加热炉支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析

罗雄麟 叶松涛 许 锋

(中国石油大学自动化研究所，北京 102249)

加热炉是炼油厂和石油化工企业中的常见装置，通常也是其最大的能耗装置。待处理的原油分配至多个分支管路中后，在加热炉中加热到一定温度，然后再被输送到其他装置继续做进一步处理。由于燃料燃烧情况变化、送风量不均匀、火嘴的调整、炉管内结焦及管外灰垢等问题，导致各支路出口温度不同。为了保证加热炉的安全、平稳、高效运行和后续工艺的平稳操作，需要施加控制，使加热炉多支路的出口温度保持一致[1，2]。

由于加热炉支路平衡控制是一个带约束的多变量强耦合的控制问题，还具有非线性、大滞后及干扰频繁等特点，使得传统的控制方式难以获得满意的控制效果，而包括预测控制[3，4]、自适应控制[5]和鲁棒控制[6]在内的先进控制在实施中又过于复杂。多偏差动法[7，8]通过将多个支路作为一个整体来处理，把一个多变量强耦合的过程控制问题转化成了几个单回路控制问题，实现支路的均衡控制，在实际中得到广泛应用，但其缺点依旧明显。要实现偏差控制方法，每支路都是依靠由3个闭环回路构成的多层串级控制。而对于加热炉支路平衡控制这样一个带约束的多变量强耦合的控制问题，过多闭环回路组成的串级控制不仅不易获得良好的控制效果，而且增加了系统的不确定性和复杂性，控制时容易引起系统波动甚至不稳定。此外，基于机理的多偏差动法虽然最终能够达到将总进料流量保持在常值的目的，但在实际的动态调节过程中，总流量波动较大，缺少对流量波动的强制性限制和控制保证。

笔者针对多偏差控制方法结构复杂、控制效果不佳及系统稳定性差等问题，通过简化流量控制结构，提出了一种改进的多偏差动平衡控制方案，该方法通过舍去底层的流量控制回路从而使得闭环结构更加简单，控制器数目减少一半，同时取得了良好的控制效果。通过引入总流量偏差量，将多个支管作为一个整体来处理，在实现支路出口温度平衡的同时保证了总流量的稳定。

1 多偏差动法及其存在的多层串级问题①

图1 多偏差法的网络连接结构

若保证N个支路的主控制器相同(均为PID-0)，那么N个支路的流量偏差之和总是为零，从而实现了在保证总流量不变的前提下，调节各支路出口温度以达到加热炉各支路出口温度平衡。

尽管多偏差动法易于实现且能取得不错的控制效果，但仍有不足之处：

a. 在多支路情况下，每一支路的温差调节都是依靠3个闭环回路来实现均衡控制的。复杂且多层的串级控制结构会使系统稳定性下降，动态调节速率变慢，增加了系统的不确定性和复杂性。

b. 基于机理的多偏差动法稳态时能保证总进料流量的稳定，但在实际动态调节过程中，总流量会产生较大波动，该现象会对生产的安全和装置的高效运行产生不利影响，而该控制方案对此缺少必要的控制。

2 多层串级问题的改进方案

图2 改进后的多偏差差动法控制系统框图

图3 改进后的支路平衡策略的网络连接结构

设定ΔTi=Tmean-Ti和ΔFi=k(Fsp-F)。温度偏差值ΔTi与流量偏差值ΔFi在调节过程中，总偏差量的正负变化对应关系为：当ei>0时，阀门开度增加，使得分支流量增加，分支出口温度下降，即当ei>0时，则Ki增大，fi增大，Ti降低；当ei<0时，阀门开度减小，使得分支流量减小，分支出口温度上升，即ei>0时，则Ki降低，fi降低，Ti增大；当ei=0时，支路偏差值所包含的温度偏差与流量偏差必须满足二者均为零的条件，此时对应的是支路平衡的稳态工况点。

3 案例对比分析

各支路的温度变化曲线如图4所示，由图4可知，开始时各支管的温度存在较大差别，T1～T4分别为330、325、310、307℃，最大温差达23℃，需要施加支路平衡控制。10min时开始投入控制器，大约经过20min后，各支路的出口温差将趋近于零。为了验证系统的抗干扰能力，在35min时在4个支路出口温度中分别加入不同大小的阶跃干扰，大约经过15min的时间，各支路出口温度趋于一致。仿真结果表明，改进的多偏差控制方案是有效的，完全可行的。

图4 各支路温度变化曲线

对该模型采用多偏差差动法进行加热炉支路平衡控制，对比两种控制方案在实施过程中总流量的波动和分支管路与支路出口温度间的温差变化，得到总流量的波动曲线如图5所示。4支路的温差变化情况类似，以支路1为例具体说明，支路1温度与出口温度间温差的动态曲线如图6所示。可以看出改进后的多偏差动控制方案，其总流量的波动更小，对于温差的调控速度更快，抗干扰的能力更佳，表明改进后的方案拥有更好的控制效果。

图5 两种方案下总流量的波动曲线

图6 两种方案下支路1的温差动态曲线

4 结束语

提出了一种改进的多偏差动支路平衡控制方案，这种方法通过减少分支流量控制闭环副回路，直接调节阀位以实现支路出口温度平衡。控制系统避免了人工操作对出口温度的扰动，减轻了操作人员的工作强度，能够在保证总流量稳定的条件下实现支路出口温度的平衡。仿真结果表明改进后的控制方案不仅结构更加简单、系统相对稳定性更高，而且能够取得更佳的控制效果。