復雜控制方案的特點及其典型應用

陳 艷

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085)

在常規油氣田地面工程設計中，單回路控制方案解決了大量的定值控制問題。但是隨著工程規模的擴大，其復雜程度越來越高，對產品質量的要求也越來越高，簡單控制方案已經不能滿足要求。

在單回路控制方案的基礎上，復雜控制方案往往能發揮關鍵作用。常見的復雜控制方案包括串級控制、比值控制、選擇控制、分程控制、前饋控制、超馳控制、壓縮機防喘振及負荷分配控制等。在此，筆者就串級控制和壓縮機防喘振控制的特點及其應用中應該注意的問題加以闡述。

1 串級控制系統①

由兩臺控制器串聯在一起，控制一個調節閥，就構成了最簡單的串級控制回路，如圖1所示。

圖1 一般串級控制回路

以加熱爐出口溫度控制為例，常規單回路控制方案及其反應時間分析如圖2所示。

圖2 加熱爐出口溫度單回路控制及其反應時間分析

經分析，受燃料油組分、油壓，噴油用過熱蒸汽壓力，被加熱油料流量、溫度，配風、爐膛漏風四大因素的擾動，致使控制通道容量滯后很大，控制緩慢[1]。雖然所有對溫度的干擾都包括在控制回路中，但對燃油流量變化等干擾控制不及時，總滯后較大。如果改用如圖3所示的串級控制方案，在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化量，就能夠解決上述控制不及時的問題了。

圖3 加熱爐出口溫度串級控制及其反應時間分析

可以看出，當檢測到爐膛溫度(副對象)發生變化時，副調節器θ2C隨即調節燃料進料閥的開度，提前對可能造成原料出口溫度(主對象)的偏差進行控制，避免了滯后和擾動帶來的偏差(圖4)。可見，串級控制系統在一定程度上改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率，具有較強的抗擾動功能和一定的自適應能力。適用于被控過程存在較大滯后的場合。

圖4 調節效果比較

2 離心機防喘振控制

離心壓縮機在石油化工行業應用廣泛，但是由于對氣體壓力、流量和溫度變化比較敏感，因而易發生喘振，這會導致壓縮機重要部件的損壞，實際運行中具有較大的危害[2]。

壓縮機的出口絕壓pd與入口絕壓ps之比(即壓縮比)和入口體積流量的關系曲線如圖5所示。將不同轉速下的壓縮機特性曲線最高點連接起來所得的曲線即為壓縮機喘振極限線(圖6)。當離心式壓縮機最小流量時，此工況稱為喘振工況。

圖5 離心式壓縮機特性曲線

圖6 喘振極限線及安全線

當流過機組的流量小于壓縮機的最小流量，就會導致機組內出現嚴重的氣體旋轉分離，并產生大幅的氣流脈動。因此，臨界喘振點之前靠打循環(回流)加大流量，就能使壓縮機工況點遠離喘振點。當壓縮機在低負荷運行時，固定回流量會造成能源浪費，如圖7所示。

圖7 固定流量極限防喘振控制

如果能使壓縮機工況點沿如圖6所示的防喘振控制線變化，就可以保證壓縮機工況點不進入喘振區域，且能耗最小，即回流量視情況進行動態調整。

可變極限流量防喘振控制如圖8所示，其中PY1是加法器，完成p1-ap2的運算；PY2是乘法器，完成(p1-ap2)與n/(bK12)的相乘運算，其輸出作為防喘振控制器FC的設定值；PT1和PT2是絕對壓力變送器，測量離心壓縮機的入口和出口壓力；PdT是入口流量測量用的差壓變送器，其輸出作為防喘振控制器FC的測量值。

圖8 可變極限流量防喘振控制

(p1-ap2)·n/(bK12)中，n=M/(ZR)，Z、R和M分別為壓縮系數、氣體常數和相對分子質量，當被壓縮介質確定后，該項是常數[3]；K1為流量常數，當測量入口流量的節流裝置確定后，K1確定；a和b是與壓縮機有關的系數，當壓縮機確定后，其值也是確定的。

圖8所示的可變極限控制系統是隨動控制系統，測量值是入口節流裝置測得的差壓值pd，設定值是根據喘振模型計算得到的[n/(bK12)]·(p2-ap1)。如果測量值偏離設定值，回流閥則相應地調整開度，使壓縮機入口流量不低于極限流量，確保壓縮機遠離喘振點。

利用多變量函數來計算壓縮機工作點對喘振的趨近程度，精確地確定對擾動大小的響應，從而使壓縮機防喘振安全裕量最小，其結果是既保護了壓縮機又使回流量或放空量降到最低程度，同時實現了節能和高效運行的目標。

3 結束語

串級控制回路的結構特點是，兩控制器串聯，兩閉合回路形成內外環，可以解決對象滯后大、干擾作用強而頻繁且負荷變化較大的問題。離心機防喘振控制的結構特點是單閉環，即設定值固定或可變，可將壓縮機的工作點控制在穩定的工作區域，而且使能耗最小。掌握了各類復雜控制方案的結構特點及其控制特點，就能在裝置自控系統的設計中，依據裝置要求擇優選擇。