楊朋飛 劉逸飛 張典

1.中海油石化工程有限公司 2.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院

浸沒(méi)燃燒式氣化器(submerged combustion vaporizer，以下簡(jiǎn)稱SCV)是一種將低溫液化天然氣(liquefied natural gas，以下簡(jiǎn)稱LNG)加熱氣化的裝置，燃料氣在燃燒室中燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，通過(guò)氣體分配管上的小孔以氣泡的形式進(jìn)入換熱器殼程水浴中，加熱并氣化換熱器管束中的液化天然氣。相較于開架式氣化器(open rack vaporizer，以下簡(jiǎn)稱ORV)、中間介質(zhì)式氣化器(intermediate fluid vaporizer，以下簡(jiǎn)稱IFV)等其他幾種類型氣化器，SCV具有高效、安全可靠、熱量輸送量大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于LNG的調(diào)峰站以及緊急增加負(fù)荷時(shí)使用的LNG接收站[1-3]。

浸沒(méi)燃燒式氣化器出口天然氣(natural gas，以下簡(jiǎn)稱NG)的溫度和氣化器水浴溫度是SCV運(yùn)行中非常重要的參數(shù)，其中出口NG溫度是SCV運(yùn)行的關(guān)鍵聯(lián)鎖因素[4]，它的穩(wěn)定與否不僅關(guān)系到能否達(dá)到生產(chǎn)要求，而且關(guān)系到整個(gè)外輸系統(tǒng)的穩(wěn)定。而穩(wěn)定的水浴溫度對(duì)SCV的安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要:過(guò)高的水浴溫度會(huì)導(dǎo)致排煙熱損失增加、加速加熱管等金屬構(gòu)件的腐蝕;而過(guò)低的水浴溫度可能會(huì)導(dǎo)致水浴池內(nèi)部分區(qū)域結(jié)冰，從而導(dǎo)致傳熱惡化。因此，需要將氣化器出口NG溫度和水浴溫度控制在合理范圍內(nèi)。

國(guó)內(nèi)LNG接收站使用的浸沒(méi)燃燒式氣化器主要依賴進(jìn)口，目前對(duì)SCV在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行特性的優(yōu)化、傳熱的模擬和計(jì)算等方面作出了較多的研究[5-7]，但是對(duì)氣化器系統(tǒng)控制方案的研究較少。本研究針對(duì)LNG浸沒(méi)燃燒式氣化器的運(yùn)行特點(diǎn)，在分析氣化器水浴溫度特性的基礎(chǔ)上，建立一種溫度串級(jí)控制的數(shù)學(xué)模型，并在副環(huán)引入Smith預(yù)估補(bǔ)償，將溫度純滯后移到副回路外，對(duì)主回路純滯后，再次引入Smith預(yù)估補(bǔ)償，消除主回路純滯后的影響。從某接收站SCV氣化器實(shí)際運(yùn)行的效果看，驗(yàn)證了該控制方案的有效性。

1 SCV的溫度串級(jí)控制

采用水浴溫度控制燃料氣流量，由于水浴溫度的干擾因素較多，如風(fēng)量和燃料氣的配比、燃料氣壓力、水浴液位、燃料氣的流量、入口LNG的壓力、流量等，單純的單回路控制幾乎無(wú)法取得較好的控制效果，很難滿足正常的生產(chǎn)需求。采用氣化器出口NG的溫度控制燃料氣流量也是如此。

采用NG出口溫度同SCV水浴溫度的串級(jí)控制，串級(jí)控制方案如圖1所示，主被控變量是NG出口溫度TIC001，副被控對(duì)象為水浴溫度TIC002，操縱變量為燃料氣的流量。該方案將影響水浴溫度的相關(guān)干擾因素如燃料氣的流量、發(fā)熱量、壓力、風(fēng)量和燃料氣的配比等引入副回路，取得不錯(cuò)的效果[8]。

