重整装置中压汽包液位控制方案的改进策略

李洪涛 郭 猛

(中国石油大连石化公司)

重整装置中压汽包液位控制方案的改进策略

李洪涛 郭 猛

(中国石油大连石化公司)

介绍了大连石化重整装置中压汽包液位控制方案，并对其缺陷进行改进：利用CS3000系统自带的前馈控制功能块解决了计算式过多的问题，实现了串级控制的无扰动切换；将两路给水流量和两路发汽流量与汽包液位组成的三冲量控制拆分为两个三冲量控制回路，取消了比值控制器，也能满足两路给水流量的比值关系。

液位控制 三冲量 FFSUM 自动跟踪 比值器

大连石化每年220万吨连续重整中压发汽系统是利用四合一反应炉的烟道气的余热产生3.5MPa蒸汽去驱动机组的透平压缩机，汽包液位是一个非常重要的控制参数，关系到装置的安全生产，DCS系统采用的是横河CS3000控制系统。中压汽包液位的控制较为特殊，即一个汽包液位控制两路给水流量和两路发汽流量，而两路给水流量又存在一定的比值关系，是一个较为复杂的三冲量控制。工艺包中的控制方案采用了较为复杂的计算式来计算液位控制器输出和给水流量控制器的设定值的对应关系，CS3000在选择组态控制方案时如果选用工艺包的计算方案就会破坏串级控制回路中主、副控制器的跟踪关系，在串级回路投用和切除时产生扰动，给装置生产带来影响。为了避免这种控制弊端，利用CS3000控制系统自带的一些功能改进了控制方案，实现了三冲量串级控制主、副回路的无扰切换。

1 控制对象分析

在正常操作运行中，外界对汽包液位调节系统的干扰有两种：一是蒸汽负荷扰动对液位的影响，当蒸汽负荷突然增加时，根据质量平衡关系，液位应该下降，但此时由于汽包的压力也突然下降，将导致汽包内的水沸现象突然加剧，水中的汽泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假液位，当水汽混合物中的汽泡容积与蒸汽的负荷达到平衡后，汽泡的液位才逐渐下降；二是给水流量扰动对液位的影响，由于给水温度较低，当给水量增加后，使汽包内的汽泡量减少，导致液位下降，即使给水量突然增加，汽包的水位一开始也不能增加，而要经过一段时间滞后，液位才能上升。

根据以上的干扰分析，仅在汽包上设置液位调节系统控制液位，不能克服以上干扰达到稳定调节的目的。中压发汽工艺流程如图1所示，从图中可以看出，锅炉给水分为两路，进入到不同的加热炉后汇总到汽包，同时产生对应的蒸汽量。

在控制上汽包液位采用了三冲量控制方案[1～3]， 即：引入蒸汽信号作为前馈干扰量，避免由于蒸汽负荷突然增加或减少时，水位过大偏离给定值，造成液位波动。

2 工艺包控制方案分析

2.1 控制方案介绍

工艺包中给出给水设定值的计算公式为：

FY=C×(FI1+FI2)+(FC1量程+FC2量程)×

(LC输出-50)/100

(1)

其中C为可调系数；FY为加法器，它接收蒸汽流量和自汽包液位控制器输出与偏置常数两者之差的线性信号。为使液位控制器能随着液位的增减而变化，偏置常数被人为地设定为50%，加法器的输出作为汽包给水流量控制器的设定值。当不需要串联时，给水流量控制器可作为单独的流量控制器操作。同时液位控制器的输出按下列公式跟踪给水设定：

图1 中压发汽工艺流程

LC输出=50+{100×[FC1设定值+FC2设定值-C×

(FI1+FI2)]/(FC1量程+FC2量程)}

(2)

系统被设计成在稳定状态下，引入每单位重量的水产生的每单位重量的蒸汽，以保证水汽平衡。由于此发汽系统是两路给水，两路发汽，工艺包给的计算公式是将两路蒸汽流量之和与液位控制器输出叠加后作为总的给水需求量输出到比值控制器去分配给两路给水流量控制器。

2.2 控制方案存在的问题

本装置中采用的DCS控制系统是日本横河的CS3000系统，绝大部分的控制回路都是通过不同的功能块连接来实现控制目的的。按照常规的汽包液位控制应该选用三冲量控制方案，液位为主控对象，进入主回路PID控制器，给水流量进入副回路PID控制器，蒸汽流量作为干扰量引入去补偿给水流量控制器的设定值。按照上述计算公式，CS3000可应用加减乘除等计算块来计算出FY值，作为给水流量控制器的设定值，但是如果在主、副PID控制器之间引入计算块，就会破坏PID控制的自动跟踪功能，即当副控制器不在串级控制时，主控制器的输出值不会自动跟踪副控制器的设定值，在投入串级控制时就会产生扰动，给生产带来影响。式(2)的实质是FY值的反算，用于主、副控制器的自动跟踪，CS3000的PID控制块[4]在串级回路中本身就具备这种跟踪功能，不需通过计算来实现。

