串級均勻控制系統在深冷凝液回收裝置中的應用

唐 建

(四川科比科油氣工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

天然氣中除甲烷外還含有一定量的乙烷、丙烷及更重的烴類組分[1]。可把從天然氣凝液中回收的乙烷、液化石油氣和穩定輕烴廣泛用作石化原料。其中，乙烷裂解生產乙烯的工藝具有收率高、成本低和生產裝置穩定性強等優點。因此，合理利用天然氣中豐富的乙烷資源，對實現乙烯工業的快速發展具有重要意義[2]。部分干氣再循環工藝(recycle split vapor,RSV)是美國公司于上世紀提出的一種高效乙烷回收工藝，在國外得到了廣泛應用。目前，國內僅有少數回收乙烷的裝置，且基本為整套引進裝置。

新疆克拉美麗氣田增壓及深冷提效工程中的深冷凝液回收裝置是國內首個采用RSV工藝深冷回收乙烷的處理工程。自該工程建成投產后，克拉美麗氣田新增乙烷、液化石油氣、穩定輕烴3種產品，其中生產乙烷約52 000 t，經濟效益十分顯著。根據深冷凝液回收裝置的工藝流程及設備控制要求，采用串級均勻控制系統對脫甲烷塔和脫乙烷塔的液位、流量進行控制[3]。實際應用表明，該控制方案能兼顧液位與流量的控制，保證液位在較小范圍內平穩變化，同時減緩流量波動。

1 工藝流程

新疆克拉美麗氣田增壓及深冷提效工程中的深冷凝液回收工藝流程，就是利用脫水凈化后天然氣中所含各組分沸點的差別，在低溫下分離回收乙烷、液化石油氣和穩定輕烴的過程。該流程采用了膨脹壓縮機制冷、丙烷機組輔助制冷和RSV回收乙烷工藝。該流程的主要設備包括脫甲烷塔、脫乙烷塔、液化氣塔、多股流換熱器、膨脹壓縮機、丙烷制冷機組等。克拉美麗深冷凝液回收裝置工藝流程圖如圖1所示。

圖1 克拉美麗深冷凝液回收裝置工藝流程圖

由圖1可知，原料氣經多股流換熱器預冷后在低溫分離器進行氣液分離。分離出的凝液進入脫甲烷塔。分離出的大部分氣相進入膨脹壓縮機組，經膨脹降壓后進入脫甲烷塔。脫甲烷塔氣相經膨脹壓縮機增壓后外輸。增壓后的外輸氣分流一部分作為循環氣，經多股流換熱器冷卻再節流后進入脫甲烷塔。脫甲烷塔塔底的餾出液進入脫乙烷塔。脫乙烷塔塔頂氣相乙烷一部分作為乙烷產品經三股流換熱器加熱后抽出外輸，另一部分作為塔頂回流。脫乙烷塔塔底餾出液進入液化氣塔。

由圖1可以看出，脫甲烷塔、脫乙烷塔和液化氣塔之間相互串聯，前一個塔的出料直接作為后一個塔的進料。為了保證這3個相互串聯的塔能正常連續生產，要求前一個塔液位穩定、后一個塔進料平穩，同時要防止每個塔被抽空或滿塔。而前一個塔的液位控制除了保證本塔的液位在一定范圍內，還要兼顧到后一個塔的進料量，使它變化平穩，避免波動太大。

2 串級均勻控制系統

2.1 串級控制系統

串級控制系統如圖2所示。

圖2 串級控制系統

由圖2可知，該系統有兩個環路，一個主環和一個副環。主環上的主控制器輸出作為副環上副控制器的給定，而副環上的副控制器輸出直接送往執行器[4]。系統有兩個測量變送單元，一個測量主被控變量，另一個測量副被控變量。串級控制系統主環是一個定值控制系統，副環是一個隨動控制系統。串級控制系統的目的是控制主被控變量穩定。串級控制系統主、副回路相互配合，具有單回路控制系統的全部功能，以及單回路控制系統所沒有的優點，大大改善了調節品質[5]。該系統在被控對象滯后較大，負荷變化或干擾比較頻繁、強烈的工藝生產過程中具有良好的控制效果。

2.2 均勻控制系統

均勻控制系統把被控變量和控制變量統一在一個控制系統中，從系統內部解決工藝參數之間的矛盾。具體而言，就是使被控變量在允許的范圍內波動，與此同時讓控制變量緩慢變化[6]。均勻控制可以使兩個參數都作平均分攤、緩慢變化，也可以根據前后設備特性來確定均勻的主次，實現一個參數為主、另一個參數為輔的控制要求。均勻控制系統在結構形式上無任何特殊性，一個普通結構形式的控制系統能否實現均勻控制的目的取決于控制器的參數整定情況[7]。

3 控制方案設計

3.1 控制系統設計要求

工藝要求脫甲烷塔流量波動幅度小于4 m3/h、脫乙烷塔流量波動幅度小于2.5 m3/h，同時要求脫甲烷塔和脫乙烷塔的液位波動幅度均小于300 mm。采用串級均勻控制系統就可以很好地完成這一特殊控制任務。串級均勻控制兼顧液位與流量之間的矛盾，在保證每個塔進料平穩的同時，確保每個塔的液位在一定范圍內波動。脫甲烷塔、脫乙烷塔串級均勻控制系統如圖3所示。