2 引入Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)腟CV溫度控制

2.1 問(wèn)題描述

水浴溫度和出口NG溫度控制的特點(diǎn)是過(guò)程的輸出無(wú)法及時(shí)地反映出施加于被控對(duì)象的控制作用，也就是說(shuō)被控對(duì)象具有較大的純滯后，在滯后時(shí)間內(nèi)，被控參數(shù)完全沒(méi)有響應(yīng)，而通過(guò)串級(jí)控制克服的一些擾動(dòng)又因?yàn)闇蟮囊蛩?，使得系統(tǒng)不能及時(shí)地跟隨被控量進(jìn)行調(diào)整。隨著超調(diào)量(y)的增大，使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。對(duì)于這種時(shí)滯系統(tǒng)的控制，常用的控制方法就是引入Smith預(yù)估補(bǔ)償來(lái)消除傳熱過(guò)程時(shí)間大滯后[9]。

2.2 數(shù)學(xué)模型

SCV氣化器溫度控制系統(tǒng)是典型的非線性時(shí)變的控制系統(tǒng)，對(duì)于控制對(duì)象，確定一個(gè)相對(duì)精確的數(shù)學(xué)模型，或者說(shuō)確定控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

SCV水浴加熱裝置是由燃燒室和水浴的管程殼程組成的控制對(duì)象。水浴的溫度為T1，作為被控對(duì)象，要求保持T1相對(duì)穩(wěn)定，燃燒室氣泡輸出到水浴的熱量為Q1，在運(yùn)行中，燃燒室不斷給水浴加熱，水浴不斷傳遞熱量Q2給管程內(nèi)的LNG。當(dāng)Q1=Q2時(shí)，水浴輸入和輸出的熱量相當(dāng)，水浴溫度T1不變。當(dāng)某一時(shí)刻由于燃料氣流量增大，那么燃燒室傳給水浴的熱量Q1增加時(shí)，隨著水浴溫度T1的升高使得Q2也增大，最后Q1又等于Q2，熱量平衡再次建立，水浴溫度T1保持不變。

根據(jù)能量平衡，可建立SCV的微分方程，單位時(shí)間內(nèi)水浴裝置內(nèi)熱量差應(yīng)等于水浴內(nèi)熱量的變化量，設(shè)水的熱容為C，則有:

水浴加熱后傳熱給管程內(nèi)的LNG，假設(shè)熱阻為R，則有:

利用增量表示并整理可得微分方程式(3):

如果被控對(duì)象溫度恒定，即ΔT2=0，即有:

令RC為時(shí)間常數(shù)Tm，令R為增益Km，于是有:

對(duì)式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換，則有:

這里可以得到被控對(duì)象水浴溫度的數(shù)學(xué)描述，而對(duì)于一般的溫度對(duì)象都是滯后的，那水浴溫度的數(shù)學(xué)描述可以近似地串聯(lián)一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，τ為時(shí)滯常數(shù)，即:

2.3 控制器設(shè)計(jì)

SCV控制系統(tǒng)以出口NG溫度控制為主被控對(duì)象，以水浴溫度為副被控對(duì)象，以燃料氣流量為操縱變量，以LNG的流量為主要干擾變量。對(duì)于水浴溫度作為副回路，這是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)是1，但因被控對(duì)象滯后，那么副控制器會(huì)超前，這是物理不可實(shí)現(xiàn)的。而且副回路存在滯后，將會(huì)明顯延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低副回路的穩(wěn)定性，只要副控制器的比例系數(shù)稍大就會(huì)引起振蕩。在副回路引入Smith預(yù)估控制，方框圖如圖2所示，副控對(duì)象存在時(shí)滯τ，主控對(duì)象存在時(shí)滯τ1。J(s)為燃料氣的干擾，E(s)為入口LNG的干擾。由于入口LNG的流量、壓力可測(cè)量，這里設(shè)GE(s)為入口LNG的傳遞函數(shù)，Ge(s)為前饋補(bǔ)償通道函數(shù)。Y1(s)和Y2(s)分別為主、副回路的輸出。

