平均值法在加热炉支路平衡控制上的实现

吴洁芸 雷卫良 周 娓 程高峰

(浙江中控技术股份有限公司，杭州 310053)

炼油化工生产中最常见的加热炉是管式加热炉，约占装置投资的10%左右，其作用是将用炉管中的油料加热至需要的温度，然后进入到下一个工艺设备中进行分馏、裂解及反应等。原油加热炉由于被加热的油品处理量大，通常将油品分为多个支路在加热炉中加热。由于加热炉炉膛温度燃烧得不均匀，且各个支路炉管传热特性有差异，将导致各个加热炉支路出口温度不同，容易引起结焦和热损耗。因此，常减压装置加热炉出口温度平衡是加热炉的重要控制指标，它对于安全生产、降低能耗具有非常重要的意义[1，2]。

最早的支路控制由操作员依据出口温度偏差调整流量，由于操作员的精力有限，不能及时关注温差，而且调节单支路流量会导致总流量的变化，进而影响负荷。文献[3～5]中采用差动法对支路进行控制，使得支路平衡从手动控制转向自动控制，但是差动法必须存在对称管道，且对称管道的流量增减必须是相等的，一个流量增加了另一个流量必然减少。然而，实际管道受热情况不一致，炉管传热特性也不一致，同样的流量变动引起的温度变化是不一致的，这种对称的流量修改特性势必会导致温度控制效果差。

笔者提出一种新的算法，对每个支路采用一个单独的增量式PID控制算法，将各支路出口温度取平均值作为PID的设定值，各支路温度作为测量值。可以单独按照各个支路的特性设置不同的PID值，同时为了保证总管流量不变，对每个支路的输出进行修正，故称之为平均值法平衡控制方法。

1 平均值法平衡控制方法①

平均值法采用多个增量式PID控制算法实现平衡控制。

1.1 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法如下[6]：

(1)

ΔEt=Et-Et-1

Et=设定值-测量值

式中dMVt——本周期输出；

PB——比例系数；

TD——微分系数；

TI——积分系数；

Ts——控制周期。

1.2 双支路平衡控制基本原理

双支路平衡控制的基本原理如图1所示，双支路平衡控制对出口温度T1和T2取平均，采用两个平衡调节器来调节两个支路的设定流量，并通过两个流量调节器分别调节每个支路的流量。平衡调节器是一个增量式PID控制器，以温度平均值TA为设定值，出口温度为测量值进行PID控制。假设当支路1的出口温度大于支路2的出口温度，即T1>T2，那么T1>TA>T2,这样支路1的平衡调节器的偏差=T1-TA>0,而支路2的平衡调节器的偏差=T2-TA<0；那么平衡调节器输出FD1>0,而平衡调节器的输出FD2<0；通过流量调节器，使得支路1的流量变大，支路2的流量减少，这样就能达到平衡控制。

图1 双支路平衡控制基本原理

为了保证总流量不变，需要将平衡调节器的输出进行修正，修正算法如下：

(2)

(3)

式中dMV1、dMV2——第1、2路平衡调节器增量式PID输出；

FD1、FD2——第1、2路平衡调节器输出。

由式(2)、(3)可得FD1+FD2=0，说明总流量未变。

1.3 多支路平衡控制基本原理

多支路平衡控制是对出口温度T1～Tn(n≥2)取平均，然后采用n个平衡调节器来调节n个支路的设定流量，并通过n个调节器分别调节n个支路的流量。各个支路的平衡调节器是一个增量式PID控制器，以温度平均值为设定值、各支路出口温度为测量值进行控制。为保证总流量不变，需将平衡调节器的输出进行修正，修正算法为：

(4)

FD1=dMV1-Amend

(5)

FD2=dMV2-Amend

(6)

FDn=dMVn-Amend

(7)

由式(4)～(7)可得：

FD1+FD2+…+FDn=dMV1+dMV2+…+dMVn-

n·Amend=0

(8)

由式(8)可知，该修正算法保证总流量不变。

一旦各支路温度平稳，那么各支路的偏差等于0，各支路平衡调节器的输出都为0，各支路的流量调节器的设定值不变。

1.4 总管流量控制

工艺过程中，按照负荷的要求，需要增、减总管流量，可以将总管流量的增量均匀地分配给各流量调节器的设定值，但由于每个支路的情况不一样，均匀分配会导致出口温度不平衡，带来再次的扰动。按照当前设定流量进行加权修正，算法如下：

式中F1t，F2t，…,Fnt——本周期第1,2,…,n路流量调节器设定；

F1(t-1)，F2(t-1)，…,Fn(t-1)——上周期第1,2,…，n路流量调节器设定；

FSt——本周期总管流量设定；

FS(t-1)——上周期总管流量设定。

该算法能够及时响应总管流量的变化，并降低由此对出口温度偏差带来的扰动。

2 实现

在ECS-700系统上实现了8支路平衡控制，并封装成专用功能块，可以按照工艺要求选择2、4、6、8支路平衡控制。该功能块同时对投运支路的流量偏差和温度偏差进行监视，当超过阈值后进行报警，其组态简单、调试方便。

3 效果分析

选择某个项目6支路平衡的应用情况，在投运前，该项目采用手动调节，出口温度最大偏差长期稳定在8℃左右，在调节负荷过程中，温度偏差会超过10℃，运行效果如图2所示。在采用6支路平衡投运后，控制效果如图3所示，温度偏差最大为4℃左右。

图2 6支路平衡投运前控制效果

图3 6支路平衡投运后控制效果

4 结束语

介绍了加热炉支路平衡控制的平均值算法,并在ECS-700系统上实现，控制方案具有组态简单、投运方便、鲁棒性强和易操作的特点。通过实际应用可知，平均值法加热炉支路平衡控制不仅调节方便,而且具有较好的控制效果。