帶死區的PID調節在高壓丙烯洗滌塔的應用

魏虹

（大港石化公司維護車間，天津300280）

在聚丙烯裝置中，從反應器排出的由液相丙烯和固相聚合物組成的淤漿經閃蒸、脫氣后，固相粉料以重力方式下料至汽蒸系統，攜帶著大量細粉的氣相丙烯則進入高壓洗滌塔T301，向上的丙烯氣流與冷卻后回流的液相丙烯在塔盤逆流接觸，以除去其中夾帶的細粉，洗滌出的聚合物細粉與液相丙烯形成的淤漿通過洗滌塔底部出料閥排至小閃線閃蒸后再進行脫氣，洗滌塔頂部氣相丙烯進入換熱器冷卻為液相后，少部分用于回流洗滌，大部分輸送至反應單元回用。洗滌塔底部裝有再沸器，由來自汽蒸系統的98～100℃工藝熱水在此加熱丙烯淤漿，汽化洗滌塔底部丙烯，確保塔底液位控制在400mm左右。由于洗滌塔的液位穩定可直接確保塔壓和氣相出料量穩定，進而可確保上游閃蒸、脫氣系統的壓力穩定和下游與新鮮丙烯均勻混合，因此洗滌塔液位是聚丙烯裝置運行的重點控制參數之一。

1 帶死區的PID調節控制方案

高壓丙烯洗滌塔液位控制采用串級控制方案，如圖1所示，液位控制器LIC3201為主調節器，工藝熱水流量控制器FIC3202為副調節器，主、副調節回路的原始設計算法皆為基本型PID方式。

圖1 T301液位串級控制原理

由于主調對象的液位有著較長的滯后特性，其控制精度差、調節難度大，大港石化公司100kt／a聚丙烯裝置開工初期僅靠整定PID參數無法投用液位串級控制回路，操作員工僅能憑經驗手動調節熱水量，難以達到穩定液位、壓力及出料的目的，導致聚丙烯裝置運行參數超高低限值的情況頻繁發生。對此，自2012年開始對液位控制采取優化措施。

1.1 PID控制算法的優化

經分析，傳統PID算法較偏重于設定值變更時的跟蹤性，適用于線性時間常量的一階滯后，而液位動態特性為典型的二階滯后，針對每個控制周期，將基本型PID控制運算式變形為使用采樣值的形式，使用差分運算式，轉換如下：

式中：DMVn——操作輸出變量；En——偏差，En＝PVn－SVn；DEn——偏差的變化量；DT——控制周期。

與基本型PID運算式相比，該算法對于液位測量值的波動狀況可以進行穩定地控制。另外，對于控制對象過程的特性變化、負荷變動或干擾發生，可以進行比例、積分、微分的各種控制處理，可預期得到良好的效果。

1.2 將PID定值控制改為死區控制

由于大滯后被控參數變化的不確定性和高壓丙烯洗滌塔流程復雜性等特點，至再沸器的工藝熱水量與液位、塔壓等均有一定的關系。傳統的PID調節不但有20%的超調，而且系統響應較慢。一遇到波動就進行調節，導致閥門的不停動作，故在差分控制算法上，進一步采用了帶死區的PID調節，原理如圖2所示。

圖2 帶死區的PID液位控制原理

規定死區的目的是避免控制作用過于頻繁即減少閥門啟閉過于頻繁，消除動作頻繁所引起的振蕩，增加閥門使用壽命以及密封性。其控制算式：

式中：e（k）——位置跟蹤偏差，e（k）＝r（k）－y（k）；r（k）——給定值；y（k）——反饋值；e0——參考值，其具體數據可根據實際控制對象的工藝要求或實際經驗來進行確定，e0太小會造成控制動作過于頻繁，e0太大會造成較大的滯后性。

通過上式，可以看出帶死區的PID控制系統實際上是一個非線性的系統，當｜e（k）｜≤e0時，控制器輸出為0，即閥門不動作；當｜e（k）｜＞e0時，控制器進行相應的動作控制閥門。根據生產實際，取e0＝0.15較為合理。

在PID控制中加入死區環節能有效地提高系統的快速響應特性，消除系統的振蕩。并允許一定偏差的存在，但這個偏差滿足聚丙烯裝置運行參數波動范圍。

2 優化效果

優化前，高壓丙烯塔液位控制波形如圖3所示，波動范圍為25%～75%，這是聚丙烯裝置運行平穩率長期不理想的主要原因之一。

圖3 優化前液位控制波形

采用帶死區的PID調節對高壓丙烯塔液位控制波形如圖4所示。波動范圍為47.5%～52.5%，有效確保了洗滌塔及其上下游系統的穩定運行，并使聚丙烯裝置2012年4月運行平穩率達到100%。

圖4 優化后液位控制波形

3 結束語

對于聚丙烯裝置高壓丙烯塔，采用帶死區的PID優化控制方案，在很大程度上實現了高壓丙烯塔液位的平穩控制，有著確保裝置安全平穩運行、減輕操作員工工作強度的雙重意義。長期運行證明，該系統有較強的抗干擾性和穩定性，有利于提高工作效率以及管理水平，方便實時監控，同時對生產合格產品具有積極意義。

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