自动控制技术在装置中的应用

张鹏

摘要：介绍了中海油东方石化有限责任公司运行二部在开工运行过程中，通过变更控制方案、调整PID参数的等方法提高自控仪表的投用率，保证操作的平稳，较大限度发挥了自动控制系统的作用，降低操作人员的劳动强度。运行二部包括产品精制、气分、MTBE、制氢、加氢五套装置，应用的DCS系统是上海艾默生过程控制有限公司提供的DeltaV系统。

关键词：控制方案； PID； 投用率； DeltaV

中图分类号：O232文献标识码： A

由于工业过程的复杂性和多样性，决定了过程控制系统的控制方案的多样性。为了满

足生产过程中越来越高的要求，过程控制方案也越来越丰富。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有常规仪表过程控制也由计算机集散控制系统；有提高控制品质的控制系统也有实现特殊工艺要求的控制系统；简单的单回路控制，也有较复杂的控制方案，例如分程控制、比值控制、选择控制、三冲量控制等。

中海油东方石化有限责任公司运行二部主要有60万吨/年的气体分馏装置，30万吨/年的裂解柴油加氢装置、8万吨/年的甲基叔丁基醚（MTBE）装置、4000Nm3/h制氢装置以及产品精制装置等5套主要装置，于2014年2月投产试运。

1产品精制装置控制方案变更

1.1存在问题

开工后在自控调节器投用过程中产品精制装置液化气脱硫醇部分、碱液循环系统在V-1201液位调节阀投用后总是出现T-1202的液位大幅度波动，控制不稳。

液化气脱硫醇一级碱液分离罐、氧化分离塔、气提塔液位控制形成一个碱液循环系统。

图1 碱液循环流程

1.2波动原因分析

1、容积差异大，导致V1201和T1201液位小范围的波动对T-1202液位冲击较大。

表1 容积

位号 容积（m³）

V-1201 57.2

T-1201 56.4

T-1202 17

V-1202 57.2

2、碱液循环系统中调节阀FV-20202不作为T-1202的液位调节，FV-20202在碱液循环系统中只负责控制碱液循环量，而碱液循环量是保证液化气脱硫醇品质的参数保证，不能随意调节。

基于上述两个原因导致碱液循环系统自控投用后当液化气流量波动时，V-1201波动排出的碱液排向T-1202，T-1202液位会造成较大的增长，导致碱液氧化再生尾气中带碱进入尾气脱臭设施，波动较大时，T-1202易满塔，大量的碱液进入尾气脱臭系统。

1.3控制方案变更

针对上述问题我们做出如下变更方案：LV-20201与LIC-20502组成新控制回路，LV-20502与LIA-20504组成新控制回路，LIC-20501改为LI-20501，V-1201液位不再调控，只做为显示。

这样既能在保证FV20202碱液循环量的同时，又能平稳控制T1202的液位。使产品精制装置自控率又上了一个台阶，尾气再没有出现带液的现象。

2制氢装置汽包液位控制方案解析

汽包水位是锅炉运行的主要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气将带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机叶片。水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，若不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制。

常见的汽包液位控制方案有两种，单冲量控制和三冲量控制。

2.1单冲量控制

单冲量控制系统是以汽包水位为被控变量，以给水流量为控制变量的单回路汽包水位控制系统。这里的冲量指的是变量，单冲量即汽包水位。

这种控制系统结构简单，参数整定方便，是典型的单回路控制系统。对于小型锅炉，由于水在汽包内停留时间长，当蒸汽负荷变化时，假水位现象不明显，配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也可以满足工艺要求，并保证安全操作。对于中、大型锅炉，由于蒸汽负荷变化，假水位现象明显，当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大控制阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而是关小调节阀的开度，减少给水量。等到假水位消失后，汽包水位严重下降，严重时甚至会使汽包水位下降到危险下限而导致事故发生。因此中、大型锅炉不宜采用此控制方案。

运行二部制氢汽包针对汽包假液位问题采取如下措施：

1、采取差压和导波雷达两种液位检测仪表。

2、设定汽包液位高、低限报警，及时发现液位异常。

3、采用三冲量控制的汽包控制方案。

2.2三冲量控制

单冲量控制系统不能克服假水位的影响，汽包水位的主要扰动是蒸汽流量变化，如果系统除了汽包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化信号对给水流量进行补偿控制，就可以消除或减小假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及时。因此我们引入了和汽包液位有关的上水量、汽包水位、蒸汽流量三个参数，三冲量控制系统实质是由前馈和串级控制组成的复合控制系统。

