制技术的稳定运行提供了坚实保障。尽管面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和应用场景的拓展，先进控制技术将在石油化工行业发挥更加重要的作用，推动行业向更高水平的智能化、绿色化转型。

参考文献

[1] 张永辉, 纪红霞. 先进控制技术在炼油化工行业的应用[J]. 化工管理 ,2022(2):69-71.

[2] 黄红梅. 自动化控制技术在石油化工仪表中的应用探究[J]. 石油石化物资采购 ,2024(4):86-88.

作者简介：王润，1995 年 - 女，汉族，陕西省西安人，硕士研究生，中级工程师，主要从事仪控运维工作。