圖2中系統(tǒng)的副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

引入Smith預(yù)估補(bǔ)償Gp2(s)(1-e-τs)后的閉環(huán)傳遞函數(shù)是:

這里對(duì)于純滯后e-τs已經(jīng)不在系統(tǒng)的特征方程里，也就是說(shuō)純滯后時(shí)間的被控量超前反映到副控制器的輸入端，使控制器超前動(dòng)作，消除了副回路純滯后的影響。

對(duì)于具有時(shí)滯的控制系統(tǒng)，期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)是1個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)，那么對(duì)于副回路的閉環(huán)目標(biāo)函數(shù)可以描述為由式(9)可得:

根據(jù)2.2節(jié)的推導(dǎo)，被控對(duì)象水浴溫度Gp2(s)的數(shù)學(xué)描述為，于是可得副控制器的傳遞函數(shù):

副回路采用Smith預(yù)估補(bǔ)償將純滯后移出副環(huán)，對(duì)副環(huán)的影響被克服。但是對(duì)于整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)滯后的影響還在主環(huán)內(nèi)，同時(shí)主被控對(duì)象氣化器出口NG溫度本身也存在較大的純滯后。因此，需要再次引入Smith預(yù)估器來(lái)消除主環(huán)純滯后的影響。主回路的純滯后相當(dāng)于副回路和主回路滯后相加的和，即τ0=τ+τ1。那么副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)為·e-τs，系統(tǒng)主回路引入Smith預(yù)估器應(yīng)為:

式(12)可記為G0(s)(1-e-τ0s)。那么對(duì)于SCV溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

從式(13)來(lái)看，主回路的純滯后已經(jīng)不在特征方程中。

因?yàn)闅饣鬟M(jìn)口LNG的壓力和流量干擾直接影響的是主被控變量出口NG的溫度，因此無(wú)法像燃料氣的干擾那樣由串級(jí)控制的副回路克服掉。由于入口LNG的干擾可測(cè)不可控，且變化頻繁，這里可以采用前饋控制方案，將氣化器入口LNG的干擾作為前饋?zhàn)兞浚a(bǔ)償?shù)街骰芈?，見圖2。引入前饋補(bǔ)償后，導(dǎo)出前饋補(bǔ)償通道的傳遞函數(shù):

控制系統(tǒng)加入前饋補(bǔ)償功能后，一旦出現(xiàn)LNG流量或者壓力的擾動(dòng)，前饋調(diào)節(jié)器就根據(jù)擾動(dòng)的大小補(bǔ)償對(duì)被控量的影響。只要前饋函數(shù)設(shè)置相對(duì)合理，實(shí)現(xiàn)近似補(bǔ)償是可行的。

3 仿真研究

對(duì)于SCV溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，根據(jù)前述分析，其數(shù)學(xué)模型可以近似地以一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)逼近，考慮SCV水浴系統(tǒng)的過(guò)程特性[10-11]，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，利用切線法，求得主控對(duì)象NG出口溫度和副控對(duì)象SCV水浴溫度的數(shù)學(xué)模型分別為:

氣化器入口LNG的擾動(dòng)傳遞函數(shù)為:

分別采用常規(guī)的串級(jí)控制和采用串級(jí)Smith預(yù)估控制，系統(tǒng)輸入和干擾輸入均為單位階躍信號(hào)。仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3看出，引入Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)拇?jí)控制比常規(guī)串級(jí)控制明顯振蕩次數(shù)減少，超調(diào)量(y)也相對(duì)較低。尤其是前饋補(bǔ)償合適，超調(diào)量會(huì)進(jìn)一步降低。