3 控制方案组态

3.1 组态功能块的结构原理与应用

针对这种典型三冲量控制，CS3000有一种专门的前馈控制功能块(FFSUM)可应用于三冲量控制方案。此功能块不但具有跟踪特性还可将蒸汽干扰量和主回路液位控制器的输出同时引入，作为设定值输出到副回路给水流量控制器，其结构如图2所示。这里主回路控制器的输出信号从端子IN进入，蒸汽流量作为前馈干扰信号从端子VN引入，然后经过信号相加处理后从端子OUT输出，其他端子不经常使用这里就不再介绍。

图2 FFSUM结构

FFSUM的输入补偿原理如图3所示。

图3 FFSUM输入补偿原理

FFSUM补偿公式为：

CV=PV+CK(VN+CB)

式中 CB——补偿偏置常数；

CK——补偿增益；

CV——前馈补偿后的输出；

PV——过程变量，用于连接主回路液位控制器的输出；

VN——前馈补偿量。

从图3中可以看到，将蒸汽流量作为干扰量从VN端子引入有两点好处：一是可以通过调整CK值来切除或引入干扰量；二是可调整引入干扰量的大小。第2点很重要，尤其是在控制方案刚刚投用时可以调整CK值将前馈量一点一点地引入，而不是一下子将整个干扰量加进来，这样做有利于系统的平稳。

这样用FFSUM补偿公式将工艺包计算公式简化，FFSUM块的PV端子连接液位主控制器的输出，VN端子连接两路蒸汽流量的相加值，即蒸汽量的总和，MV端子输出到比值控制器，作为两路副控制器的流量给定值。而且FFSUM块的PV端子和MV端子之间具有串级回路的自动跟踪功能，即如果副控制器不在串级模式，则主控制器的输出值自动跟踪副控制器的设定值，这样可实现投串级的无扰动切换。组态结构如图4所示。

3.2 组态方案的弊端

从图4可以看出经过FFSUM输出的实际是总的给水需求量，作为副回路控制器的设定值，经过比值控制器按比例分配给两路给水流量控制器，但工艺包对此比值控制器介绍甚少，也没有给出两路给水设定值的比例关系，只能从量程上推断。另外，如果使用CS3000中的比例功能块RA-TIO来实现比例分配的话，不得不用两个比值控制器才能实现，一个是给水总量和其中的一路给水流量的比例关系，另一个是两路给水流量之间的比例关系。这样做不但增加组态功能块的数量，显得繁琐，还使另外两路给水流量一直存在着比例制约关系，不能独立控制，即当其中一路设定值变化时另一路也相应地跟着变化，这是违背工艺包控制思想的，所以不能采纳。

图4 组态回路

4 控制方案的改进

综合以上分析，结合此工艺流程的特点，笔者应用了CS3000平行分配功能块FOUT[5],它可将上游PID控制器的输出转换成多路输出给下游不同的PID控制器，普遍用于一主多副的串级控制回路中，具有回路跟踪功能。此方案中将液位控制器的输出同时输出给两路给水流量控制器，由液位控制总的给水量改为液位分别控制两路给水量，同时将两路蒸汽流量分别引入到各自的给水流量控制器，即将此控制回路一分为二，改为两个独立的三冲量控制回路，改进后的组态回路如图5所示。

图5 改进后的组态回路

由图5可以看出，改进后的控制方案由液位主控制器直接输出到给水设定，不用经过量程的转换和计算，再将两路蒸汽分别引入到对应的给水回路，这样每一路都是典型的三冲量控制回路，在主、副回路控制器之间只有FOUT块和FFSUM块，都具有回路自动跟踪功能，可实现串级控制的无扰动切换，并且两路给水流量互不干扰，都可独立控制，达到了工艺的控制要求。

5 结束语

笔者采用了将原有控制方案进行分解的措施，把原有方案中过于复杂的中间计算环节用CS3000中现有的功能块简化，还避免了原方案中通过公式计算回路反向跟踪的不足，使控制回路简化；同时作为扰动量的蒸汽流量也能很方便的引入和切除，控制手段更加灵活。另外，采用一分二的控制措施，将原方案中不够明确的、组态起来又比较繁琐的比值控制器屏蔽掉，使控制回路更加畅通和简洁，操作起来更加方便、安全。此方案在装置开工投用以来控制效果一直比较好，各工艺参数控制比较稳定，系统运行也非常平稳，达到了控制目的。同时作为汽包液位控制的典型案例也可为其他装置加以借鉴。

[1] 王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2000:174～230.

[2] 贾志清，罗炜.三冲量在锅炉汽包液位控制中的应用[J].甘肃科技，2012，28(15)：60～62.

[3] 李长有，高冬霞.基于DCS系统的三冲量汽包水位控制系统的设计[J].自动化博览，2016，(2)：86～89.

[4] 马菲.CS3000控制功能块在连续重整装置的实现[J].浙江化工,2014,(4)：29～30.

[5] 杨松柏,孙卫国,刘宗胜.DCS控制系统的优化改进[J].化肥工业,2012,39(6):67.

TH865

B

1000-3932(2017)09-0899-04

2016-12-06，

2017-05-23)

李洪涛(1976-)，工程师，从事石油化工设备安装、质量管理工作。

联系人郭猛(1981-)，工程师，从事石油化工行业仪表设备的技术质量管理工作，guom_dl@petrochina.com.cn。