串级均匀控制系统在深冷凝液回收装置中的应用

唐 建

(四川科比科油气工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

天然气中除甲烷外还含有一定量的乙烷、丙烷及更重的烃类组分[1]。可把从天然气凝液中回收的乙烷、液化石油气和稳定轻烃广泛用作石化原料。其中，乙烷裂解生产乙烯的工艺具有收率高、成本低和生产装置稳定性强等优点。因此，合理利用天然气中丰富的乙烷资源，对实现乙烯工业的快速发展具有重要意义[2]。部分干气再循环工艺(recycle split vapor,RSV)是美国公司于上世纪提出的一种高效乙烷回收工艺，在国外得到了广泛应用。目前，国内仅有少数回收乙烷的装置，且基本为整套引进装置。

新疆克拉美丽气田增压及深冷提效工程中的深冷凝液回收装置是国内首个采用RSV工艺深冷回收乙烷的处理工程。自该工程建成投产后，克拉美丽气田新增乙烷、液化石油气、稳定轻烃3种产品，其中生产乙烷约52 000 t，经济效益十分显著。根据深冷凝液回收装置的工艺流程及设备控制要求，采用串级均匀控制系统对脱甲烷塔和脱乙烷塔的液位、流量进行控制[3]。实际应用表明，该控制方案能兼顾液位与流量的控制，保证液位在较小范围内平稳变化，同时减缓流量波动。

1 工艺流程

新疆克拉美丽气田增压及深冷提效工程中的深冷凝液回收工艺流程，就是利用脱水净化后天然气中所含各组分沸点的差别，在低温下分离回收乙烷、液化石油气和稳定轻烃的过程。该流程采用了膨胀压缩机制冷、丙烷机组辅助制冷和RSV回收乙烷工艺。该流程的主要设备包括脱甲烷塔、脱乙烷塔、液化气塔、多股流换热器、膨胀压缩机、丙烷制冷机组等。克拉美丽深冷凝液回收装置工艺流程图如图1所示。

图1 克拉美丽深冷凝液回收装置工艺流程图

由图1可知，原料气经多股流换热器预冷后在低温分离器进行气液分离。分离出的凝液进入脱甲烷塔。分离出的大部分气相进入膨胀压缩机组，经膨胀降压后进入脱甲烷塔。脱甲烷塔气相经膨胀压缩机增压后外输。增压后的外输气分流一部分作为循环气，经多股流换热器冷却再节流后进入脱甲烷塔。脱甲烷塔塔底的馏出液进入脱乙烷塔。脱乙烷塔塔顶气相乙烷一部分作为乙烷产品经三股流换热器加热后抽出外输，另一部分作为塔顶回流。脱乙烷塔塔底馏出液进入液化气塔。

由图1可以看出，脱甲烷塔、脱乙烷塔和液化气塔之间相互串联，前一个塔的出料直接作为后一个塔的进料。为了保证这3个相互串联的塔能正常连续生产，要求前一个塔液位稳定、后一个塔进料平稳，同时要防止每个塔被抽空或满塔。而前一个塔的液位控制除了保证本塔的液位在一定范围内，还要兼顾到后一个塔的进料量，使它变化平稳，避免波动太大。

2 串级均匀控制系统

2.1 串级控制系统

串级控制系统如图2所示。

图2 串级控制系统

由图2可知，该系统有两个环路，一个主环和一个副环。主环上的主控制器输出作为副环上副控制器的给定，而副环上的副控制器输出直接送往执行器[4]。系统有两个测量变送单元，一个测量主被控变量，另一个测量副被控变量。串级控制系统主环是一个定值控制系统，副环是一个随动控制系统。串级控制系统的目的是控制主被控变量稳定。串级控制系统主、副回路相互配合，具有单回路控制系统的全部功能，以及单回路控制系统所没有的优点，大大改善了调节品质[5]。该系统在被控对象滞后较大，负荷变化或干扰比较频繁、强烈的工艺生产过程中具有良好的控制效果。

2.2 均匀控制系统

均匀控制系统把被控变量和控制变量统一在一个控制系统中，从系统内部解决工艺参数之间的矛盾。具体而言，就是使被控变量在允许的范围内波动，与此同时让控制变量缓慢变化[6]。均匀控制可以使两个参数都作平均分摊、缓慢变化，也可以根据前后设备特性来确定均匀的主次，实现一个参数为主、另一个参数为辅的控制要求。均匀控制系统在结构形式上无任何特殊性，一个普通结构形式的控制系统能否实现均匀控制的目的取决于控制器的参数整定情况[7]。

3 控制方案设计

3.1 控制系统设计要求

工艺要求脱甲烷塔流量波动幅度小于4 m3/h、脱乙烷塔流量波动幅度小于2.5 m3/h，同时要求脱甲烷塔和脱乙烷塔的液位波动幅度均小于300 mm。采用串级均匀控制系统就可以很好地完成这一特殊控制任务。串级均匀控制兼顾液位与流量之间的矛盾，在保证每个塔进料平稳的同时，确保每个塔的液位在一定范围内波动。脱甲烷塔、脱乙烷塔串级均匀控制系统如图3所示。

