復雜調節系統在氯甲烷系統中的應用

蘇 馳

（中昊鴻鶴化工計控分公司，四川 自貢 643000）

復雜調節系統在氯甲烷系統中的應用

蘇 馳

（中昊鴻鶴化工計控分公司，四川 自貢 643000）

分析了復雜調節系統在氯甲烷系統的應用實例并對存在的問題提出了改進方法。

氯甲烷；復雜調節系統；分程調節；比值調節；串級調節

在化工裝置中，為了滿足工藝要求和保證產品質量，有時需引進復雜的調節系統，解決單獨調節各工序或各參量的矛盾。

1 常規控制系統

通常的調節器都是按照被調參數和給定值之差，即按偏差信號進行調節的，稱為偏差調節系統。偏差是通過負反饋得到的，所以這類調節系統又稱為反饋調節系統。任何干擾引發的被調參數的變化，調節器都會根據偏差進行調節，常見的常規調節系統幾乎都是這樣的反饋調節系統。

1.1 簡單調節系統

許多常規控制系統僅依靠1個基本的反饋調節系統就能實現，其控制原理和結構相對簡單，故稱為簡單調節系統。因其擁有這樣的優點，在工控系統中被大量采用，約占自動調節系統總數的80%~90%。隨著生產的發展和工藝的革新，生產過程一般對操作條件要求更加嚴格，因此，提出了新的調節形式。

1.2 復雜調節系統

復雜調節系統是為滿足日益提高的控制要求，在簡單調節系統的基礎上建立起來的新的控制模式，包括串級控制、比值控制、分程控制、選擇控制、前潰控制、均勻控制、多沖量控制甚至還包括延續了PLC概念的順序控制和邏輯控制及高度自動化的超弛控制系統。這些控制系統都有其各自的應用領域。

1.2.1 分程調節

分程調節器就是用1個調節器的輸出信號，通過和閥門定位器的配合，分段控制2個或2個以上的調節閥工作。與單回路相比，調節器的輸出信號被分割成不同的量程范圍，去帶動不同的調節閥，增大了調節閥的可調范圍，使系統更加合理可靠，以滿足生產過程的特殊要求。廣泛適用于同一參數在不同階段需要采取不同控制方式的眾多生產場合。

1.2.2 比值調節

在化工生產過程中，經常要對2種物料的配比進行控制，使反應物料以一定的比值，定量地進入反應器。為使物料進行嚴格配比所實施的自動調節系統稱為比值調節系統。這類調節系統可動態地保證反應物流和能量總負荷不變，同時，進入反應器的物料還可根據需要進行同比例的調配、增減，較之控制2個單獨的調節回路進行產品配比更加可靠和安全。

1.2.3 串級調節

串級調節，簡單的講就是將2個調節器串連，一個調節器的輸出可以用來改變另一個調節器的設定值的復雜調節系統。2個調節器都有各自的測量輸入，但只有主調節器才有自己的設定值，也只有副調節器的輸出信號才用于改變輸出信號，是一種多環調節系統。

2 典型實例應用與分析

2.1 分程調節的應用

2.1.1 工藝概況

在氯甲烷系統的氫氯化單元中，來自反應器的初產品經激冷塔和激冷分離罐進入一、二級鹽酸冷凝器，進一步脫去HCl。

一級冷凝器采用水冷媒；二級冷凝器采用乙二醇冷媒，為了在保障設備效能的同時最大化地降低能耗，通常情況下均以水冷為主，乙二醇冷卻為輔。但如果水冷系統無法達到預定要求時，則必須需要大量的乙二醇進入二級冷凝器作為主要的冷媒。工藝流程見圖1。

2.1.2 問題與探討

前述工藝流程中，若簡單地引人1個“氣開—氣開”閥分程調節系統，在一級水冷凝器未全部打開前，二級乙二醇冷凝器都處于閑置狀態，很難滿足嚴格的工藝要求。若引入2個PID控制系統，獨立控制一、二級冷凝器，將在控制上獨立2個關聯緊密的系統，必然引入更多不必要干擾和造成能源的浪費。

2.1.3 解決方案

為此引入了變種的分程控制系統。首先，在分程控制的基礎上搭建控制系統，將PID上的4~12 mA信號送給一級冷凝器的水冷系統，控制冷卻水調節閥在0~100%范圍內變化，同時，也將這一信號送入二級冷凝器的乙二醇系統，控制乙二醇調節閥在0~20%的范圍內變化；其次，將PID上12~20 mA信號送給二級冷凝器乙二醇系統，控制乙二醇調節閥在20%~100%的范圍內變化。具體控制方案在DCS組態時可通過折線控制或定義輸出信號等多種方式實現。

2.1.4 其他常用領域

前述案例在4~20 mA的范圍內是一個連續的過程，但在更多應用于成品工藝中的分程控制時，中間大多存在著一定的死區。如產品貯運工序中的氮封控制系統，在貯槽壓力低時需要氮氣補壓，反之，則放空，見圖2。由于往往采用“氣開—氣關”的控制模式，在中間的臨界位置存在一段較大的死區，這個死區一般采用定義控制盲區或設置偏置等許多方式來得到。這樣的系統可以有效地恒壓和進行空氣隔離，在實際的生產過程中相當普遍。

