复杂控制方案的特点及其典型应用

陈 艳

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

在常规油气田地面工程设计中，单回路控制方案解决了大量的定值控制问题。但是随着工程规模的扩大，其复杂程度越来越高，对产品质量的要求也越来越高，简单控制方案已经不能满足要求。

在单回路控制方案的基础上，复杂控制方案往往能发挥关键作用。常见的复杂控制方案包括串级控制、比值控制、选择控制、分程控制、前馈控制、超驰控制、压缩机防喘振及负荷分配控制等。在此，笔者就串级控制和压缩机防喘振控制的特点及其应用中应该注意的问题加以阐述。

1 串级控制系统①

由两台控制器串联在一起，控制一个调节阀，就构成了最简单的串级控制回路，如图1所示。

图1 一般串级控制回路

以加热炉出口温度控制为例，常规单回路控制方案及其反应时间分析如图2所示。

图2 加热炉出口温度单回路控制及其反应时间分析

经分析，受燃料油组分、油压，喷油用过热蒸汽压力，被加热油料流量、温度，配风、炉膛漏风四大因素的扰动，致使控制通道容量滞后很大，控制缓慢[1]。虽然所有对温度的干扰都包括在控制回路中，但对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。如果改用如图3所示的串级控制方案，在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化量，就能够解决上述控制不及时的问题了。

图3 加热炉出口温度串级控制及其反应时间分析

可以看出，当检测到炉膛温度(副对象)发生变化时，副调节器θ2C随即调节燃料进料阀的开度，提前对可能造成原料出口温度(主对象)的偏差进行控制，避免了滞后和扰动带来的偏差(图4)。可见，串级控制系统在一定程度上改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，具有较强的抗扰动功能和一定的自适应能力。适用于被控过程存在较大滞后的场合。

图4 调节效果比较

2 离心机防喘振控制

离心压缩机在石油化工行业应用广泛，但是由于对气体压力、流量和温度变化比较敏感，因而易发生喘振，这会导致压缩机重要部件的损坏，实际运行中具有较大的危害[2]。

压缩机的出口绝压pd与入口绝压ps之比(即压缩比)和入口体积流量的关系曲线如图5所示。将不同转速下的压缩机特性曲线最高点连接起来所得的曲线即为压缩机喘振极限线(图6)。当离心式压缩机最小流量时，此工况称为喘振工况。

图5 离心式压缩机特性曲线

图6 喘振极限线及安全线

当流过机组的流量小于压缩机的最小流量，就会导致机组内出现严重的气体旋转分离，并产生大幅的气流脉动。因此，临界喘振点之前靠打循环(回流)加大流量，就能使压缩机工况点远离喘振点。当压缩机在低负荷运行时，固定回流量会造成能源浪费，如图7所示。

图7 固定流量极限防喘振控制

如果能使压缩机工况点沿如图6所示的防喘振控制线变化，就可以保证压缩机工况点不进入喘振区域，且能耗最小，即回流量视情况进行动态调整。

可变极限流量防喘振控制如图8所示，其中PY1是加法器，完成p1-ap2的运算；PY2是乘法器，完成(p1-ap2)与n/(bK12)的相乘运算，其输出作为防喘振控制器FC的设定值；PT1和PT2是绝对压力变送器，测量离心压缩机的入口和出口压力；PdT是入口流量测量用的差压变送器，其输出作为防喘振控制器FC的测量值。

图8 可变极限流量防喘振控制

(p1-ap2)·n/(bK12)中，n=M/(ZR)，Z、R和M分别为压缩系数、气体常数和相对分子质量，当被压缩介质确定后，该项是常数[3]；K1为流量常数，当测量入口流量的节流装置确定后，K1确定；a和b是与压缩机有关的系数，当压缩机确定后，其值也是确定的。

图8所示的可变极限控制系统是随动控制系统，测量值是入口节流装置测得的差压值pd，设定值是根据喘振模型计算得到的[n/(bK12)]·(p2-ap1)。如果测量值偏离设定值，回流阀则相应地调整开度，使压缩机入口流量不低于极限流量，确保压缩机远离喘振点。

利用多变量函数来计算压缩机工作点对喘振的趋近程度，精确地确定对扰动大小的响应，从而使压缩机防喘振安全裕量最小，其结果是既保护了压缩机又使回流量或放空量降到最低程度，同时实现了节能和高效运行的目标。

3 结束语

串级控制回路的结构特点是，两控制器串联，两闭合回路形成内外环，可以解决对象滞后大、干扰作用强而频繁且负荷变化较大的问题。离心机防喘振控制的结构特点是单闭环，即设定值固定或可变，可将压缩机的工作点控制在稳定的工作区域，而且使能耗最小。掌握了各类复杂控制方案的结构特点及其控制特点，就能在装置自控系统的设计中，依据装置要求择优选择。