3典型精馏塔控制方案解析

运行二部气分装置的主要功能是对液化气中的各个组分进行分离，达到规定的纯度。精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成。

在精馏塔的操作过程中，影响其质量指标的主要干扰因素为进料流量F、进料组分XF 、

进料温度TF 或焓Q F 、冷却水与加热蒸汽的压力和温度及环境温度等因素。

精馏塔是一个多变量被控对象，因此被控变量和控制变量可组成多种控制方案。而产

品质量往往是精馏过程的主要目标。精馏塔最直接的质量指标是产品纯度，由于成分检测

仪表应用于生产过程的实时性的局限，常对间接指标——温度进行控制。对于一个二元组

分精馏塔来说，在塔内压力一定的条件下，温度与产品纯度之间存在着单值函数关系。因

此，只要压力一定，塔板的温度就间接反映了产品纯度，因此可以采用温度作为间接质量指标。

3.1 塔顶质量指标控制

当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这时要选取精馏段灵敏板温度作为被控变量，以回流量L、塔顶采出量D 或再沸器加热量QH 作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成温度-流量串级控制系统。串级控制虽然复杂，但可迅速有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀特性的要求，在需做精密控制时采用。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度。

3.2 塔底质量指标控制

当以塔底采出液为主要产品时，往往以提馏段的温度作为衡量质量的间接指标。如果是液相进料，也常采用此控制方案。因为在液相进料时F 的变化，首先影响到时塔底产品的浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以用提馏段控制比较及时。该控制方案采用再沸器加热量QH 作为控制变量，在动态响应上滞后小，反应迅速，对克服进入提馏段的扰动和保证塔底的产品质量有利。该方案是目前应用最广的精馏塔控制方案。

3.3 运行二部气分装置脱丙烷塔

塔顶控制方案：回流量单回路控制，回流罐液位和塔顶产品流出流量串级控制的塔顶质量控制方案。塔底采用温度-流量串级控制系统，可迅速有效地克服进入副环的扰动，平稳有效的控制塔底温度。这种控制方案的优点是控制作用滞后小，反应迅速，对克服进入精馏塔的扰动和保证产品的质量指标是有利的，是精馏塔控制中最常用、最有效的控制方案。

图2精馏塔控制流程图

3.4 在装置的质量控制过程中较常用的控制方案还有：

3.4.1 串级控制

在精馏塔控制中，为了保证产品的质量，常采用串级控制。串级控制可以是由精馏段温度与回流量组成，也可以是提馏段温度与塔底采出量或再沸器加热量组成等。串级控制对副环参数的变化能够精确地控制副被控变量。因此，采用串级控制不仅可以迅速克服进入副回路的扰动，保证产品质量；而且可以克服由于调节阀特性变化和管路系统内扰动的影响，使控制变量的流量和控制器的输出保持精确对应关系。

3.4.2均匀控制

在多个精馏塔组成的塔系统控制中，为了前后工序的协调，经常在上一塔的出料部分和下一塔的进料部分设置均匀控制系统。

3.4.3比值控制

在精馏操作过程中，有时设置塔顶采出量D 与进料流量F 的比值或是蒸汽量V 与进料流量F 的比值。其目的是从精馏塔的物料与能量平衡关系出发，使有关的流量达到一定的比值，利于在期望条件下进行操作。

3.4.4 前馈控制

在精馏塔反馈控制过程中，如果进料扰动频繁，导致调节质量不能满足工艺要求，可引入进料量信号的前馈控制来克服进料扰动的影响。当进料流量扰动进入精馏系统中，在尚未影响被控变量塔底产品之前，通过前馈控制器改变加热量剂的流量来克服扰动的影响。

4结论

自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置生产过程的参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自控率则是自控技术在生产装置应用程度的数字体现。2014年运行二部在公司领导和运行部领导的高度重视下，各个专业紧密配合通过参数跟踪调整、控制方案变更、培训、考核等一系列措施。使自控水平不断的提高。

但是自控制方案的确定、控制参数的整定都要以对象的特性为依据，而对象的特性相对比较复杂而难以充分地认识，这是需要通过长期的运行、试验、分析、总结起来，经过逐步调整最终得到满意的控制效果。

参考文献

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[2]孙洪程 翁唯勤.过程控制工程设计.北京：化学工业出版社，2001。

[3]何衍庆 俞金寿.集散控制系统原理及应用.北京：化学工业出版社，2002。

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