平均值法在加熱爐支路平衡控制上的實(shí)現(xiàn)

吳潔蕓 雷衛(wèi)良 周 娓 程高峰

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

煉油化工生產(chǎn)中最常見的加熱爐是管式加熱爐，約占裝置投資的10%左右，其作用是將用爐管中的油料加熱至需要的溫度，然后進(jìn)入到下一個(gè)工藝設(shè)備中進(jìn)行分餾、裂解及反應(yīng)等。原油加熱爐由于被加熱的油品處理量大，通常將油品分為多個(gè)支路在加熱爐中加熱。由于加熱爐爐膛溫度燃燒得不均勻，且各個(gè)支路爐管傳熱特性有差異，將導(dǎo)致各個(gè)加熱爐支路出口溫度不同，容易引起結(jié)焦和熱損耗。因此，常減壓裝置加熱爐出口溫度平衡是加熱爐的重要控制指標(biāo)，它對于安全生產(chǎn)、降低能耗具有非常重要的意義[1，2]。

最早的支路控制由操作員依據(jù)出口溫度偏差調(diào)整流量，由于操作員的精力有限，不能及時(shí)關(guān)注溫差，而且調(diào)節(jié)單支路流量會(huì)導(dǎo)致總流量的變化，進(jìn)而影響負(fù)荷。文獻(xiàn)[3～5]中采用差動(dòng)法對支路進(jìn)行控制，使得支路平衡從手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制，但是差動(dòng)法必須存在對稱管道，且對稱管道的流量增減必須是相等的，一個(gè)流量增加了另一個(gè)流量必然減少。然而，實(shí)際管道受熱情況不一致，爐管傳熱特性也不一致，同樣的流量變動(dòng)引起的溫度變化是不一致的，這種對稱的流量修改特性勢必會(huì)導(dǎo)致溫度控制效果差。

筆者提出一種新的算法，對每個(gè)支路采用一個(gè)單獨(dú)的增量式PID控制算法，將各支路出口溫度取平均值作為PID的設(shè)定值，各支路溫度作為測量值。可以單獨(dú)按照各個(gè)支路的特性設(shè)置不同的PID值，同時(shí)為了保證總管流量不變，對每個(gè)支路的輸出進(jìn)行修正，故稱之為平均值法平衡控制方法。

1 平均值法平衡控制方法①

平均值法采用多個(gè)增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)平衡控制。

1.1 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法如下[6]：

(1)

ΔEt=Et-Et-1

Et=設(shè)定值-測量值

式中dMVt——本周期輸出；

PB——比例系數(shù)；

TD——微分系數(shù)；

TI——積分系數(shù)；

Ts——控制周期。

1.2 雙支路平衡控制基本原理

雙支路平衡控制的基本原理如圖1所示，雙支路平衡控制對出口溫度T1和T2取平均，采用兩個(gè)平衡調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)兩個(gè)支路的設(shè)定流量，并通過兩個(gè)流量調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)每個(gè)支路的流量。平衡調(diào)節(jié)器是一個(gè)增量式PID控制器，以溫度平均值TA為設(shè)定值，出口溫度為測量值進(jìn)行PID控制。假設(shè)當(dāng)支路1的出口溫度大于支路2的出口溫度，即T1>T2，那么T1>TA>T2,這樣支路1的平衡調(diào)節(jié)器的偏差=T1-TA>0,而支路2的平衡調(diào)節(jié)器的偏差=T2-TA<0；那么平衡調(diào)節(jié)器輸出FD1>0,而平衡調(diào)節(jié)器的輸出FD2<0；通過流量調(diào)節(jié)器，使得支路1的流量變大，支路2的流量減少，這樣就能達(dá)到平衡控制。

圖1 雙支路平衡控制基本原理

為了保證總流量不變，需要將平衡調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行修正，修正算法如下：

(2)

(3)

式中dMV1、dMV2——第1、2路平衡調(diào)節(jié)器增量式PID輸出；

FD1、FD2——第1、2路平衡調(diào)節(jié)器輸出。

由式(2)、(3)可得FD1+FD2=0，說明總流量未變。

1.3 多支路平衡控制基本原理

多支路平衡控制是對出口溫度T1～Tn(n≥2)取平均，然后采用n個(gè)平衡調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)n個(gè)支路的設(shè)定流量，并通過n個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)n個(gè)支路的流量。各個(gè)支路的平衡調(diào)節(jié)器是一個(gè)增量式PID控制器，以溫度平均值為設(shè)定值、各支路出口溫度為測量值進(jìn)行控制。為保證總流量不變，需將平衡調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行修正，修正算法為：

(4)

FD1=dMV1-Amend

(5)

FD2=dMV2-Amend

(6)

FDn=dMVn-Amend

(7)

由式(4)～(7)可得：

FD1+FD2+…+FDn=dMV1+dMV2+…+dMVn-

n·Amend=0

(8)

由式(8)可知，該修正算法保證總流量不變。

一旦各支路溫度平穩(wěn)，那么各支路的偏差等于0，各支路平衡調(diào)節(jié)器的輸出都為0，各支路的流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值不變。

1.4 總管流量控制

工藝過程中，按照負(fù)荷的要求，需要增、減總管流量，可以將總管流量的增量均勻地分配給各流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，但由于每個(gè)支路的情況不一樣，均勻分配會(huì)導(dǎo)致出口溫度不平衡，帶來再次的擾動(dòng)。按照當(dāng)前設(shè)定流量進(jìn)行加權(quán)修正，算法如下：

式中F1t，F(xiàn)2t，…,Fnt——本周期第1,2,…,n路流量調(diào)節(jié)器設(shè)定；

F1(t-1)，F(xiàn)2(t-1)，…,Fn(t-1)——上周期第1,2,…，n路流量調(diào)節(jié)器設(shè)定；

FSt——本周期總管流量設(shè)定；

FS(t-1)——上周期總管流量設(shè)定。

該算法能夠及時(shí)響應(yīng)總管流量的變化，并降低由此對出口溫度偏差帶來的擾動(dòng)。

2 實(shí)現(xiàn)

在ECS-700系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了8支路平衡控制，并封裝成專用功能塊，可以按照工藝要求選擇2、4、6、8支路平衡控制。該功能塊同時(shí)對投運(yùn)支路的流量偏差和溫度偏差進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)超過閾值后進(jìn)行報(bào)警，其組態(tài)簡單、調(diào)試方便。

3 效果分析

選擇某個(gè)項(xiàng)目6支路平衡的應(yīng)用情況，在投運(yùn)前，該項(xiàng)目采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，出口溫度最大偏差長期穩(wěn)定在8℃左右，在調(diào)節(jié)負(fù)荷過程中，溫度偏差會(huì)超過10℃，運(yùn)行效果如圖2所示。在采用6支路平衡投運(yùn)后，控制效果如圖3所示，溫度偏差最大為4℃左右。

圖2 6支路平衡投運(yùn)前控制效果

圖3 6支路平衡投運(yùn)后控制效果

4 結(jié)束語

介紹了加熱爐支路平衡控制的平均值算法,并在ECS-700系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，控制方案具有組態(tài)簡單、投運(yùn)方便、魯棒性強(qiáng)和易操作的特點(diǎn)。通過實(shí)際應(yīng)用可知，平均值法加熱爐支路平衡控制不僅調(diào)節(jié)方便,而且具有較好的控制效果。