再论石化ERP和APC――兼论为工艺生产服务的自控工作者如何自主创新

Discussion on ERP and APC in Petroleum & Chemical Industry Again
――Concurrently Discussion on How to Innovation of Automatic Control Workers Service for Production Process

原中国石油化工总公司上海石油化工研究院教授级石化系统工程师 钟霖田

    摘要：制造（离散）工业ERP追求柔性加工以提高生产效率；石化（流程）加工本质是柔性的，其ERP按多级负荷分配追求最大利润；石化流程“大异小同”，以原油分馏为“龙头”的后续加工各并行支流因企业而异，致使每个石化企业的ERP主体结构所涉及的范畴均是“大异小同”，评判石化ERP是否初步成功的硬指标――真正取代公司及厂级生产人工调度而履行多级负荷分配的调度决策；石化ERP主体结构的多级负荷最优分配是“抱西瓜”，而相应的APC是“捡芝麻”；本质是多维分布参数对象是石化APC及优化项目难以收效的主因；预联锁概念的实施使ESD从“双刃”变成“单刃”而确保石化生产“安、长、稳、高”运行。

1  前言

    工业控制工程师以服务工业生产为己任，如何也能履行“自主创新”的职责？本文试图以笔者如何从石化生产控制工程师渐变成资深的石化系统工程师的经历从技术角度予以阐述。

    文献[1]是笔者在放疗至手术的休歇期间为履诺而写就的，未曾涉猎包括文献[2]～[4]一些教授、博导关于CIMS（PA）及ERP的任何文章，完全是凭借40多年在石化工业现场的研发应用的“厚积贯通”，按“庖丁解牛”从总体全局着眼予以喷薄而信手拈就，完全是“自主”。是否“创新”？至少有别于文献[2]～[4]的论述以及所依据的pudue、MOSA、GRAI/GIM及其参考文献中的观点与论述，在总体结构或框架上有很大差别。文献[1]关于石化ERP的概念、目标、范围、结构与实施等简捷、清晰的描述，曾得到中石化主管专函赞誉却研阅无下文。

    可石化ERP进行得怎样了呢？以前强推的外商APC（Advance Process Control）软件现已全废，不竟黯然担忧。文献[4]曾提及中石化推ERP又在成批买软件交下面使用，效果如何呢？笔者拟在下面进行技术分析后提出一个公认的公正的评价指标予以判评。

    无独有偶。国内一些著名高校的博导、教授们在自“七五”以来的重大科技攻关项目及“863”“973”的项目中以石化优化控制（等同于APC）的名目从国家计委（现为发改委）和科技部获得的经费之和也不相上下，但结果是随着研究生论文通过也就交帐了！可项目的实效呢？至少在石化生产现场让这些教授们扪心有愧！不禁要问：怎么立项的，又怎么审批的？原因很简单，那些头顶光环的专家权威不是不了解或碍于情面，就是大家彼此彼此。这些难道不应引起政府有关部门予以反思吗？

    是什么原因造成石化APC难以取得实效？巨额耗资的石化ERP该怎样进行下去？吉林石化爆炸的巨大损失及对环境污染造成危害引起的反思。笔者将依据自己对石化工业的“厚积薄发”，没有任何参考文献而从技术角度提出自己的观点，以供参考。这就是笔者从浩瀚的IEC资料中抽身履约写此文的目的，以尽“自主创新，探究真哲；国家富强，人人有责”的责任。

2  制造工业的CIMS或ERP追求柔性加工以提高生产效率

    制造工业的特点主要体现其加工部件发生形状及结构的变化以及按工序传送并组装，多为表观对象。其布局基本上是：除外购件（例如汽车轮胎等）外的零部件加工是并行的；而其后部件组装（例如发动机）与总装的生产线则大体上是串行的。在零、部件加工中，例如，钻孔的孔径与部位的差异就需要更换钻头及工件的部位并固定之；又如，依据客户订单的型号与颜色如何适时安排相应的壳体与调换喷漆的颜色。这既包含如何缩短零部件加工工具及加工件位置更换与固定转换时间与色调更换时间，也涉及该订货壳体准时上线安装及下线交订单的及时调度安排。这种生产线基本上是机械（器）动作，多为表观对象，多使用COM（Component Object Model）技术，其位置开关或限位开关（触点）到位（on/off）即表示动作步正常完成。当涉及更复杂的机器时，这些机器制造者提供有关运作、诊断软件成为CBA的软件组件。自动生产线基本上无人控制，而是可以自动启动/停止，其停止就包含了ESD（Emergency Shut Down）动作而无须另配ESD。总之，制造业的CIMS或ERP追求柔性操作，缩短工具更换及加工件定位时间（往往在加工中心完成零部件的加工）等等，从而缩短工时，即提高生产效率，以及按订单准时交货。

3  再论石化ERP的体系结构

    以上概要提及制造工业ERP旨在追求柔性加工以提高生产效率，这与下面论述的石化ERP本质是柔性的有本质上的区别，但前者却从理念与实施上对流程工业ERP有些错误的引导[3,4]。

    在笔者目前仅有的资料中，关于流程工业CIMS及ERP的文章已列在参考文献[2]～[6]中。文献[2]～[6]中有关石化（流程工业）ERP或CIMS或MES与笔者在[1]中所述的总体结构（或框架）有很大差别，甚至完全相左。有必要在此再论ERP！为了解这种差异，有必要将文献[1]中石化ERP之论述扼要在此重复如下。

    “石化ERP旨在定期时间内获取最大利润，其实施实质是把全企业的所有资源（物、人、财等）作为原料市场与产品市场的随动系统。……。该随动系统只有一条纵向主线：以原料子系统和产品子系统的有关信息为输入，全企业以生产活动的物流主干线形成的利润最优，而全公司的人、财、物等其它资源都应当围绕该物流主干线而配合工作。生产活动的物流分配大致是二级负荷分配：对燃料型炼厂而言是一次加工与二次加工油品及二次加工中间油品的分配；对化工型企业而言主要是制芳烃原料（油）与制乙烯原料（油）之间的分配以及乙烯（单体）制成不同聚合物之间分配；而燃料－化工型则先是燃料油品与化工料油品之间的分配，再是燃料油品的一次加工与二次加工料的分配以及化工料中的半成品－单体至聚合物之间的分配。……”

