分程控制在北阿油田地面工程中的應用

蔣志鋒 沈 鶴 毛聞之

(中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司,北京 100083)

分程控制系統是過程控制系統中復雜控制系統的一種。分程控制系統中一個控制器的輸出同時送往兩個或多個執行器，且每個執行器的工作范圍不同。一般情況下，分程控制可分為同向分程控制和異向分程控制：同向分程控制即隨著輸出信號的增大(減小)，控制閥的開度隨之增大(減小)；異向分程控制即隨著輸出信號的增大或減小，控制閥一個閥門開度增大另一個閥門開度減小。

在此，筆者結合伊朗北阿扎德甘油田地面工程項目對分程控制的應用和注意事項進行說明，希望為同行提供分程控制系統的應用經驗。

在油田化工過程中分程控制常用于3種場合：

a. 被控對象采用兩種或兩種以上手段和介質控制。工藝要求一個被控對象采用兩種或兩種以上的介質來進行控制，例如反應釜的溫度控制。

b. 不同的負荷和開車/停車過程要求。如加熱爐不同負荷下的需求燃氣流量控制。

c. 擴大調節閥的可調比。在生產過程中，由于被控對象變化較大，要求調節閥有較大的可調比才能適應工況。實際工況中有時要求調節閥在很小的開度下工作，此時已經接近調節閥的可調范圍極限，調節品質將變壞，但如果將調節閥口徑變小，在其他工況下又不能滿足工藝要求，因此必須擴大調節閥的可調比[1]。

2 分程控制的實現方法

以伊朗北阿扎德甘油田項目一級分離器的氣相壓力控制為例(圖1)，容器正常操作在500kPa壓力下，要求當壓力在500～650kPa之間時，PV-11411A閥門逐步開大，當容器壓力高于650kPa時，PV-11411A保持全開，PV-11412A開始逐步開大。其中，要求PV-11411A為故障關，PV-11412A為故障開。經分析，此處為同向分程控制。

2.1 閥門定位器

采用閥門定位器實現分程控制如圖2所示，同一回路中有兩個閥門PV-No.1和PV-No.2，控制器輸出4～12mA信號，要求PV-No.1從全關到全開；當控制器輸出12～20mA(DC)信號時PV-No.2從全關到全開。即根據調節器輸出的不同區段的信號，通過改變閥門定位器的彈簧或零點，達到控制相應調節閥作全行程動作的目的。

采用閥門定位器實現分程控制的特點如下：

a. 當兩臺控制閥串聯在同一回路中時，一旦中間線路出現故障或者其中一臺閥門正在進行檢修，該回路中兩臺閥門將都不能正常工作。

b. 分程控制是通過閥門定位器的反饋杠桿來改變閥門定位器的量程范圍來實現的，在現場調校中工作非常繁瑣，增加了現場的工作量，且維修不方便。

圖1 油田項目一級分離器的氣相壓力控制

圖2 采用閥門定位器實現分程控制

2.2 控制系統組態

在DCS系統中，可以通過組態來實現分程控制功能(圖3)。模擬輸出AO將輸出值(OP1，OP2) 轉換成4～20mA輸出信號分別給兩個閥門定位器，以實現兩個閥門的開關動作，從而達到分程控制的目的。另外，模擬輸出點還有正/反作用設置功能，能更方便地實現分程控制。

圖3 采用控制系統組態實現分程控制

通過控制系統組態來實現分程控制具有以下特點：

a. 將兩臺控制閥分別接在兩個回路中，其中任何一臺控制閥出現故障都不會影響另外一臺控制閥的正常工作，提高了系統的可靠性，降低了風險。

b. 分程控制是通過改變AO組態參數來實現的，而現場閥門定位器無需作任何改動，減輕了實際調校工作的難度和現場工作量，維修、維護方便。

經分析，伊朗北阿扎德甘油田地面工程項目均采用控制系統組態來實現分程控制功能。

3 注意事項

3.1 調節閥的泄漏問題

當分程控制系統是用于擴大調節閥的可調比時，一個口徑較大的閥門和一個口徑較小的閥門并聯，如果大口徑閥門全關后實際泄漏量仍過大，小口徑閥門在小開度時將不能起到調節作用，達不到擴大可調比的目的。

3.2 流量跳變

當分程控制系統用于擴大可調比時，在分程信號的接合點處由于大口徑閥門的開始打開，它會立即通過一個由閥門本身固有可調比所決定的可控最小流量，此時小口徑閥門仍然處于全開狀態，因此由兩個閥門并聯來決定的管路流量特性在此處會發生跳變。在實際過程中，對于一般的分程控制系統，該跳變點對工藝影響不大，但在要求較高的分程控制系統中，設計應考慮避免長期工作在此點附近[2]。

3.3 調節閥流量特性的選擇

在分程控制系統中，雖然兩個閥門的工作信號范圍是相同的，但是由于兩個閥門的流通能力不同，兩閥的流量特性增益在轉折點處有跳變，因此在一般的擴大閥門可調比的分程控制系統中，兩調節閥應選擇等百分比的流量特性。

4 結束語

分程控制是自控系統復雜控制中的一種，根據工藝需求，分析分程控制的特點，確定分程控制的實現方式，在安全可靠運行的原則下兼顧節能、降低成本及方便操作維護等各方面因素，是成功應用分程控制系統的重要保障。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2011.

[2] 金以慧.過程控制[M].北京:清華大學出版社,2005.