重整裝置中壓汽包液位控制方案的改進策略

李洪濤 郭 猛

(中國石油大連石化公司)

重整裝置中壓汽包液位控制方案的改進策略

李洪濤 郭 猛

(中國石油大連石化公司)

介紹了大連石化重整裝置中壓汽包液位控制方案，并對其缺陷進行改進：利用CS3000系統自帶的前饋控制功能塊解決了計算式過多的問題，實現了串級控制的無擾動切換；將兩路給水流量和兩路發汽流量與汽包液位組成的三沖量控制拆分為兩個三沖量控制回路，取消了比值控制器，也能滿足兩路給水流量的比值關系。

液位控制 三沖量 FFSUM 自動跟蹤 比值器

大連石化每年220萬噸連續重整中壓發汽系統是利用四合一反應爐的煙道氣的余熱產生3.5MPa蒸汽去驅動機組的透平壓縮機，汽包液位是一個非常重要的控制參數，關系到裝置的安全生產，DCS系統采用的是橫河CS3000控制系統。中壓汽包液位的控制較為特殊，即一個汽包液位控制兩路給水流量和兩路發汽流量，而兩路給水流量又存在一定的比值關系，是一個較為復雜的三沖量控制。工藝包中的控制方案采用了較為復雜的計算式來計算液位控制器輸出和給水流量控制器的設定值的對應關系，CS3000在選擇組態控制方案時如果選用工藝包的計算方案就會破壞串級控制回路中主、副控制器的跟蹤關系，在串級回路投用和切除時產生擾動，給裝置生產帶來影響。為了避免這種控制弊端，利用CS3000控制系統自帶的一些功能改進了控制方案，實現了三沖量串級控制主、副回路的無擾切換。

1 控制對象分析

在正常操作運行中，外界對汽包液位調節系統的干擾有兩種：一是蒸汽負荷擾動對液位的影響，當蒸汽負荷突然增加時，根據質量平衡關系，液位應該下降，但此時由于汽包的壓力也突然下降，將導致汽包內的水沸現象突然加劇，水中的汽泡迅速增加，將整個水位抬高，形成虛假液位，當水汽混合物中的汽泡容積與蒸汽的負荷達到平衡后，汽泡的液位才逐漸下降；二是給水流量擾動對液位的影響，由于給水溫度較低，當給水量增加后，使汽包內的汽泡量減少，導致液位下降，即使給水量突然增加，汽包的水位一開始也不能增加，而要經過一段時間滯后，液位才能上升。

根據以上的干擾分析，僅在汽包上設置液位調節系統控制液位，不能克服以上干擾達到穩定調節的目的。中壓發汽工藝流程如圖1所示，從圖中可以看出，鍋爐給水分為兩路，進入到不同的加熱爐后匯總到汽包，同時產生對應的蒸汽量。

在控制上汽包液位采用了三沖量控制方案[1～3]， 即：引入蒸汽信號作為前饋干擾量，避免由于蒸汽負荷突然增加或減少時，水位過大偏離給定值，造成液位波動。

2 工藝包控制方案分析

2.1 控制方案介紹

工藝包中給出給水設定值的計算公式為：

FY=C×(FI1+FI2)+(FC1量程+FC2量程)×

(LC輸出-50)/100

(1)

其中C為可調系數；FY為加法器，它接收蒸汽流量和自汽包液位控制器輸出與偏置常數兩者之差的線性信號。為使液位控制器能隨著液位的增減而變化，偏置常數被人為地設定為50%，加法器的輸出作為汽包給水流量控制器的設定值。當不需要串聯時，給水流量控制器可作為單獨的流量控制器操作。同時液位控制器的輸出按下列公式跟蹤給水設定：

圖1 中壓發汽工藝流程

LC輸出=50+{100×[FC1設定值+FC2設定值-C×

(FI1+FI2)]/(FC1量程+FC2量程)}

(2)

系統被設計成在穩定狀態下，引入每單位重量的水產生的每單位重量的蒸汽，以保證水汽平衡。由于此發汽系統是兩路給水，兩路發汽，工藝包給的計算公式是將兩路蒸汽流量之和與液位控制器輸出疊加后作為總的給水需求量輸出到比值控制器去分配給兩路給水流量控制器。

2.2 控制方案存在的問題

本裝置中采用的DCS控制系統是日本橫河的CS3000系統，絕大部分的控制回路都是通過不同的功能塊連接來實現控制目的的。按照常規的汽包液位控制應該選用三沖量控制方案，液位為主控對象，進入主回路PID控制器，給水流量進入副回路PID控制器，蒸汽流量作為干擾量引入去補償給水流量控制器的設定值。按照上述計算公式，CS3000可應用加減乘除等計算塊來計算出FY值，作為給水流量控制器的設定值，但是如果在主、副PID控制器之間引入計算塊，就會破壞PID控制的自動跟蹤功能，即當副控制器不在串級控制時，主控制器的輸出值不會自動跟蹤副控制器的設定值，在投入串級控制時就會產生擾動，給生產帶來影響。式(2)的實質是FY值的反算，用于主、副控制器的自動跟蹤，CS3000的PID控制塊[4]在串級回路中本身就具備這種跟蹤功能，不需通過計算來實現。