    以上石化ERP的多级负荷分配的物流加工主干线的随动系统的体系结构与文献[2]～[4]等有下列明显的差别。

    (1)  文献[2]、[3]所述的流程工业CIMS与石化ERP范围是不同的。对于流程工业而言，CIMS似乎改为CIPS更为恰当。在文献[2]中之图1所示的CIMS体系结构中，第1层战略计划层不在ERP之列。就国内石化而言，它是规划设计院履行的职责。笔者认为，ERP是对企业既有的资源而言。至于基于生命周期的提法是无分歧的，这也是软件工程惯用的思路；而在一个平台上集成，笔者提出了统一系统平台的概念与实施将会在恰当时候在此刊最先发表。有关总体设计从顶到底而实施则反之，这是没有分歧的。

    最大的差别在于目标上的差异。文献[2]在引言中有这样一段话：“流程工业CIMS面临的一个重大课题是：如何实现企业中信息的集成和利用，为各级领导、管理与生产部门提供辅助决策与优化手段（如经营决策，优化调度和优化生产），并将这些决策优化方案与对生产的实际控制联系起来……”文献[6]也提到，“影响领导坐作正确决策……”。笔者认为，如仅作辅助决策的话，在国内国有资产的现状下，石化ERP就会完全成了“摆设”。笔者提出的以原油与产品市场作输入的、以多级负荷分配的物流加工的随动系统按全局最优的决策就是“军令”，而决不是可有可无的辅助决策。领导、管理层的人为经验决策仅是同等权值的候选方案之一，由ERP计算机系统予以参照决策；诚然，在系统调试期间则加大其权值。总之，一旦ERP系统正式投运之后，其决策应无条件执行！例如，根据原油子系统的输入由ERP决定买什么原油、什么价位买，什么时候买，原油贮罐的安排等等一旦确定之后，领导管理层就照此去安排资金、人员等予以实现。领导、管理层的生产调度大权已旁落了，而资金调配、人员安排等再旁落的话，则实施ERP的非技术阻力就更大了。

    (2)  文献[3]的标题“MES－流程工业CIMS发展的关键”，笔者难以苟同。笔者认为，石化的APC等同于离散工业的MES。在多级负荷分配确定常减压分馏各并行物流的后续加工后，APC就分别确定各最佳的负荷协定值与相应的控制参数设定值（SPV，Set Point Value）。所以在笔者的多级负荷最优分配的调度决策中，物流最优分配的获益是“抱西瓜”，而随之实施的“APC”是“芝麻”（后面详述其理由）。另外，文献[3]在论及流程工业MES的体系结构中有这样的断语：“流程CIMS中，PCS层的信息集成技术已相当成熟，ERP层的理论与技术与离散工业大同小异，……。”恰好相反，笔者认为，二者连“大异小同”都不是，而是有本质上的差别，这也是在再论石化ERP中为何把属于离散工业范畴的制造工业的特点论述放在前面的原因。文献[4]中的“……如精良生产、准时制生产……”等离散工业CIMS用语生搬硬套于石化ERP中。由此看来，笔者在文献[1]中的担心不是无稽之谈：“ERP是起源于离散制造行业的CIMS，其思路与方法大多被生搬硬套形成CIPS，企图适用于连续加工，……”看来，离散工业的CIMS理念对石化ERP的影响不浅！如此，现有的流程工业CIPS或ERP软件商所推行的相关软件，大概也难以脱其臼巢。基此，笔者再次强调：离散工业的CIMS或ERP旨在追求柔性制造或加工以提高生产效率而获利；石化ERP是对本质是柔性的物流作最佳分配加工以追求最大利润！

    (3)  文献[4]更是难以理喻。“……目前传统的ERP已经到顶，取而代之的新模式―协作商务已经出现。”是这样吗？所罗列的国外厂商的ERP软件如何，似乎把这些软件买来安装、调试就可实现石化（典型的过（流）程工业）ERP，也把中石化已购买25套炼厂高级计划与排程软件PIMS……予以罗列，看来是赞扬这种作法。文献[4]中图1～图3似乎显示该文作者们已在石化（流程工业之典型）中实施成功ERP。该文作者们与所列文献的作者及文献[6]的作者，对石化流程的特点与实质的理解与笔者的理解相距较大，其中有的长期专事化学工程研发，有的虽是石化行业但基本上不是来自办公室就是来自计算机房！文献[5]的作者言明来自镇海石化的炼厂信息中心，从其本身的工作出发进行一些技术探讨是应予赞扬的，但并未议及ERP总体结构，似乎缺乏总体规划。

    大批买外商软件交下面使用（例如文献[4]提到25套PIMS软件），是否会像强推APC一样下场？文献[4]、[5]提到一著名外商软件商，笔者有所了解。其在向镇海石化化肥厂首推优化软件时还不知道该厂渣油气化造气（美国德士古专利）是怎么回事而向笔者咨询。除一些从事信息化工作者在未论及总体结构或框架的情况下，先是强调什么平台，什么数据库，什么网络，显示其专业特长与罗列什么电子商务等时髦词语之外，就是迷信国外的软件，……。把这些外商所推销的有关软件都买来能拼凑成一个最简单的纯燃料型炼厂的ERP并使之获利颇丰吗？

    文献[4]中有：“著名的国外ERP厂商宣称其生产的软件产品不仅适用于离散工业，而且适用于过程工业。”是吗？笔者可以断定，这种软件产品对石化ERP绝对是废盘！试问，有能准确预估、预测原油市场动态的软件吗？如有这种软件面市，也不要搞什么石化ERP了！仅在国际原油期货市场买进、卖出就能获丰厚得多的利润。但如大家都去买这种软件，结果是不言而喻的。笔者在文献[1]中曾指出，石化ERP既涉及一个庞大的系统工程，更涉及每个企业的经营机密，成功者会将其机密泄露吗？如有现成的软件能拼凑一个成功的石化ERP，大家都仿效之，不是像如果有能正确预估预测原油市场动态的软件一样的结果吗？勿须再言，否则有醍醐灌顶之嫌了。
 