图3 脱甲烷塔、脱乙烷塔串级均匀控制系统

由图3可知，串级均匀控制系统的结构与普通的串级控制系统没有区别。但这里采用串级形式并不是为了提高主参数(液位)的控制质量，而是在兼顾液位控制要求的同时使其流量控制平稳[7]，即以控制流量参数为“主”、以控制液位参数为“辅”。

3.2 控制规律选择

串级均匀控制系统主控制器一般采用纯比例控制，有时也可采用比例积分控制[8]。串级均匀控制系统的副控制器可以采用纯比例或比例积分控制。在本工程中，工艺要求液位参数只能在一定范围内变化，不允许其大范围波动，且塔内存在相变，液位测量中的噪声较大。因此，液位控制器选择比例积分控制，以避免长时间单方向干扰导致的液位超限。工艺要求流量控制尽量平稳，因此流量控制器选择比例积分控制。

4 比例积分微分参数整定

串级均匀控制系统中主控制器和副控制器的比例积分微分(proportional integral differential,PID)参数整定均要“慢”，系统过渡过程不允许出现明显的振荡，以免工艺负荷剧烈波动。PID参数整定有理论计算方法和工程整定方法[9]。由于工程整定方法具有简单、实用和易于掌握的特点，本工程采用了经验值工程整定方法。

4.1 PID参数的初始值

根据PID参数整定经验数据，流量控制器比例系数通常为40%～80%，积分时间通常为18～60 s;液位控制器的比例系数通常为20%～80%，积分时间通常为18～60 s[10]。根据工艺对液位及流量的控制要求，结合经验数据，事先设定好控制器的PID参数值。PID参数的初始值如表1所示。

表1 PID参数的初始值

4.2 控制系统投运

控制系统投运是将系统由手动控制模式切换到自动控制模式的过程[6]。串级均匀控制中，如果主控制器引入比例积分控制作用，那么在装置开、停车时，主被控变量偏离给定值的幅度大，积分作用会使调节阀全开或全关，导致工艺过程大幅波动。为避免这种现象，在开、停车时需将主控制器转入手动控制模式，待手动将主被控变量控制在给定值附近时方可投入自动控制模式。串级均匀控制系统投运应采取先投副环、后投主环的投运顺序。

4.3 PID参数整定方法

装置投入运行后，首先按照表1中的数据设置好控制器的PID参数初始值，然后把液位控制器设置为手动控制模式，最后把流量控制器设置为自动控制模式。PID参数初始值及控制器控制模式设置好后，结合当前工艺负荷要求，通过调整流量控制器的给定值(改变液位控制器手动输出值)观察流量过渡过程曲线。根据各种控制作用对过渡过程的不同影响来改变相应的PID参数值，进行反复凑试，直到获得满意的控制质量为止。

流量控制器PID参数整定好以后，保持流量控制器在自动控制模式，调整液位控制器手动输出值，待液位达到给定值附近时将液位控制器投入自动控制模式。此时，观察液位控制曲线。对PID参数进行反复凑试，直到液位满足控制指标为止[11]。如果液位变化范围超限则减小比例系数，增强液位控制能力；如果液位变化范围太小，则可适当增大比例系数，使液位在允许的范围内变化。比例度整定好后，缓慢增加积分时间，减弱积分作用，使液位控制器输出更加平缓。这样，流量控制回路给定值变化就更加缓慢，使流量控制更加平稳。

4.4 串级均匀控制的应用效果

脱甲烷塔液位及流量的变化曲线如图4所示。

图4 脱甲烷塔液位及流量的变化曲线

由图4可知，脱甲烷塔流量在30.5～32 m3/h内缓慢变化，流量波动幅度为1.5 m3/h，完全满足流量允许波动4 m3/h的要求。脱甲烷塔液位在1 940～2 070 mm内缓慢变化，液位波动幅度为130 mm，满足液位允许波动300 mm的要求。

脱乙烷塔液位及流量的变化曲线如图5所示。

图5 脱乙烷塔液位及流量的变化曲线

由图5可知，脱乙烷塔流量在16.3～17.3 m3/h内缓慢变化，流量波动幅度为1 m3/h，满足流量允许波动2.5 m3/h的要求。从图5中还可看出，脱乙烷塔液位在1 140～1 260 mm内缓慢变化，液位波动幅度为120 mm，满足液位允许波动300 mm的要求。

PID参数整定的结果如表2所示。

表2 PID参数整定的结果

综上所述，在采用串级均匀控制系统并应用经验值工程整定方法整定控制器的PID参数后，深冷凝液回收装置运行平稳，脱甲烷塔和脱乙烷塔的液位及流量均获得了比较好的控制效果，实现了整个装置连续平稳运行的要求。表2中的PID参数整定数据可供技术人员在采用串级均匀控制系统的工程中参考。

5 结论

工业过程控制系统种类繁多。在工程应用中，应当按照工艺流程特点和工艺控制要求，设计相应的过程控制系统；同时，应根据设计控制系统的特点，确定系统投运方案和PID参数整定要求。合理的PID参数整定才能得到较好的控制效果。本文以克拉美丽深冷凝液回收装置中脱甲烷塔、脱乙烷塔的液位和流量控制为例，说明了串级均匀控制系统的工程应用。该工程自成功投产以来一直平稳运行，取得了良好的经济效益。串级均匀控制系统在具有多个串联设备、前后生产过程联系紧密的连续工业生产过程中具有广泛的应用价值。