3 控制方案組態

3.1 組態功能塊的結構原理與應用

針對這種典型三沖量控制，CS3000有一種專門的前饋控制功能塊(FFSUM)可應用于三沖量控制方案。此功能塊不但具有跟蹤特性還可將蒸汽干擾量和主回路液位控制器的輸出同時引入，作為設定值輸出到副回路給水流量控制器，其結構如圖2所示。這里主回路控制器的輸出信號從端子IN進入，蒸汽流量作為前饋干擾信號從端子VN引入，然后經過信號相加處理后從端子OUT輸出，其他端子不經常使用這里就不再介紹。

圖2 FFSUM結構

FFSUM的輸入補償原理如圖3所示。

圖3 FFSUM輸入補償原理

FFSUM補償公式為：

CV=PV+CK(VN+CB)

式中 CB——補償偏置常數；

CK——補償增益；

CV——前饋補償后的輸出；

PV——過程變量，用于連接主回路液位控制器的輸出；

VN——前饋補償量。

從圖3中可以看到，將蒸汽流量作為干擾量從VN端子引入有兩點好處：一是可以通過調整CK值來切除或引入干擾量；二是可調整引入干擾量的大小。第2點很重要，尤其是在控制方案剛剛投用時可以調整CK值將前饋量一點一點地引入，而不是一下子將整個干擾量加進來，這樣做有利于系統的平穩。

這樣用FFSUM補償公式將工藝包計算公式簡化，FFSUM塊的PV端子連接液位主控制器的輸出，VN端子連接兩路蒸汽流量的相加值，即蒸汽量的總和，MV端子輸出到比值控制器，作為兩路副控制器的流量給定值。而且FFSUM塊的PV端子和MV端子之間具有串級回路的自動跟蹤功能，即如果副控制器不在串級模式，則主控制器的輸出值自動跟蹤副控制器的設定值，這樣可實現投串級的無擾動切換。組態結構如圖4所示。

3.2 組態方案的弊端

從圖4可以看出經過FFSUM輸出的實際是總的給水需求量，作為副回路控制器的設定值，經過比值控制器按比例分配給兩路給水流量控制器，但工藝包對此比值控制器介紹甚少，也沒有給出兩路給水設定值的比例關系，只能從量程上推斷。另外，如果使用CS3000中的比例功能塊RA-TIO來實現比例分配的話，不得不用兩個比值控制器才能實現，一個是給水總量和其中的一路給水流量的比例關系，另一個是兩路給水流量之間的比例關系。這樣做不但增加組態功能塊的數量，顯得繁瑣，還使另外兩路給水流量一直存在著比例制約關系，不能獨立控制，即當其中一路設定值變化時另一路也相應地跟著變化，這是違背工藝包控制思想的，所以不能采納。

圖4 組態回路

4 控制方案的改進

綜合以上分析，結合此工藝流程的特點，筆者應用了CS3000平行分配功能塊FOUT[5],它可將上游PID控制器的輸出轉換成多路輸出給下游不同的PID控制器，普遍用于一主多副的串級控制回路中，具有回路跟蹤功能。此方案中將液位控制器的輸出同時輸出給兩路給水流量控制器，由液位控制總的給水量改為液位分別控制兩路給水量，同時將兩路蒸汽流量分別引入到各自的給水流量控制器，即將此控制回路一分為二，改為兩個獨立的三沖量控制回路，改進后的組態回路如圖5所示。

圖5 改進后的組態回路

由圖5可以看出，改進后的控制方案由液位主控制器直接輸出到給水設定，不用經過量程的轉換和計算，再將兩路蒸汽分別引入到對應的給水回路，這樣每一路都是典型的三沖量控制回路，在主、副回路控制器之間只有FOUT塊和FFSUM塊，都具有回路自動跟蹤功能，可實現串級控制的無擾動切換，并且兩路給水流量互不干擾，都可獨立控制，達到了工藝的控制要求。

5 結束語

筆者采用了將原有控制方案進行分解的措施，把原有方案中過于復雜的中間計算環節用CS3000中現有的功能塊簡化，還避免了原方案中通過公式計算回路反向跟蹤的不足，使控制回路簡化；同時作為擾動量的蒸汽流量也能很方便的引入和切除，控制手段更加靈活。另外，采用一分二的控制措施，將原方案中不夠明確的、組態起來又比較繁瑣的比值控制器屏蔽掉，使控制回路更加暢通和簡潔，操作起來更加方便、安全。此方案在裝置開工投用以來控制效果一直比較好，各工藝參數控制比較穩定，系統運行也非常平穩，達到了控制目的。同時作為汽包液位控制的典型案例也可為其他裝置加以借鑒。

[1] 王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].北京:化學工業出版社,2000:174～230.

[2] 賈志清，羅煒.三沖量在鍋爐汽包液位控制中的應用[J].甘肅科技，2012，28(15)：60～62.

[3] 李長有，高冬霞.基于DCS系統的三沖量汽包水位控制系統的設計[J].自動化博覽，2016，(2)：86～89.

[4] 馬菲.CS3000控制功能塊在連續重整裝置的實現[J].浙江化工,2014,(4)：29～30.

[5] 楊松柏,孫衛國,劉宗勝.DCS控制系統的優化改進[J].化肥工業,2012,39(6):67.

TH865

B

1000-3932(2017)09-0899-04

2016-12-06，

2017-05-23)

李洪濤(1976-)，工程師，從事石油化工設備安裝、質量管理工作。

聯系人郭猛(1981-)，工程師，從事石油化工行業儀表設備的技術質量管理工作，guom_dl@petrochina.com.cn。