    笔者认为，石化ERP还存在许多待探索的领域。例如，作为随动系统的两个重要输入子系统―原油输入子系统和产品市场输入子系统均是由多个随机过程变量所主宰的，尤其是前者的价位与品性的变动[注1]首先应予探究；加工过程中，间歇过程（例如氯乙烯单体的一釜一釜地聚合以及润滑油加工系统等）与连续过程的结合涉及混杂系统控制理论研究[7]，这些均有待研发。基此，笔者将文献[1]反复强调的再予郑重指出：石化ERP个性多于共性，宜逐一对待；还像高明医生那样―同症因人而需予分治！下面拟分析的即使同是燃料型炼厂也是“大异小同”。

    注1：国际原油期货行情的波动这种随机变量，绝对不符合高斯的正态分布，用数学期望与方差就可予以描述的；也不是马尔可夫或布畦松随机变量型；很明显一个因素是受国际政治气候突变的强烈影响，……；值得花重金请应用数字家予以探讨。

4  石化流程“大异小同”

    上文述及的多级负荷分配的级数划分，即使同级也因厂家互异而呈现的差别是普遍存在的，这就导致每个石化企业ERP主体构架及所涉及的范畴均是大异小同。

    所述的燃料型、化工型、燃料－化工型三种石化企业都有一个共同的特点：均是以原油的常减压分馏为源头形成多股并流的下游分支。然而，同属最“单纯”的燃料型石化企业却因常减压分馏塔的侧线数及位置的不同而有较大的差别。例如，上海炼油厂1号蒸馏装置的常压塔和减压分馏塔各有五根侧线。其常压分馏塔1#侧线出常压汽油，2#侧线出航空煤油[注2]，而用作裂解乙烯的原料油―石脑则介于1#、2#侧线油之间。如要出石脑油的话，则可作如下处置：

    1，通过塔顶回流操作，提高1#侧线油的初馏点及干点，使之符合石脑油的馏份范围而从原来的1#侧线产出；

    2，降低2#侧线油的初馏点与干点，而从原来2#侧线产出；

    3，将原来的1#常压汽油与2#的航空煤油调合成石脑油。这充分体现了石化生产本质是柔性的，完全不同于追求柔性加工的离散工业！诚然，在化工型的常压分馏塔设计中确定其第一侧线塔盘位置以专线分馏出用作裂解乙烯原料的石脑油。附带提及，军用鱼雷（快艇）用油也是出自常压分馏塔2#侧线，只是决定其馏份范围的初馏点与干点不同于航空煤油而已。上炼厂1#蒸馏的常3线出轻柴油[注2]，常4#侧线出柴油[注2]……，而其减压分馏塔各侧线油分别再作以下二次加工：作润滑油料，催化裂化（FCC）料及重油催化裂化料，加氢裂解料；而减压塔塔底出料则作延迟焦化料，在“榨出”焦化汽、柴油馏份之后变成石油焦（固体成品，实质上是间歇加工过程），成为炼高级合金钢的燃料（因为无灰份残留）或者加工成铺公路用沥青或防水涂层。

    注2：所述各侧线油均是半成品油，是作该对应成品油的调合主料。

    原同为燃料型的镇海石化炼油厂则有所不同，没有润滑油产品；其减压塔侧线出料直接供作催化裂化原料油，形成（常）减压～催化裂化联合装置。后来一部分减压侧线油作为加氢裂解料制造芳烃。而其减压塔底的渣油则是作其化肥厂的渣油气化原料。顺便提及，同样的渣油气化的装置与工艺，仅操作参数不同，在化肥厂用以制H₂及CO（CO再变换，CO＋H₂O→H₂+CO₂，H₂是合成氨原料，而CO₂是制尿素的原料），而将附产物炭黑返回重新气化；可是在制造轮胎的原料的炭黑厂却是作主产物。这充分说明石化加工的本质是柔性的。

    所谓二次加工就是将重油馏份的长C链截成短碳链的轻馏份。用催化裂化方法加工是将长碳链截成短碳链时没法接续的碳链的碳吸附在催化剂表面上，在催化剂再生时予以烧掉；而加氢裂化则在截成短碳链时从断裂处用H接续其被截断时空下来的碳链，形成上佳的加氢汽、柴油。显然，这二种使重馏份轻化的二次加工途径不一，其所涉及的原料消耗、加工设备及流程长短、所耗能源的多少、加工用时与人力投入以及设备折旧等一系列ERP应该考虑的因素也大不相同。初看起来，催化裂化的二次加工是将重馏份变轻的多余的碳烧掉而原料较费，而加氢裂化产加氢汽、柴油的二次加工似乎充分利用了重馏份油而合算。可是，这些作为加氢的H2是怎么来的？仅靠初顶汽油进行铂（催化剂）重整（将轻馏份的短碳链接续）而出高辛烷值汽油的调合料的同时副产品―H2是远不够的，必须用（轻）柴油作原料按合成氨制H2的流程制造出来，其所涉及的工时、能耗、成本等等均需予以考虑。另外，据悉同为ERP试点的上海炼油厂与镇海炼厂还有两处很大的差异。同为减底渣油进行二次加工，上海炼油厂的延迟焦化的支流流程要远远短于镇海炼厂作化肥厂的原料，后者已成一个独立分支应在镇海石化全公司ERP整体中予以考虑。再者，同是加氢裂化的二次加工，使用不同的催化剂、不同的（原料）馏份油及不同的操作条件（例如温度、压力等），镇海炼厂的加氢裂化出料是芳烃料，而上炼是加氢的汽、柴油（主调料）。这又显示了石化制造加工本质是柔性的。

    芳烃中的甲苯经歧化（反应）处理变成同分异构的对二甲苯、邻二甲苯、间二甲苯，因其共沸点而难以用常见的汽?液相变分离的方法分离，而必须借助模拟移动床用分子筛液相分离。总之，芳烃加工这一流程已不是炼厂的二次加工流程之分支的“尾巴”，而是“尾大不掉”已独立成镇海石化ERP的另一分支了！原同为燃料型的上海炼油厂与镇海炼厂的流程都是如此“大异小同”，那么化工型怎么样呢？

