李洪濤 郭 猛

(中國石油大連石化公司)

重整裝置中壓汽包液位控制方案的改進(jìn)策略

李洪濤 郭 猛

(中國石油大連石化公司)

介紹了大連石化重整裝置中壓汽包液位控制方案，并對其缺陷進(jìn)行改進(jìn)：利用CS3000系統(tǒng)自帶的前饋控制功能塊解決了計算式過多的問題，實現(xiàn)了串級控制的無擾動切換；將兩路給水流量和兩路發(fā)汽流量與汽包液位組成的三沖量控制拆分為兩個三沖量控制回路，取消了比值控制器，也能滿足兩路給水流量的比值關(guān)系。

液位控制 三沖量 FFSUM 自動跟蹤 比值器

大連石化每年220萬噸連續(xù)重整中壓發(fā)汽系統(tǒng)是利用四合一反應(yīng)爐的煙道氣的余熱產(chǎn)生3.5MPa蒸汽去驅(qū)動機組的透平壓縮機，汽包液位是一個非常重要的控制參數(shù)，關(guān)系到裝置的安全生產(chǎn)，DCS系統(tǒng)采用的是橫河CS3000控制系統(tǒng)。中壓汽包液位的控制較為特殊，即一個汽包液位控制兩路給水流量和兩路發(fā)汽流量，而兩路給水流量又存在一定的比值關(guān)系，是一個較為復(fù)雜的三沖量控制。工藝包中的控制方案采用了較為復(fù)雜的計算式來計算液位控制器輸出和給水流量控制器的設(shè)定值的對應(yīng)關(guān)系，CS3000在選擇組態(tài)控制方案時如果選用工藝包的計算方案就會破壞串級控制回路中主、副控制器的跟蹤關(guān)系，在串級回路投用和切除時產(chǎn)生擾動，給裝置生產(chǎn)帶來影響。為了避免這種控制弊端，利用CS3000控制系統(tǒng)自帶的一些功能改進(jìn)了控制方案，實現(xiàn)了三沖量串級控制主、副回路的無擾切換。

1 控制對象分析

在正常操作運行中，外界對汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的干擾有兩種：一是蒸汽負(fù)荷擾動對液位的影響，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時，根據(jù)質(zhì)量平衡關(guān)系，液位應(yīng)該下降，但此時由于汽包的壓力也突然下降，將導(dǎo)致汽包內(nèi)的水沸現(xiàn)象突然加劇，水中的汽泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假液位，當(dāng)水汽混合物中的汽泡容積與蒸汽的負(fù)荷達(dá)到平衡后，汽泡的液位才逐漸下降；二是給水流量擾動對液位的影響，由于給水溫度較低，當(dāng)給水量增加后，使汽包內(nèi)的汽泡量減少，導(dǎo)致液位下降，即使給水量突然增加，汽包的水位一開始也不能增加，而要經(jīng)過一段時間滯后，液位才能上升。

根據(jù)以上的干擾分析，僅在汽包上設(shè)置液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制液位，不能克服以上干擾達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的。中壓發(fā)汽工藝流程如圖1所示，從圖中可以看出，鍋爐給水分為兩路，進(jìn)入到不同的加熱爐后匯總到汽包，同時產(chǎn)生對應(yīng)的蒸汽量。

在控制上汽包液位采用了三沖量控制方案[1～3]， 即：引入蒸汽信號作為前饋干擾量，避免由于蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時，水位過大偏離給定值，造成液位波動。

2 工藝包控制方案分析

2.1 控制方案介紹

工藝包中給出給水設(shè)定值的計算公式為：

FY=C×(FI1+FI2)+(FC1量程+FC2量程)×

(LC輸出-50)/100

(1)

其中C為可調(diào)系數(shù)；FY為加法器，它接收蒸汽流量和自汽包液位控制器輸出與偏置常數(shù)兩者之差的線性信號。為使液位控制器能隨著液位的增減而變化，偏置常數(shù)被人為地設(shè)定為50%，加法器的輸出作為汽包給水流量控制器的設(shè)定值。當(dāng)不需要串聯(lián)時，給水流量控制器可作為單獨的流量控制器操作。同時液位控制器的輸出按下列公式跟蹤給水設(shè)定：