當(dāng)副環(huán)模型不匹配時(shí)，則兩種方法的控制效果不同。當(dāng)SCV水浴溫度的滯后時(shí)間常數(shù)τ提高10%時(shí)，采用常規(guī)串級(jí)控制方法，系統(tǒng)發(fā)生了振蕩。采用Smith補(bǔ)償?shù)拇?jí)控制，系統(tǒng)控制品質(zhì)較好。仿真結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)水浴溫度的滯后時(shí)間常數(shù)τ提高30%時(shí)，采用常規(guī)控制方法則使系統(tǒng)發(fā)散，而采用Smith預(yù)估的串級(jí)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)仍然良好，如圖5和圖6所示。

在某LNG接收站，SCV氣化器主要用于冬季海水溫度較低時(shí)、IFV氣化器不能滿足需求或調(diào)峰負(fù)荷輸出時(shí)使用。在運(yùn)行時(shí)，由于高壓泵啟停的關(guān)系，導(dǎo)致LNG流量波動(dòng)較大，以某一時(shí)間段內(nèi)隨著高壓泵的陸續(xù)開啟，SCV入口LNG的流量范圍在58.3～215 t/h之間變化，LNG入口溫度基本保持為-151℃不變，燃料氣的流量在相對(duì)恒定范圍內(nèi)波動(dòng)，且流量可測(cè)量，出口NG溫度應(yīng)當(dāng)控制在1℃以上，一般為4.5℃左右，否則不能滿足生產(chǎn)需要，且會(huì)聯(lián)鎖SCV系統(tǒng)跳車。在某一時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)來(lái)自高壓泵的入口LNG流量由60 t/h逐漸上升至210 t/h時(shí)，溫度控制效果曲線如圖7所示，常規(guī)控制明顯是不及時(shí)的，隨著LNG流量的增加，出口NG溫度逐漸下降，盡管若干時(shí)間后溫度還會(huì)升上來(lái)，但是這樣的控制效果是相對(duì)滯后且不平穩(wěn)的，而且還有觸發(fā)聯(lián)鎖跳車的風(fēng)險(xiǎn)。引入Smith補(bǔ)償后，相同時(shí)間段內(nèi)LNG流量變化后，SCV出口NG溫度幾乎波動(dòng)很小，控制作用及時(shí)，對(duì)LNG流量變化的適應(yīng)性較常規(guī)控制好。

4 結(jié)論

針對(duì)浸沒(méi)燃燒式氣化器控制系統(tǒng)中溫度參數(shù)存在的滯后和干擾問(wèn)題，以出口溫度為主要被控對(duì)象設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，提出引入Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)拇?jí)控制方案。主、副回路兩次引入Smith預(yù)估補(bǔ)償將副回路的純滯后移到控制系統(tǒng)之外，克服了溫度的純滯后影響，使得控制系統(tǒng)對(duì)被控變量的變化具有較好的適應(yīng)性，能夠大大減少出口溫度波動(dòng)引起的跳車，優(yōu)化了控制過(guò)程。仿真結(jié)果和實(shí)際接收站運(yùn)行結(jié)果表明，該控制方案對(duì)于SCV的溫度控制改進(jìn)優(yōu)化是行之有效的。

符號(hào)說(shuō)明

Q1:燃燒室輸出到水浴的熱量;Q2:水浴傳遞給管程內(nèi)LNG的熱量;C:水的熱容;T1:水浴溫度;T2:管程LNG的溫度;R:水浴傳熱熱阻;Gp1:主被控對(duì)象(NG出口溫度);Gp2:副被控對(duì)象(水浴溫度);Gc1:主回路控制器;Gc2:副回路控制器;τ:副被控對(duì)象時(shí)滯;τ1:主控對(duì)象存在時(shí)滯;J(s):燃料氣的干擾;E(s):入口LNG的干擾;GE(s):入口LNG的傳遞函數(shù);Ge(s):前饋補(bǔ)償通道函數(shù);Y1(s):主回路的輸出;Y2(s):副回路的輸出。