    在制备乙烯单体过程中，常压一线的石脑油被过热蒸汽所雾化，后在裂解炉（管）中迅速升温进行（热）裂解（无催化剂）后急冷予以分离、压缩至烯烃厂储罐（储存乙烯单体），该乙烯单体由该石化公司的ERP按获最大利润的决策分配各并行的下游支流的负荷―所用的乙烯单体流量，分别进行聚乙烯、聚乙烯醇、苯乙烯（单体）、氯乙烯（单体）等加工。石脑油被过热蒸汽所雾化主要作用是：降低石脑油分压以便在加热至较低温度就可被裂解；另外是保护裂解炉管，减缓其管壁上的“结炭”从而延长乙烯裂解炉的“清焦”间隔，也就是说该乙烯裂解炉的运行时间得以延长。如果裂解前升温延缓一些或裂解气（汽）分离前急冷不够，不是主反应产物乙烯不够就是继续裂解而形成其它付产物居多！这充分说明石化加工本质是柔性的，甚至是太柔性了！

    苯乙烯单体则需由乙烯（单体）与苯作原料在六层差分式反应器中逐层进行差分式进料[注3]进行苯烃化反应先产出乙苯，由乙苯经脱氢反应后才得到苯乙烯单体；较之聚乙烯支流程要长得多！而氯乙烯单体制备流程可能还长一些；况且氯（气）来自电解工业盐的电化分厂。扬子石化无聚氯乙烯产品；上海石化则将其转给上海氯碱总厂；齐鲁石化则把电化分厂予以纳入。电解工业盐的另一个主产品之一―氢氧化钠（纯碱或苛性钠Na(OH)）的制备流程、储存、销售等又自成一个独立的支流，这又是该石化企业之ERP必须综合考虑的“自治领地”。

    注3：现行的汽相法苯烃化反应流程均源自Mobil（美孚石油）公司，笔者对其反应器系统在流程上进行了改进，已经申报了实用新型专利（申请号为200320041468.6）。在此点明，主要是说明石化自控工作者，一旦深入了解工艺，甚至比工艺人员还懂工艺，要达到“自主创新”就没什么高不可攀的。

    以上仅是石化流程多样性之“冰山一角”！同为燃料型的上炼与镇海炼厂的流程尚有如此大的差异，所以各石化企所拟建的ERP当然是“大异小同”而必须予以区别对待，岂能不管“三七二十一”统一买一批相同的软件[4]予以对付么？无视各石化企业流程、所用原油及产品等的“大异小同”的特点而予以统一处理，笔者不禁怀疑对实施ERP有否总体规划？至少，由信息中心以信息化为主体来实施ERP似乎欠妥。

    上述石化流程各企业是“大异小同”，相应的ERP实施是否已初具就由“小同”来评判而形成一个共同的硬指标：所实施的ERP是否已取代了原来公司及厂级的人工调度！如没有取代，则已历时多年且已耗之巨资俱付东流；如若表面是ERP调度，而实际是背后由原调度人员通过网络输入指令与数据，则必须打假！因为：“国家富强，人人有责！

5  石化流程的特点

    (1)  石化流程都是在一组假定条件（例如产品的品种与产量，原料（油）的品位等）按稳态的物料衡算与热量衡算予以确定的。在上世纪70年代，提出了按一滴原油的分析数据再结合投资规模以及当时设备制造能力和市场估计等就可确定整个石化流程的布局，这就相应于文献[2]所提及的运用概念设计法的战略计划层。笔者认为，先是由布局决策按物料衡算予以初定，然后按热量衡算予以核定；例如催化裂化加工的附产物―（液化）石油气或泛称炼厂气既是全厂乃至全企业的热源网之重要燃料，又是一种车用燃料（LPG）作为产品予以销售。然而，其产量决定于FCC的产量。由此可以推论，这种物料衡算并与其息息相关的热量衡算必须按优化指标反复迭代至收敛点―稳态平衡点。无疑，这种稳态平衡点，既包括了作最优的多级负荷的分配，也包括了各支流的最佳负荷与相应的操作参数（例如反应温度、压力、空速等等），处于这种稳态平衡点，企业获利最优。而一旦偏离原定的条件，例如原油的品位变化，某种产品需求及价位的变化等，就要按新的条件（输入）由ERP寻求新的稳态平衡点寻求最大利润。至于偏离原定的条件到多少，即原料市场与产品市场两个输入子系统变化到多大时才启动ERP这个庞大的随动系统，这就等同于文献[1]所提及的该ERP的稳定性与灵敏度的权衡折衷的问题，既涉及到企业经营策略，更涉及到一些支流加工，例如聚氯乙烯产品支流或加氢裂化支流，乃至整个ERP系统的动力学的处理；因为每个支流所涉及的加工时间与平衡稳定时间与难度是大不相同的。能有现成的软件解决这个问题吗？据笔者所知，现有ERP的软件开发者，大多乃至全是化学工程方面的行家，他们的行业特点是基本上不考虑动态平衡的，以致笔者怀疑所提出这类问题是否被意识到乃至理解。

    (2)  石化流程主要涉及两种加工过程：

    一是发生物性改变的化学反应过程；

    另一是分离（净化或提纯）过程。当被分离的物质是同分异构体的话，则用分子筛进行物理分离（像色谱仪那样对被分离的物质吸附后按时序并逐一解析）。常见的是在二元精馏塔或多侧线分馏塔内借助于物态发生相变予以实施的。无论是哪种过程，均伴有巨大的热量转移，以致大多数过程常在高（低）温度/高（负）压下的大容量塔器内进行。为了降低能耗，不但大多数生产设备（反应器或分离用塔群）本身的入口物流与出口物流进行换热；而且全厂性能源网（蒸汽、燃气）将整个流程各生产装置首尾勾连。这不仅造成单套装置（设备）内部的反馈（大多是正反馈），加剧其热不稳定性而造成飞温（温度失控），甚至有关ESD动作而停车；而且还造成一个工段各设备之间甚或整个流程各工段之间的相互关联。