圖1 中壓發(fā)汽工藝流程

LC輸出=50+{100×[FC1設(shè)定值+FC2設(shè)定值-C×

(FI1+FI2)]/(FC1量程+FC2量程)}

(2)

系統(tǒng)被設(shè)計成在穩(wěn)定狀態(tài)下，引入每單位重量的水產(chǎn)生的每單位重量的蒸汽，以保證水汽平衡。由于此發(fā)汽系統(tǒng)是兩路給水，兩路發(fā)汽，工藝包給的計算公式是將兩路蒸汽流量之和與液位控制器輸出疊加后作為總的給水需求量輸出到比值控制器去分配給兩路給水流量控制器。

2.2 控制方案存在的問題

本裝置中采用的DCS控制系統(tǒng)是日本橫河的CS3000系統(tǒng)，絕大部分的控制回路都是通過不同的功能塊連接來實現(xiàn)控制目的的。按照常規(guī)的汽包液位控制應(yīng)該選用三沖量控制方案，液位為主控對象，進(jìn)入主回路PID控制器，給水流量進(jìn)入副回路PID控制器，蒸汽流量作為干擾量引入去補償給水流量控制器的設(shè)定值。按照上述計算公式，CS3000可應(yīng)用加減乘除等計算塊來計算出FY值，作為給水流量控制器的設(shè)定值，但是如果在主、副PID控制器之間引入計算塊，就會破壞PID控制的自動跟蹤功能，即當(dāng)副控制器不在串級控制時，主控制器的輸出值不會自動跟蹤副控制器的設(shè)定值，在投入串級控制時就會產(chǎn)生擾動，給生產(chǎn)帶來影響。式(2)的實質(zhì)是FY值的反算，用于主、副控制器的自動跟蹤，CS3000的PID控制塊[4]在串級回路中本身就具備這種跟蹤功能，不需通過計算來實現(xiàn)。

3 控制方案組態(tài)

3.1 組態(tài)功能塊的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用

針對這種典型三沖量控制，CS3000有一種專門的前饋控制功能塊(FFSUM)可應(yīng)用于三沖量控制方案。此功能塊不但具有跟蹤特性還可將蒸汽干擾量和主回路液位控制器的輸出同時引入，作為設(shè)定值輸出到副回路給水流量控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這里主回路控制器的輸出信號從端子IN進(jìn)入，蒸汽流量作為前饋干擾信號從端子VN引入，然后經(jīng)過信號相加處理后從端子OUT輸出，其他端子不經(jīng)常使用這里就不再介紹。

圖2 FFSUM結(jié)構(gòu)

FFSUM的輸入補償原理如圖3所示。

圖3 FFSUM輸入補償原理

FFSUM補償公式為：

CV=PV+CK(VN+CB)

式中 CB——補償偏置常數(shù)；

CK——補償增益；

CV——前饋補償后的輸出；

PV——過程變量，用于連接主回路液位控制器的輸出；

VN——前饋補償量。

從圖3中可以看到，將蒸汽流量作為干擾量從VN端子引入有兩點好處：一是可以通過調(diào)整CK值來切除或引入干擾量；二是可調(diào)整引入干擾量的大小。第2點很重要，尤其是在控制方案剛剛投用時可以調(diào)整CK值將前饋量一點一點地引入，而不是一下子將整個干擾量加進(jìn)來，這樣做有利于系統(tǒng)的平穩(wěn)。

這樣用FFSUM補償公式將工藝包計算公式簡化，F(xiàn)FSUM塊的PV端子連接液位主控制器的輸出，VN端子連接兩路蒸汽流量的相加值，即蒸汽量的總和，MV端子輸出到比值控制器，作為兩路副控制器的流量給定值。而且FFSUM塊的PV端子和MV端子之間具有串級回路的自動跟蹤功能，即如果副控制器不在串級模式，則主控制器的輸出值自動跟蹤副控制器的設(shè)定值，這樣可實現(xiàn)投串級的無擾動切換。組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 組態(tài)方案的弊端

