雙變量調節策略在石化行業的應用

柴平海

摘 要：介紹了雙變量調節策略在石化行業大型機組控制中的應用，解決了單回路及串級控制大型機組的缺陷。實現了大型壓縮機組全自動運行，提高了大型壓縮機組的自動化控制程度，減輕操作人員負擔，更好的保障裝置的平穩運行，同時給企業帶來潛在的經濟效益。

關鍵詞：雙變量；調節策略；串級；分程；機組；喘振；轉速

中圖分類號：TK403 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0112-02

0 引言

壓縮機組是石化工廠的重要核心設備，機組長期平穩運行是確保裝置穩定的基礎，壓縮機組也是工廠的能耗大戶，是企業的潛在的經濟利益環節。如重整裝置增壓機，使用常規控制算法和控制參數，導致壓力限制控制不能投用自動，不能起到應有的作用。當流程發生波動或突發事件，擾動很大，操作人員不得不手動進行干預，如干預不當或不及時，極容易造成裝置停車。

鑒于以上情況，為了企業長遠發展，安全利益最大化。作為控制系統主管技術人員，深入研究，全面分析，在自動化控制方面能做哪些改進？為此我們擺脫機組廠家的原有設計框架，大膽想辦法，提出改進建議，先從理論上論證其可行性，再同控制系統廠家的開發人員多次交流，最終引入雙變量調節方案，并且很好的解決以上困難，每年為企業節約成本一千萬人民幣左右。

1 雙變量調節引入機組控制的背景

寧波中金石化有限公司連續重整裝置循環氫裝置，采用UOP工藝包。該裝置的重整氫增壓機組（C-1202）選用了沈鼓公司的壓縮機和杭汽的汽輪機組成。如圖1。

1.1 UOP最初的三分程控制方案

壓力調節控制輸出信號分為三段：第1段0～33%/100～0%控制低壓側喘振閥；第2段33～66%/0～100%控制機組轉速；第3段66～100%/0～100%控制低壓側放空閥。該系統無法投入自動控制，常年處于手動狀態。

1.2 機組廠家的二分程控制方案

根據機組廠家和UOP建議將壓力調節控制輸出信號分為二段：第1段0～50%/100～0%控制低壓側喘振閥；第2段50～100%/0～100%控制機組轉速。壓力控制器輸出0-50%控制逐步關閉低壓缸一回一返回閥FV-129216進行100-0%進行調節，增大外排氣量；當輸出>50%后，FV-129216全關，通過增加C1202轉速增大外排氣量。

1.3 以上控制方案存在問題

1.3.1 進口壓力PI-121501/PIC-121701A控制

（1）壓力不能投用DCS串級自動控制，一旦遇到較強的擾動時，操作人員不得不手動進行干預，如干預不當或不及時，極容易造成裝置異常波動。（2）在裝置低負荷運行時，該二分程控制很難投自動控制。（3）目前V1202壓力僅靠轉速控制，這樣造成轉速高，蒸汽消耗大。在負荷低或在入口壓力快速下降等工況不能及時的將系統壓力調整平穩。

1.3.2 壓力保護控制

由于控制策略簡單及部分參數不合理，壓力保護控制不能投用自動，不能起到應有的作用。

1.3.3 防喘振控制

（1）當流程發生波動或突發事件（如出口調壓閥突然關閉），優化前的防喘振控制無法及時準確的進行調節，調節速度過慢，無法再優化前的喘振裕度下將工作點及時拉回到安全區域，為安全起見優化前防喘振控制器設置為半自動狀態。（2）原有喘振線是根據機組廠家的設計性能曲線計算出來的，沒有經過現場實際喘振測試，為了滿足手動操作，安全裕度設得過小，工藝波動大/手動操作防喘振閥不及時，工作點進入防喘振控制線內的狀況下，防喘振閥會快速打開造成了工藝大幅波動，不能真正起到保護壓縮機組的作用。