    顾及到各设备运行周期不一致，（例如大型化肥厂的尿素塔钛衬底常需检修而使其运行周期比合成氨部分短）；另外顾及生产安全（常处于易燃易爆环境）而将整个工艺（支）流程划分成若干个工段，各工段之间常以储罐为分界线，一个工段就是一套生产装置或生产单元，基本上减轻了各工段之间的互相耦合关联。但即使这样，像电网电压常有波动一样，全厂性能源（及/或燃料）网压力波动的影响还是存在的，而每个工段内各设备本身的内部反馈（例如进、出口物流的换热所引起的）及设备之间的耦合仍存在，所以应对一个工段内各设备有关参数进行整体平稳控制和描述。

(3)  为了生产安全常配备ESD

    由于生产流程长、容量大且其中有些装置对其内的温度、压力变化限速且整个流程达成稳态平衡后才能正常生产运行（例如开动FCC，在投料前让催化剂活化及流化至运行状态耗时约36小时左右），一个石化分厂不但开工时间长而且有专用的开工流程（管线）―费时、费料、耗能，正常运行后力求长时间稳定运行。然而，由于常处于高温、高压及易燃、易爆的环境，当发生事故或异常到需停车时必须停车，以短时的停车损失避免毁灭性灾难，这时则仰仗于“消防队”――ESD（紧急停车装置）。

    但是，ESD是把“双刃剑”，在装置投运之初或未能很好调整时，常会在不应停车时也会自动停车，例如国内在上世纪70年代末引进的13套大化肥的一段转化炉的水碳比ESD就是如此，导致操作工常把其旁路“挂起”，如何解决这种“双刃剑”的问题，就是石化生产（尤其在新的生产流程投运初期）面临的实际问题，能避免意外停车，其实效要远远大于APC或优化项目。这个问题先不予解决，石化ERP就免提了吧。忆及吉林石化一厂爆炸所造成的影响及波及面，笔者将在后面议及预联锁时解决这个问题。

(4)  石化生产装置（设备）是大容量的多维的分布参数对象

    石化生产装置（设备）常见的仅两种―反应器和分离设备，它们大多都是大容量的、多维的分布参数对象。

    石化生产中的化学反应除热裂解、酸碱中和等反应之外，大多都是在催化剂作用下发生的。热裂解反应有：石脑油在被过热蒸汽雾化后被裂解成乙烯等烃类物质；减底渣油被10MP高压、高温的过热蒸汽雾化后被10MP的高压液态氧燃烧高达1500℃左右高温被裂解为CO、H₂及炭黑等。在催化剂作用下的大多是气相反应，按催化剂使用的方式不同大致可分为三种：

    (1) 固定床反应器，例如加氢裂化反应器，制乙苯的苯烃化反应器及乙苯脱氢制苯乙烯反应器，下面将述及的一段转化炉反应器等；

    (2) 流化床反应器，例如催化裂反应器（FCC），制备丙稀腈的反应器（其催化剂再生与反应在一个塔体内进行）等等；

    (3) 高效催化剂纳于产品之中的单体聚合反应，例如聚乙烯、聚丙烯等。

    以固定床反应器为例，大多为圆筒型或直柱型；内填催化剂，反应物在催化剂颗粒内空间（产生吸附还是分子碰撞等至今尚未明确的微观机理）发生化学反应变成产物的同时伴随有热量的转移。这些产物与尚未反应的反应物沿固定床层下移的同时，未反应的反应物继续在不同的浓度与温度下继续反应同时也产生反应热（放热或吸热），直至出口。这样，产物的浓度沿着床层下移逐渐积累而呈现为积分型反应（器）。然而，阿累尼斯方程表明：当产物随床层的深入（增加）而增加和反应物浓度随之降低的同时，其反应的推动力按指数型曲线减小，即反应速度也随之下降，伴生的反应热也发生相应的变化，致使反应温度也沿床层变化而形成沿反应床层的轴向分布。此外，催化剂活性是其所处的温度和实际空速的函数，亦即反应速度会受到实际的温度与空速的影响而为函数关系，这种类似的“先有鸡、还是先有蛋？”的争论则难分伯仲。至少在反应床层沿径向的空速（与物料负荷息息相关）也是不一样，何况这还直接取决于催化剂装填（乱堆）情况，致使沿床层径向存在反应物、产物及反应温度的分布。而催化剂在装填入反应器内之后还要从钝化状态予以激活（一般约需24小时以上）后，其活性随时间还有一个从上升到衰退的渐变过程。

    就常见的，用液?汽相变实施的物质分离的塔器而言，其本身就是依靠从塔顶温度到塔底温度的由低至高的温度变化，使低沸点的“轻”物质从顶（或上）部馏出，高沸点的“重”物质由底（下）部馏出。多侧线的常、减压分馏塔对本质是复杂的混合物的原油分馏就是依靠沿塔轴向（纵向或顶－底向）的不同温度分布实施分馏的，唯一不同的是采用专用的浮阀塔盘，每块塔盘上的各浮阀开启程度随物流的流量（或流速）而定，显然有明显的非线性特性。过去常见的用于二元精馏的泡罩、筛板等塔型现多被填料塔所取代。在填料塔中的填料基本上是乱堆的，这就造成流经填料的汽、液相物质接触时所发生传热伴随传质的分离过程无以从微观上逐一描述（例如，过去对二元精馏塔的逐板计算等），而只能从宏观上安装温度计予以检测。用填料取代固定型的塔板就是增加了被分离物质的汽、相接触面积而易于分离，其沿塔的轴向的温度分布是不言而喻的，而沿径向的温度分布肯定也是存在的，但难以说清楚，因为在乱堆的填料内及填料间的汽、液流动无以定量描述。