從圖4可以看出經(jīng)過FFSUM輸出的實際是總的給水需求量，作為副回路控制器的設(shè)定值，經(jīng)過比值控制器按比例分配給兩路給水流量控制器，但工藝包對此比值控制器介紹甚少，也沒有給出兩路給水設(shè)定值的比例關(guān)系，只能從量程上推斷。另外，如果使用CS3000中的比例功能塊RA-TIO來實現(xiàn)比例分配的話，不得不用兩個比值控制器才能實現(xiàn)，一個是給水總量和其中的一路給水流量的比例關(guān)系，另一個是兩路給水流量之間的比例關(guān)系。這樣做不但增加組態(tài)功能塊的數(shù)量，顯得繁瑣，還使另外兩路給水流量一直存在著比例制約關(guān)系，不能獨立控制，即當(dāng)其中一路設(shè)定值變化時另一路也相應(yīng)地跟著變化，這是違背工藝包控制思想的，所以不能采納。

圖4 組態(tài)回路

4 控制方案的改進(jìn)

綜合以上分析，結(jié)合此工藝流程的特點，筆者應(yīng)用了CS3000平行分配功能塊FOUT[5],它可將上游PID控制器的輸出轉(zhuǎn)換成多路輸出給下游不同的PID控制器，普遍用于一主多副的串級控制回路中，具有回路跟蹤功能。此方案中將液位控制器的輸出同時輸出給兩路給水流量控制器，由液位控制總的給水量改為液位分別控制兩路給水量，同時將兩路蒸汽流量分別引入到各自的給水流量控制器，即將此控制回路一分為二，改為兩個獨立的三沖量控制回路，改進(jìn)后的組態(tài)回路如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的組態(tài)回路

由圖5可以看出，改進(jìn)后的控制方案由液位主控制器直接輸出到給水設(shè)定，不用經(jīng)過量程的轉(zhuǎn)換和計算，再將兩路蒸汽分別引入到對應(yīng)的給水回路，這樣每一路都是典型的三沖量控制回路，在主、副回路控制器之間只有FOUT塊和FFSUM塊，都具有回路自動跟蹤功能，可實現(xiàn)串級控制的無擾動切換，并且兩路給水流量互不干擾，都可獨立控制，達(dá)到了工藝的控制要求。

5 結(jié)束語

筆者采用了將原有控制方案進(jìn)行分解的措施，把原有方案中過于復(fù)雜的中間計算環(huán)節(jié)用CS3000中現(xiàn)有的功能塊簡化，還避免了原方案中通過公式計算回路反向跟蹤的不足，使控制回路簡化；同時作為擾動量的蒸汽流量也能很方便的引入和切除，控制手段更加靈活。另外，采用一分二的控制措施，將原方案中不夠明確的、組態(tài)起來又比較繁瑣的比值控制器屏蔽掉，使控制回路更加暢通和簡潔，操作起來更加方便、安全。此方案在裝置開工投用以來控制效果一直比較好，各工藝參數(shù)控制比較穩(wěn)定，系統(tǒng)運行也非常平穩(wěn)，達(dá)到了控制目的。同時作為汽包液位控制的典型案例也可為其他裝置加以借鑒。

[1] 王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000:174～230.

[2] 賈志清，羅煒.三沖量在鍋爐汽包液位控制中的應(yīng)用[J].甘肅科技，2012，28(15)：60～62.

[3] 李長有，高冬霞.基于DCS系統(tǒng)的三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化博覽，2016，(2)：86～89.

[4] 馬菲.CS3000控制功能塊在連續(xù)重整裝置的實現(xiàn)[J].浙江化工,2014,(4)：29～30.

[5] 楊松柏,孫衛(wèi)國,劉宗勝.DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)[J].化肥工業(yè),2012,39(6):67.

TH865

B

1000-3932(2017)09-0899-04

2016-12-06，

2017-05-23)

李洪濤(1976-)，工程師，從事石油化工設(shè)備安裝、質(zhì)量管理工作。

聯(lián)系人郭猛(1981-)，工程師，從事石油化工行業(yè)儀表設(shè)備的技術(shù)質(zhì)量管理工作，guom_dl@petrochina.com.cn。