2 雙變量調節控制的具體策略

鑒于以上情況，為了企業長遠發展，安全利益最大化。同控制系統廠家的開發人員多次交流，最終引入雙變量調節方案，并且很好的解決以上困難，具體控制策略如下。

2.1 入口壓力控制優化方案

分離器壓力PI-121501的控制器PIC-121501其給定來自重整產物罐壓力控制器輸出，其控制輸出輸出信號分為二段，如圖2。

第1段：0～66%/0～100%作為性能控制中入口壓力控制輸出；第2段：66～100%/0～100%控制放空閥PIC-121701B/PIC129215A。機組入口壓力保護控制，當入口壓力超過設定值時，壓力保護控制器直接打開放火炬閥進行放空，防止入口壓力超壓。

2.2 雙變量調節控制的具體方案

當機組進入運行模式，讓防喘振閥和轉速同時參與調節控制，實現雙變量調節控制。如果單純的用入口壓力控制器與轉速控制器做串級控制，當壓縮機的工作點靠近防喘振線時，這時再通過降低轉速將工作點遠離防喘振線，是危險的，很容易發生機組喘振；當機組入口壓力需要快速提升時，通過只降轉速是不能滿足的，這時需要快速打開一段防喘振閥來提高入口壓力，等到入口壓力穩定后，再關回一段防喘振閥同時降低轉速，保證壓縮機的入口壓力平穩運行。為此根據不同工況，將防喘振閥和轉速調節同時參與機組控制，進入雙變量自動控制模式，該調節控制策略能夠有效的解決大型機組無法投自動控制的難題。

雙變量調節控制說明：（1）裝置開工期或低負荷運行時，防喘振閥沒有全關，工作點距離防喘振線較遠，通過防喘振閥調節控制入口壓力。（2）當裝置開工正常，運行負荷增加，入口壓力控制器輸出增加，這時喘振閥開始往關小，當入口壓力控制器輸出大于33%后，結合機組工作點的位置，壓縮機轉速開始增加，此時入口壓力由轉速控制和防喘振閥雙變量同時控制。（3）當入口壓力下降，入口壓力控制器輸出減小時（66%-33%），降轉速；降轉速的同時，動態分程線向左移動，向左移動的速度有速率限制，當防喘振的工作點距離控制線很近時，速率為零，不允許動態分程線向左移動。轉速的降低的速度如果超過了動態分程線向左移動的速度，那么轉速降低的速度等于態分程線移動的速度。（4）當入口壓力控制器的輸出（藍色線）小于動態分程線（紫色線）時，入口壓力直接控制喘振閥門；此時如果機組的工作點距離防喘振線大于5%（可調），待壓力穩定后，防喘振閥門開始關小，轉速降低，保持入口壓力平穩，如圖3。

3 雙變量調節控制應用后的效益

雙變量調節調節于2017年11月28日在寧波中金石化正式參與控制，增壓機入口壓力控制完全由一段防喘振控制實現，機組處于最低操作轉速下運行。在入口工況（高分罐液位/壓力）波動的條件下，機組控制系統能夠及時調節，將入口壓力自動控制在設定值的±7KP范圍內。保證了循環機能夠按照降低循環量、提高芳烴產物和氫氣產率的工藝操作。實現了既降低增壓機能耗，又實現裝置全自動控制，減輕操作人員負擔，實現雙重效益。

機組雙變量全自動控制的投用，使機組的自動化控制水平提高，減少操作人員手動操控，減輕操作人員工作負擔，更好的保障裝置的平穩運行，給企業帶來雙重效益。寧波中金石化重整裝置進料量達到290噸，增壓機防喘振閥全關。增壓機入口壓力控制完全由機組轉速控制，節約蒸汽大于5t/h，節省費用大于840萬/年。

4 結語

經過實踐證明，增壓機組在開停機及正常運行時，機組雙變量調節能夠保證入口壓力自動控制。機組轉速和防喘振閥雙變量控制，使機組能在不同負荷時進行高效全自動調節控制，避免機組轉速過高產生較高蒸汽能耗，同時保障了機組長周期安全平穩運轉。

參考文獻

[1] 施仁.自動化儀表與過程控制（第四版）[M].北京：電子工業出版社，2009-2-1.

[2] 陳洪全，岳智.儀表工程施工手冊[M].北京：化學工業出版社，2013-4-1.

[3] 趙峻松，石油和化工企業儀表及運行管理手冊[M].北京：機械工業出版社，2018-9-1.