    不言而喻，无论是发生物性变化的化学反应还是发生物态变化的物理分离或净化、提纯加工，如能对其馏出物进行组份控制则是最为理想的。然而，现在用的工业分析仪器大多难以长期进行在线的快速分析、检测，故只能按其能予检测到的温度、压力、流量、液（料）位予以间接控制；而且只能在有限位置安排若干个在一定条件下有代表的测点对这些参数进行检测，诸如所谓热点、敏点的温度检测。而据此测量点的测量值（集中参数的测量值）进行数学描述――数学模型。稳态条件下的这种数学模型就是APC或名校博导、教授们赖以进行“优化”的基础；其动态条件下的数学模型常以“二阶加纯滞后”予以描述，例如，（下面拟描述的一段转化炉）反应器的温度（T）作为控制对象，其动态特性燃料量～反应器出口温度之间动态特性常用拉氏变换式表示为：

   

    其中，K为放大系数；T₁、T₂代表（反应器的出口温度）容量滞后的时间常数；τ代表加热燃料的变化至反应器出口温度变化的）传递滞后，即纯滞后。

    显然，K、T₁、T₂、τ既与反应器容量、反应物、产物的等容（压）比热、千克分子反应热（吸热）、生产负荷等密切相关，而且与燃料的发热值与传热状况息息相关，其与生产负荷呈现明显的非线性，以致一般都有这样概念：石化产品的单位产品能耗随其产量的增加而降低。乙烯工业从14万吨/年→30万吨/年→60万吨/年→90万吨/年就是例证。

    这种用集中参数来定量描述实质是多维的、时变的分布参数的对象，只能在一定条件下被无奈而差强人意地予以接受。但是，在笔者刚开始工作时，还是奉作“圣条”，在生产现场进行过影响生产的加阶扰动的动态测试；虽然，后来改为用“伪随机码”对生产工况影响相对较小的动态测试，但发觉其对现场使用意义不大而不再进行何现场测试了。凭借现场经验的积累和对石化生产本质的理解加深，仅是在确定方案比较及投运前的仿真演练时予以采用，其中K、τ、T₁、T₂都是根据具体（对象）设备予以假定，而绝不作为整定参数的依据。

    石化流程以上的特点，大概在有关刊物和书籍中少有直接描述，笔者完全是凭多年的对石化生产的不断理解予以描述。其中有关石化的对象大多是多维的分布参数对象的描述基本上出自于石化控制角度的审视结果。石化生产设备多为多维分布参数对象就是下面拟分析的石化APC或优化难以取得实效的主要原因。

6  石化APC或优化难以取得实效的原因及可能的对策

    (1)  把实质上是多维的分布参数对象“无奈地”用集中参数对象予以描述，已经差强人意了！

    (2)  有关APC或优化均是在稳态条件下成立的，实际的生产运行状况是否常保持在稳定平衡的状态下？这既涉及到实际生产设备的基础控制是否平稳，也涉及到实际运行条件难以平稳在这些APC或优化软件所能承受的波动范围之内，（例如下面实例中要描述的一段转化炉出口温度控制）。前者涉及APC或优化的基础条件是否具备并长久保持，后者则根本不具备APC或稳态优化的条件。

    (3)  石化流程本身就是在一组假定条件（或状态下）按优化指标予以设计的，只是在偏离这些假定条件下由APC或稳态优化寻找新的可控（可操作）的参数的工作点使之达到优化（或次优）指标。显然，即使达到这种稳态优化状态，其效益也是非常有限的。所以即使APC或稳态优化有所效益相对于多级负荷分配“抱西瓜”而言是“捡芝麻”。据此，一些“聪明”的教授、博导们在国家攻关项目中的收益大多是“0.5％”。低于0.5％则收效太小而争取不到项目，高于0.5％则达不到而难以交帐；而不多不少0.5％是不会露“马脚”的，因为工业计测仪表的精度多是0.5％，显示不出实际收效也是精度范围之外而可以蒙混过关！

    (4)  APC或优化软件编制者对所描述的工艺对象是否有真正的理解与认知？例如，前面所述及的石化流程各工段或生产单元因内部存在关联而应予以整体考虑，其工作量与研发范围显然要比单个设备（例如FCC的反应－再生部分）要大得多，不是一届研究生所担负得了的，而下一届研究生不愿重复上一届研究生的课题则是合理的惯例而情有可原。这当然难以取得实效了！某名校博导，“九五”期间曾获得国家八位数投资的攻关项目――FCC优化项目，是否取得实效无以恭维，但只要观察一下该炼厂FCC单元的回炼比有否降低及降低了多少，便直接得知有否实效了！

    (5)  一些APC或优化软件可能使用到多变量预估预测方法，但是归根结底还是要使用现场设备所使用固定位置安装的检测仪表的实测数据。而前已述及当实际运行条件偏离原设计的条件较远时，这些定点测量值本身就失去代表性而成为“瞎子点灯”了！可能会辩解说，有模型辨识与修正。对此，笔者奉劝一句话，不深入了解工艺，一切数学方法都会成为数学游戏！君不见，神经元网络法曾铺天盖地充塞于几乎所有有关刊物，现在似乎有点“偃旗息鼓”了。笔者对该方法稍作了解后，就得出这样的结论：“在概念上，这是有反馈的最小二乘法。”居然得到刚毕业的博士助手的认同（约10年前）。总之，不深入了解具体工艺，一切APC和优化方法都是徒劳的。
   
    综上所述，可能给读者诸君造成一个错觉，认为笔者是在全盘否定石化APC及优化。非也，结合各企业的具体工艺条件并深入了解并认知以后逐一实施，在下面一节叙述的合成氨厂一段转化炉的水碳比控制，三个厂家不同的具体条件就做了三种不同的方案予以处理，取得了实效。对于石化APC及优化要取得长久的实效，笔者认为应采取以下对策。
 
