常减压装置加热炉过程控制不稳定分析及改造*

郭 辉，朱培祥

（1.新疆工业高等专科学校电气工程系，新疆 乌鲁木齐 830091；2.乌鲁木齐瑞安特自动化设备有限公司，新疆 乌鲁木齐 830091）

1 引言

原油加热是原油蒸馏的重要环节之一，加热炉燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量，满足原油蒸馏的需要并能保证经济燃烧和加热炉的安全运行。

加热炉出口总管温度是加热炉环节最重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、轻油收率的提高至关重要。生产要求加热炉出口总管温度保持在365±2℃范围内。炼油厂加热炉扩容改造中，加热炉的容量增加了1.5倍，在试运行过程中，应用旧的控制系统运行，出现了输出状态不稳定，加热炉出口总管温度经常在设定值365℃附近产生较大范围（约±20℃）的波动，会出现控制系统报警，严重时导致停炉事故。

2 原加热炉前馈-负反馈控制系统存在的问题分析

图1 加热炉前馈-负反馈控制系统方案

影响加热炉出口温度的因素很多，最主要的因素有两个，一个是原油进料总量，另一个是燃料量。受生产任务的限制，原油进料总量不能作为控制量进行调节。将原油进料总量作为前馈，以出口总温度作为反馈量，控制量选择燃料流量，如图1所示为原加热炉采用前馈-负反馈控制系统方案。将各种干扰作为前馈引入，避开炉膛温度测量不准的问题，当负荷增加的时候，炉膛温度随之降低，出口温度也随之降低，继而反馈回来增加燃料流量，使得炉膛温度上升，从而出口总温也上升，维持在其设定值附近；当负荷降低的时候，炉膛温度随之升高，出口温度也随之升高，继而反馈回来减少燃料流量，使得炉膛温度下降，从而出口总温也下降，但并没有克服系统因负荷扩容等因素引起的纯滞后过大问题，纯滞后过大引起的控制特性变差，集中表现在燃料对出口温度的模型参数中。如图2所示为加热炉前馈-负反馈控制系统方框图。

图2 加热炉前馈-负反馈控制系统方框图

应用阶跃响应系统辨识，获得旧、新的系统的被控对象 GO（s）、G′O（s）传递函数为：

式中：k为可变常数。

控制输入 X（s）、扰动输入 F（s）对输出的共同影响为：

从加热炉被控对象的特性可知,传递函数发生了较大的变化，尤其是加热炉扩容后，系统的纯滞后时间增加很多，被控过程具有186s的纯滞后,这十分不利于温度闭环控制系统的稳定性,若要保证控制系统的闭环稳定性,主调节器的动作只能很慢,即执行器的动作速率只能很慢,所以旧系统无法有效地抑制加热炉负荷变化对出口温度的影响。

实践也表明：由于系统时延加大、系统具有较强的非线性时变特性，旧的前馈-负反馈控制系统不能达到加热炉出口温度在365±2℃的效果。

合理的想法是先通过增益自适应Smith预估补偿控制技术对被控对象进行动态补偿，使补偿后的等效被控对象有较好的动态特性（较小的惯性和滞后）。Smith预估补偿技术就是一种有效的动态特性补偿技术,考虑到加热炉温度被控对象的开环增益变化较大,采用一种基于增益自适应的Smith补偿控制方法。

3 前馈-增益自适应Smith预估补偿技术的控制系统改造

在新型的加热炉温度控制系统中,要对被控过程进行动态补偿,使补偿后的等效对象没有纯滞后环节,对过程纯滞后经典的补偿方法是采用传统的Smith预估补偿,但传统Smith预估补偿要求所采用的补偿模型与被控过程的数学模型是完全一致,否则补偿后的等效对象中无法消除纯滞后。而由于实际被控过程的开环增益是变化的，传统的Smith预估器很难确保所采用的补偿模型与对象模型完全一致。因此，采用如图3所示的前馈-增益自适应补偿功能的预估控制方案,目的是即使所采用的补偿模型的开环增益与被控过程的开环增益不同,仍能使补偿后的广义等效对象中没有纯滞后环节,以加快调节器的动作速度，提高控制品质。

图3 前馈-增益自适应Smith预估补偿技术的控制系统方框图

该控制器既有进料流量的前馈调节功能，又有纯滞后补偿功能，补偿控制是在Smith预估补偿控制的基础上增加一个除法器、一个导前微分环节和一个乘法器。利用这三个环节提供一个自动校正预估器增益信号。

根据实验结果取：

补偿后的广义等效对象特性为：

可以看到，尽管被控对象开环增益k是变化的，但所补偿后的广义等效对象中已不存在纯滞后环节;同时不难看出,通过微分环节可以进一步改善广义等效对象的特性。全部控制策略均在霍尼韦尔可编程调节器的组态软件中编程实现,新的加热炉温度控制系统经现场调试后投入运行,对其进行了详细的测试，经一年的运行结果表明，该设计在负荷扰动时对抑制温度调节的动态误差与设计意图基本相符，稳态时,加热炉温度的最大动态偏差在±2℃之内，达到了预期的效果。

4 结束语

对生产过程控制大滞后问题，采用增益自适应的Smith预估补偿控制技术，是一种较好的解决方法,前馈控制与增益自适应Smith预估补偿控制相结合，可以对可测不可控的干扰量进行控制，达到更好的控制品质。从而有效地解决了控制系统稳定性和调节阀动作快速性之间的矛盾,它在石油化工、发电厂等大滞后过程控制中具有广阔的应用前景。

［1］田玉楚.大时滞工业过程的双控制器结构.自动化学报,1999，25（6）：824-827.

［2］邵裕森.过程控制工程.北京：机械工业出版社，2000.

［3］朱麟章.过程控制系统及设计.北京：机械工业出版社，1996.