陳 艷

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

在常規(guī)油氣田地面工程設(shè)計(jì)中，單回路控制方案解決了大量的定值控制問題。但是隨著工程規(guī)模的擴(kuò)大，其復(fù)雜程度越來越高，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高，簡單控制方案已經(jīng)不能滿足要求。

在單回路控制方案的基礎(chǔ)上，復(fù)雜控制方案往往能發(fā)揮關(guān)鍵作用。常見的復(fù)雜控制方案包括串級控制、比值控制、選擇控制、分程控制、前饋控制、超馳控制、壓縮機(jī)防喘振及負(fù)荷分配控制等。在此，筆者就串級控制和壓縮機(jī)防喘振控制的特點(diǎn)及其應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題加以闡述。

1 串級控制系統(tǒng)①

由兩臺控制器串聯(lián)在一起，控制一個調(diào)節(jié)閥，就構(gòu)成了最簡單的串級控制回路，如圖1所示。

圖1 一般串級控制回路

以加熱爐出口溫度控制為例，常規(guī)單回路控制方案及其反應(yīng)時(shí)間分析如圖2所示。

圖2 加熱爐出口溫度單回路控制及其反應(yīng)時(shí)間分析

經(jīng)分析，受燃料油組分、油壓，噴油用過熱蒸汽壓力，被加熱油料流量、溫度，配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)四大因素的擾動，致使控制通道容量滯后很大，控制緩慢[1]。雖然所有對溫度的干擾都包括在控制回路中，但對燃油流量變化等干擾控制不及時(shí)，總滯后較大。如果改用如圖3所示的串級控制方案，在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化量，就能夠解決上述控制不及時(shí)的問題了。

圖3 加熱爐出口溫度串級控制及其反應(yīng)時(shí)間分析

可以看出，當(dāng)檢測到爐膛溫度(副對象)發(fā)生變化時(shí)，副調(diào)節(jié)器θ2C隨即調(diào)節(jié)燃料進(jìn)料閥的開度，提前對可能造成原料出口溫度(主對象)的偏差進(jìn)行控制，避免了滯后和擾動帶來的偏差(圖4)?？梢?，串級控制系統(tǒng)在一定程度上改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，具有較強(qiáng)的抗擾動功能和一定的自適應(yīng)能力。適用于被控過程存在較大滯后的場合。

圖4 調(diào)節(jié)效果比較

2 離心機(jī)防喘振控制

離心壓縮機(jī)在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，但是由于對氣體壓力、流量和溫度變化比較敏感，因而易發(fā)生喘振，這會導(dǎo)致壓縮機(jī)重要部件的損壞，實(shí)際運(yùn)行中具有較大的危害[2]。

壓縮機(jī)的出口絕壓pd與入口絕壓ps之比(即壓縮比)和入口體積流量的關(guān)系曲線如圖5所示。將不同轉(zhuǎn)速下的壓縮機(jī)特性曲線最高點(diǎn)連接起來所得的曲線即為壓縮機(jī)喘振極限線(圖6)。當(dāng)離心式壓縮機(jī)最小流量時(shí)，此工況稱為喘振工況。

圖5 離心式壓縮機(jī)特性曲線

圖6 喘振極限線及安全線

當(dāng)流過機(jī)組的流量小于壓縮機(jī)的最小流量，就會導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體旋轉(zhuǎn)分離，并產(chǎn)生大幅的氣流脈動。因此，臨界喘振點(diǎn)之前靠打循環(huán)(回流)加大流量，就能使壓縮機(jī)工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振點(diǎn)。當(dāng)壓縮機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，固定回流量會造成能源浪費(fèi)，如圖7所示。

圖7 固定流量極限防喘振控制

如果能使壓縮機(jī)工況點(diǎn)沿如圖6所示的防喘振控制線變化，就可以保證壓縮機(jī)工況點(diǎn)不進(jìn)入喘振區(qū)域，且能耗最小，即回流量視情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

可變極限流量防喘振控制如圖8所示，其中PY1是加法器，完成p1-ap2的運(yùn)算；PY2是乘法器，完成(p1-ap2)與n/(bK12)的相乘運(yùn)算，其輸出作為防喘振控制器FC的設(shè)定值；PT1和PT2是絕對壓力變送器，測量離心壓縮機(jī)的入口和出口壓力；PdT是入口流量測量用的差壓變送器，其輸出作為防喘振控制器FC的測量值。

圖8 可變極限流量防喘振控制

(p1-ap2)·n/(bK12)中，n=M/(ZR)，Z、R和M分別為壓縮系數(shù)、氣體常數(shù)和相對分子質(zhì)量，當(dāng)被壓縮介質(zhì)確定后，該項(xiàng)是常數(shù)[3]；K1為流量常數(shù)，當(dāng)測量入口流量的節(jié)流裝置確定后，K1確定；a和b是與壓縮機(jī)有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)壓縮機(jī)確定后，其值也是確定的。

圖8所示的可變極限控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)，測量值是入口節(jié)流裝置測得的差壓值pd，設(shè)定值是根據(jù)喘振模型計(jì)算得到的[n/(bK12)]·(p2-ap1)。如果測量值偏離設(shè)定值，回流閥則相應(yīng)地調(diào)整開度，使壓縮機(jī)入口流量不低于極限流量，確保壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振點(diǎn)。

利用多變量函數(shù)來計(jì)算壓縮機(jī)工作點(diǎn)對喘振的趨近程度，精確地確定對擾動大小的響應(yīng)，從而使壓縮機(jī)防喘振安全裕量最小，其結(jié)果是既保護(hù)了壓縮機(jī)又使回流量或放空量降到最低程度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和高效運(yùn)行的目標(biāo)。

3 結(jié)束語

串級控制回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，兩控制器串聯(lián)，兩閉合回路形成內(nèi)外環(huán)，可以解決對象滯后大、干擾作用強(qiáng)而頻繁且負(fù)荷變化較大的問題。離心機(jī)防喘振控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單閉環(huán)，即設(shè)定值固定或可變，可將壓縮機(jī)的工作點(diǎn)控制在穩(wěn)定的工作區(qū)域，而且使能耗最小。掌握了各類復(fù)雜控制方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其控制特點(diǎn)，就能在裝置自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，依據(jù)裝置要求擇優(yōu)選擇。