    (1)  深入现场，彻底了解工艺，根据不同的工况，例如高、中、低负荷下（直接涉及决定催化剂活性的自变量之一的实际空速以及填料内、外的汽、液流速）的稳态数据逐一建立模型，并确定各自在稳态和某些参数动态波动下的适用范围，届时根据具体工况予以自动切换或人工切换，这也是ERP按多级负荷分配所要求的：按ERP决策，利润大的产品对应的生产支流程可能满负荷甚至超负荷，而利润少甚或亏本的产品对应的生产支流程是低负荷甚至关停。至于根据模型的优化方法就勿须多言了。再一次强调：一是深入了解工艺，甚至比工艺人员还要深入；二是从一个工段或一套生产装置整体考虑，例如FCC，不仅考虑反应一再生部分，后续的分离与稳定塔群等要一体考虑，因为考核其效益的“回流比”是直接取决于后者的返回量（回炼量）。显然，工作的难度与重度要大许多，仅由研究生作“蜻蜓点水”下现场满足其论文要求即可是无以交帐的！

    (2) 建立一支专业队伍。其中，现场的专业人员是主角，除负责日常维护之外，必须保证对应生产装置长久平稳运行，这既必须对基本控制回路予以恰当处理，例如控制方案；也包括参数整定。相应的APC与优化软件的维护与调整、操作，应尽可能吸收工艺技术人员参与。诚然，集团公司应聘一些既有真才实学、又有丰富现场经验的石化“老把式”的专家作为顾问，随时应下面企业的要求予以指导、处置。无疑，这就是[1]中所提及的“……带出一支技术专业队伍。”没有这种专业技术人才作后援，再先进的技术也是难以持久的！成批买软件交付下面使用能建立这种技术队伍吗？

7  实例

    由烃类原料制H₂的流程既常见于大型氨厂，也常见于石化厂的加氢裂解制H₂。这种烃类原料在炼厂多为轻柴油，在化肥厂大多是天然气或油田气。这种制H₂装置在化肥厂通称为一段转化炉，之所以称转化炉是如图1所示转化反应器在炉子里；它是大型化肥厂的“心脏”，不但体积最大，而且13套大化肥引进时频繁发生联锁跳车而波及正常生产。笔者先后在四川化工厂、大庆化肥厂及齐鲁石化第二化肥厂成功地解决了这个问题。四川化工厂的原料是天然气，成份比较稳定；大庆化肥厂则使用大庆油田的油田气，成份也比较稳定；而齐鲁二化虽使用胜利油田的油田气，但油田常启动冷冻装置将其中的丙烷（）抽走，而使至化肥厂的原料气的有效含碳的浓度从102％→120％大幅度变化而困扰该厂正常生产运行。应厂家要求，笔者成功地解决了问题，详情请见文献[8]。这套水碳比预联锁智能型系统是1989年5月下旬正式投运的，一直平稳运行至今已达17年了，期间未曾发生过一次因水碳比值及透平103J的防喘振跳车，而每小时可节减4～5吨中压（4MP）蒸汽，可以说是相当成功的吧！相反，同时投运的一段炉出口温度（实际是转化器集结管出口温度）控制系统尽管采取了负荷前馈及燃料燃值计算等方法，却常在780℃±8℃之间波动，难免差强人意。究其原因，恰恰验证了6中的论述。

烷烃类与水蒸汽地转化反应如下：

    CH₄(甲烷)＋H₂O＋Q₀(反应热，吸热)→CO＋3H₂

    C₂H₆(乙烷)＋2H₂O＋2Q₀(反应热，吸热)→2CO＋5H₂

    C₃H₈(丙烷)＋3H₂O＋3Q₀(反应热，吸热)→3CO＋7H₂

    工艺流程大致如下：脱硫后的油田气经高压透平压缩机升压至4.0MP后在汇合点与来自4.0MP的蒸汽管网的中压蒸汽按要求的比例（水/碳比值）汇合后进入转化炉管（排）。每根转化炉管的内径约12cm，长度15米，系特种高质合金钢铸成。每根转化炉管内均装填有催化剂，形成直柱式固定床反应器。每排有40根炉管，共有10排计400根炉管，共有11排火咀燃烧供热，两排火咀夹一排炉管；中间的每排火咀系顶、底两排，火苗中心在顶层下（底上）的5米左右，全是人工手动（阀）调节。为充分利用热量，一段转化炉内（顶）有一辅助锅炉产生11MP的高压蒸汽驱动高压透平压缩机101J～103J（原料气压缩机），其泛汽供4.0MP左右的中压蒸汽管网作全厂能源网之一，驱动泵、一段炉的原料之一的供汽（约占全厂用汽的1/3）以及尿素用汽（占总量的1/3）。这种蒸汽自产（半）自用的状况构成了装置内部的正反馈[8]。（因为按照物料衡算与热量衡算，负荷量（油田气kNm³/h）变化是作为出口温度（串级）系统内环的燃料流量控制回路的前馈量予以引入的，当负荷量减小时其供热量也相应减少而致产汽量也随之减少！）。

    一段转化炉一般主要有两个控制参数：一是入炉管的原料气与水蒸汽形成的混和气的水碳比值（公斤水分子/公斤碳原子），另一是转化气的出口温度（图1中的T）。初看起来，这是非常简单的常规控制而无须“杀鸡用牛刀”，但实际并非如此。曾列为上海十大青年科技精英的某博导、教授因在某厂现场导致水/碳比联锁动作而导致全厂停车的事故属重大操作事故，当即被上报至石化总公司的总调度。

    转化炉管内的催化剂对反应物的水/碳比值十分敏感。当这个比值（公斤水分子/公斤碳原子）≤1.5并维持7秒钟以上时即联锁跳车（实际跳车联锁值≤2.5，是加上了后续脱碳CO+H₂O→CO₂＋H₂的一个水分子）；否则，触媒会被永久性结炭而板结成块，不但其活性丧失，而且堵塞炉管，要用钢钎逐一凿通，其后果可想而知。从上面的转化反应可知，1个甲烷只需1个水分子，而1个丙烷则需配3个水分子。对二化肥而言，油田的冷冻装置的启停是随意而不通知的，其原料气的有效碳含量（CO₂除外，但占量极小）则随机地在102％～120％之间波动。面对这种情况当按102%配蒸汽量时则一旦升至120%时会造成水碳比过低，不是脱碳缺水，就是可能导致联锁跳车；当按120%配蒸汽量时则不但能耗大增而且因反应炉管内的有效空间被蒸汽所占而影响产量。在厂方用一台在线的工业色谱仪对混合气的水/碳（比值）进行实时在线分析测量的前提下，笔者在深入了解工艺之后设计了一套“兼具预联锁的智能型水碳比值控制系统”[8]。其中，既包含了区分了标称负荷（kNm³/h）和实际的质量流量的实际负荷（公斤碳原子/小时）的计算与加/减负荷时运用与实际水碳比值的计算,也包括了后续驰放气中返氢量从脱硫后加至原料气中予以等量扣除（因为返氢不参与一段转化反应），致使当场人工取样分析的水/碳（比值）与DCS所显示的水/碳（比值）吻合至小数点后第二位，才得到厂方认可！这仅仅只解决了原料气有效成份波动所带来的问题。