圖3 脫甲烷塔、脫乙烷塔串級均勻控制系統

由圖3可知，串級均勻控制系統的結構與普通的串級控制系統沒有區別。但這里采用串級形式并不是為了提高主參數(液位)的控制質量，而是在兼顧液位控制要求的同時使其流量控制平穩[7]，即以控制流量參數為“主”、以控制液位參數為“輔”。

3.2 控制規律選擇

串級均勻控制系統主控制器一般采用純比例控制，有時也可采用比例積分控制[8]。串級均勻控制系統的副控制器可以采用純比例或比例積分控制。在本工程中，工藝要求液位參數只能在一定范圍內變化，不允許其大范圍波動，且塔內存在相變，液位測量中的噪聲較大。因此，液位控制器選擇比例積分控制，以避免長時間單方向干擾導致的液位超限。工藝要求流量控制盡量平穩，因此流量控制器選擇比例積分控制。

4 比例積分微分參數整定

串級均勻控制系統中主控制器和副控制器的比例積分微分(proportional integral differential,PID)參數整定均要“慢”，系統過渡過程不允許出現明顯的振蕩，以免工藝負荷劇烈波動。PID參數整定有理論計算方法和工程整定方法[9]。由于工程整定方法具有簡單、實用和易于掌握的特點，本工程采用了經驗值工程整定方法。

4.1 PID參數的初始值

根據PID參數整定經驗數據，流量控制器比例系數通常為40%～80%，積分時間通常為18～60 s;液位控制器的比例系數通常為20%～80%，積分時間通常為18～60 s[10]。根據工藝對液位及流量的控制要求，結合經驗數據，事先設定好控制器的PID參數值。PID參數的初始值如表1所示。

表1 PID參數的初始值

4.2 控制系統投運

控制系統投運是將系統由手動控制模式切換到自動控制模式的過程[6]。串級均勻控制中，如果主控制器引入比例積分控制作用，那么在裝置開、停車時，主被控變量偏離給定值的幅度大，積分作用會使調節閥全開或全關，導致工藝過程大幅波動。為避免這種現象，在開、停車時需將主控制器轉入手動控制模式，待手動將主被控變量控制在給定值附近時方可投入自動控制模式。串級均勻控制系統投運應采取先投副環、后投主環的投運順序。

4.3 PID參數整定方法

裝置投入運行后，首先按照表1中的數據設置好控制器的PID參數初始值，然后把液位控制器設置為手動控制模式，最后把流量控制器設置為自動控制模式。PID參數初始值及控制器控制模式設置好后，結合當前工藝負荷要求，通過調整流量控制器的給定值(改變液位控制器手動輸出值)觀察流量過渡過程曲線。根據各種控制作用對過渡過程的不同影響來改變相應的PID參數值，進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質量為止。

流量控制器PID參數整定好以后，保持流量控制器在自動控制模式，調整液位控制器手動輸出值，待液位達到給定值附近時將液位控制器投入自動控制模式。此時，觀察液位控制曲線。對PID參數進行反復湊試，直到液位滿足控制指標為止[11]。如果液位變化范圍超限則減小比例系數，增強液位控制能力；如果液位變化范圍太小，則可適當增大比例系數，使液位在允許的范圍內變化。比例度整定好后，緩慢增加積分時間，減弱積分作用，使液位控制器輸出更加平緩。這樣，流量控制回路給定值變化就更加緩慢，使流量控制更加平穩。

4.4 串級均勻控制的應用效果

脫甲烷塔液位及流量的變化曲線如圖4所示。

圖4 脫甲烷塔液位及流量的變化曲線

由圖4可知，脫甲烷塔流量在30.5～32 m3/h內緩慢變化，流量波動幅度為1.5 m3/h，完全滿足流量允許波動4 m3/h的要求。脫甲烷塔液位在1 940～2 070 mm內緩慢變化，液位波動幅度為130 mm，滿足液位允許波動300 mm的要求。

脫乙烷塔液位及流量的變化曲線如圖5所示。

圖5 脫乙烷塔液位及流量的變化曲線

由圖5可知，脫乙烷塔流量在16.3～17.3 m3/h內緩慢變化，流量波動幅度為1 m3/h，滿足流量允許波動2.5 m3/h的要求。從圖5中還可看出，脫乙烷塔液位在1 140～1 260 mm內緩慢變化，液位波動幅度為120 mm，滿足液位允許波動300 mm的要求。

PID參數整定的結果如表2所示。

表2 PID參數整定的結果

綜上所述，在采用串級均勻控制系統并應用經驗值工程整定方法整定控制器的PID參數后，深冷凝液回收裝置運行平穩，脫甲烷塔和脫乙烷塔的液位及流量均獲得了比較好的控制效果，實現了整個裝置連續平穩運行的要求。表2中的PID參數整定數據可供技術人員在采用串級均勻控制系統的工程中參考。

5 結論

工業過程控制系統種類繁多。在工程應用中，應當按照工藝流程特點和工藝控制要求，設計相應的過程控制系統；同時，應根據設計控制系統的特點，確定系統投運方案和PID參數整定要求。合理的PID參數整定才能得到較好的控制效果。本文以克拉美麗深冷凝液回收裝置中脫甲烷塔、脫乙烷塔的液位和流量控制為例，說明了串級均勻控制系統的工程應用。該工程自成功投產以來一直平穩運行，取得了良好的經濟效益。串級均勻控制系統在具有多個串聯設備、前后生產過程聯系緊密的連續工業生產過程中具有廣泛的應用價值。