2.2 比值調節系統的應用

比值調節系統隨其結構形式的復雜程度遞增，其調節效果和抗干擾等諸多方面的優勢也隨之增加。該公司的氯甲烷系統采用了比值調節系統。在甲醇法的氯甲烷工藝中，實現熱氯化反應器安全與高效是工藝成熟的根本尺度。但就該裝置的控制系統而言，氯氣與有機物的比值調節具有重要的作用。

2.2.1 工藝概況

甲醇法氯甲烷工藝中的熱氯化反應系統是將氯氣和一氯甲烷混合，在420~430℃反應，該反應為放熱反應。主要產物為二氯甲烷和三氯甲烷，四氯甲烷為副產品，而炭黑和高氯化物則是在系統溫度偏高時的產物，具有一定危害性。

2.2.2 影響反應的主要因素

熱氯化反應器的反應溫度是該工藝的重要參數，反應溫度的穩定與否直接影響產物的種類甚至威脅系統的安全。從反應平衡上看，增加有機物或減少氯氣都可以防止反應器溫度過高，但從系統安全上講，控制有機物并以之作為氯氣定量的標準更有利于系統安全。

2.2.3 控制方案

為保障系統的安全和穩定，并盡可能多地采用自動控制的方式，設計了圖3所示的控制系統。

（1）為保障流量的比值調節安全可靠，為2個重要的流量都提供了溫壓補償，并以此為基礎建立了2個流量控制的PID調節子系統。

（2）以有機物流量控制系統的測量值乘以比值作為氯氣流量控制子系統的給定值，形成了一個可獨立運作的雙閉環比值調節系統。

（3）將溫度控制的PID調節系統輸出的0~100%的控制信號線性轉換成比值系數，可替代雙閉環比值系統的比值，重新構建一個變比值調節系統。

2.2.4 比值調節系統的特點

該控制系統的3個部分均可獨立構成控制系統，并根據具體工況要求投運不同的控制體系，有相當大的靈活性。該系統還配備了相應的報警及連鎖控制邏輯。

2.3 串級調節系統的應用

2.3.1 工藝概況

在該公司氯甲烷工藝中采用了多個串級控制系統，如二氯甲烷精餾系統的共沸裝置，工藝流程圖見圖4。來自精餾塔的二氯甲烷半成品在堿洗分層器洗滌后，由進料泵打入共沸塔再次提升品質。系統要求釜溫和進料流量相對穩定，不能出現較大波動。

2.3.2 問題與探討

該裝置的運行存在2個關鍵環節，一是堿洗分層器內有機相不可完全排盡，否則，一旦堿液相進入共沸塔，將嚴重影響產品質量；二是二氯甲烷流量不可大幅度波動或者斷料，這不僅威脅到進料泵的安全，還會干擾后序系統，降低產品品質。

由于堿洗分層器不斷有物料注入，其注入量受前工藝影響，存在一定的非線性波動，人工調節很難達到穩定狀態。因此，在這里引入了液位—流量串級調節系統，將堿洗分層器液位與共沸塔進料流量控制相融合不僅穩定了堿洗分層器有機物液位，還平穩了二氯甲烷共沸塔進料流量和塔釜溫度，完全滿足了工藝要求。

2.3.3 改進與選用原則

為了串級調節系統更加便捷、可靠、實用，該公司在編制串級控制時增加了以下強制設定。

（1）未使用串級調節時，副環手動狀態下，給定自動跟蹤測量值。該設定保障副環手、自動無擾動切換。

（2）未使用串級調節時，副環自動狀態下，主環輸出跟蹤副環給定值。該設定可保障串級投入的無擾動切換。

（3）主環始終自鎖為自動狀態。由于主環在未投串級時無任何作用，減少手動功能不影響調節性能，減化了操作員投送串級控制的操作步驟，減輕了操作員工作負擔，提高了系統的可靠性。

雖然串級控制的性能遠優于簡單調節，也體現了更高的自動化水平，但在實際使用中仍須注意以下問題。

（1）副參數的選擇應使副回路包括較多的干擾，而主要干擾一定要包括在副回路內。

（2）副參數的選擇應注意參數變化方向與主參數之間有一定的單向聯系，并應使主、副對象的時間常數相匹配，防止“共振效應”出現，還應考慮工藝的合理性及實現的可能性以及經濟性。

3 總結

復雜調節系統是在簡單調節系統的基礎上發展起來的，但因組成復雜，所采用的自動化儀表多，日常維護整定麻煩以及投資費用較高,因此，對復雜調節系統要正確應用。對于各種類型的復雜調節系統，要通過其復雜的現象，找出其實質，即其獨特的結構及獨特的調節任務，以便正確地分析和應用。

Application of complex control system in Methyl chloride production

SU Chi
(China Haohua(Group)Honghe Chemical Gauge control branch,Zigong 643000,China)

The application of complex control system in methyl chloride production were introduced.The transformation measures were put forward.

methyl chloride；complex control system；seperating range control；ratio adjustment;cascade regulation

TQ056.2

B

1009－1785(2012)04-0033-03

蘇馳（1981—），2003年畢業于四川輕化工學院通信專業，工學學士；現任中昊鴻鶴化工計控分公司儀表車間主任。

2011-12-04