    围绕一段转化炉的水/碳（比值）的控制，原设计有三个联锁动作，

    一是原料气流量过低（因负荷低生产时能耗太大）的联锁；

    二是原料气压缩机（103-J）的防喘振联锁；

    三是入转化炉管的混合气之实测水/碳≤2.5且持续到7秒钟的联锁动作。后者由原料气有效含碳量大幅上升的诱发因素虽已按上述予以摆平；但是因4MP中压蒸汽管网的压力闪络式下跌（例如，尿素启动开车等突然使管网负荷大增而造成的如电网电压样的闪络），致使在会合点（图1中A），入炉蒸汽被仍是4.0MP的原料气所堵挤而使入炉的水/碳比值迅速下降而诱发联锁跳车。这时就必须自动启动预联锁方案，按[8]所述，当实际水/碳比值下降至2.7左右时，则自动减小原料阀（I）的开度，即减小全厂负荷（标称），使阀I的压降增大，直至在会合点A处的原料气与蒸汽压力相等使实测水/碳（比值）迅即回升为度。亦即，在正常状况下，只调节蒸汽量而不动原料气（阀）量，因为后者标志全厂的负荷，只有待水/碳（比值）因蒸汽网压力突降而下降至联锁值前的预定点时才预先减小原料阀（I）的开度而避免联锁动作，这就是预联锁概念！可能是笔者率先提出并成功应用于现场。与此同时，还要考虑其它因素，例如，当此处实施预联锁而关小原料阀I时，速度不宜过快，否则会导致透平压缩机103-J喘振跳车而前功尽弃；再者，原来的原料气量过低的联锁应取消而永远不用。可能有人会问，这会不会使一段转化炉内部产生正反馈而导致熄火。一般不会！原因有是：一方面炉子的热容量大，这种短时影响基本上被“滤”掉了；另外是中压蒸汽管网的压力闪络式下跌是非常短暂的！

    显然，采用预联锁措施，可使ESD的“双刃”变成“单刃”而不会被“挂起”了，吉林石化爆炸事件可免之。

    一段炉出口温度的平稳控制则差强人意，其原因是：

    (1) 典型的分布参数对象；

    (2) 缺乏检测、控制手段，不但每根炉管内无法装热电偶，就连每一排（40根炉管）的集气管都没有检测点，仅在总集气管出口处有一热电偶作测量及反馈变量；燃料控制仅供气总管有流量及脱火/失火的控制之外，每排火咀全是手动阀由人工控制供气量及火苗中心的高度。显然，出口炉温难以平稳是“巧妇难为无米之炊！”

齐鲁二化的一段转化的水/碳比的智能型预联锁控制完全取得成功归因于以下几点：

    (1)  水/碳比值是一个集中参数而绝非分布参数；

    (2)  对工艺的深入、彻底了解，尤其是标称负荷与实际负荷的往返准确折算与返氢量扣除的精准计算；

    (3)  现场的精心维护与保持。该厂现任仪表车间主任就是参与实施这套控制方案的，尤以中压蒸汽流量单回路的参数整定，全是靠其摆平的。顺便提及，这种管网的压力波动将波及全厂，必须十分小心谨慎。

    附带告知，笔者当时是在化工部化工研究院与该厂签订的合同（仅4万元），厂方认可后才付款的。相形之下，那些名校博导、教授们以石化优化项目为名从国家获取8位数的经费却在评审代表报到时送上签名费而轻易过关，实效呢？又，由上面成批买软件交下面使用，有这种效果吗？

8  石化ERP应怎样设计实施

    见[1]。欲详，“现场搭脉后，再开处方”。

    后记：曾备受原东家歧视的笔者却领受在全球500强排位较其少了个“0”的外国大公司投书求教，在[1]中曾坦言就建石化ERP技术统领一职愿响应国内外任何人挑战，以答谢石化事业40多年的培育。没能获得机会，就以此文略尽绵薄；好在还有另一高新技术领域的混乱局面，有待“玉宇澄清”，以扬国威。

参考文献：

    [1] 钟霖田. 从FCS统一系统平台到石化ERP[J]. 自动化博览, 2003,20(3):6-13.

    [2] 王凌,王雄,金以慧,萧德云. 基于生命周期和集成平台思想的流程工业CIMS体系结构[J]. 化工自动化与仪表, 2001(1):1-4.[国家863攻关项目(863-511-930-001)]

    [3] 王凌,王雄,金以慧. MES―流程工业CIMS的发展关键[J]. 化工自动化与仪表, 2001(4):1-4.

    [4] 曾敏刚, 尹清华, 解新安, 华贲. ERP技术在过程工业的应用研究[J]. 化工自动化与仪表, 2002(1):8-12.[基金项目(79931000)、国家重点基础发展规划研究项目(G20000263资助)]

    [5] 张光庭. 炼油企业CIMS技术探讨[J]. 化工自动化与仪表, 2001(5):9-13.

    [6] 王景芳. 炼油化工企业CIMS建设总体框架[J]. 化工自动化与仪表, 2003(1):1-3.

    [7] 李秀改, 岳红, 高东杰. 复杂工业过程新型控制方法―混杂系统控制理论的研究[J]. 化工自动化与仪表, 2001(5):1-8.

    [8] 钟霖田. 兼具预联锁的智能型水碳比值控制系统的实施[J]. 炼油化工自动化, 1991(4):2-7.