模糊控制在原油稳定加热炉中的节能应用

张丹迪 （大庆油田有限责任公司天然气分公司）

模糊控制在原油稳定加热炉中的节能应用

张丹迪 （大庆油田有限责任公司天然气分公司）

北Ⅱ-1原油稳定加热炉进油自动控制方案原采用PID控制方式，以出口温度为参照调节对应支路入口流量。针对PID控制反应过快，造成加热炉四路入口油量分配不合理，四路出口温差较大，易偏烧、结焦及大量消耗燃料气的问题，研究采用一种在加热炉出口温度与支路进油间的模糊控制技术，建立以四路出口较小温差控制油量分配的基本理论，实时对比判断四路管线温差，调整进油量。模糊控制技术应用后可保证油量合理分配，四路温差控制在要求范围内，避免偏烧、结焦现象，且降低加热炉自耗气的消耗量，达到了节能降耗的目的。

原油稳定加热炉；模糊控制；数据库；基础值；能耗

引言

北Ⅱ-1原油稳定加热炉进油自动控制方案原采用PID控制方式，以出口温度为参照调节入口流量。当油量波动时，PID控制反应过快，造成加热炉四路入口油量不能合理分配，导致四路出口温差较大，易造成偏烧、结焦现象。

原控制方式不能有效地将四支路作为一个整体统一控制，且PID控制不能解决以出口温度为参数调节入口流量带来的温度滞后现象[1]。研究后希望采用一种可以实时比较四支路出口温度差值的控制方式，通过动态调节支路进油达到出口温度动态平衡。

选定模糊控制，在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，且综合参数非线性，往往难以正确地描述系统的动态；因此，采用此技术的出发点是人工控制经验或相关专家知识的模糊控制方式，模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平[2]。

1 实现模糊控制

1）研究加热炉出口温度模糊控制思想，建立以四路出口较小温差控制油量分配的基本理论。

2）建立模糊数据库，摸索温度差值、时间差值和阀门开度的基础值。

3）确定模糊控制方案，编制基本逻辑框图。

4）编写ME控制程序，确定基本变量和辅助变量。

5）现场调试。

1.2实现过程

加热炉四路进口流量调节以四路出口管线温度为依据，实时判断四路出口中温度最高的支路与温度最低的支路的温度差。当实际温差超过设定温差时，温度最高的支路调节阀自动以设定幅度增加开度；当阀门开度超过80%时，调节温度最低的支路调节阀，阀门以设定幅度自动减小开度；当最大与最小温差在设定范围时，调节阀开度保持恒定不变。阀门可调开度为20%～80%，四路出口温度实时动态比较，四路入口油量动态平衡，最终达到四路出口温差控制在要求范围内，有效避免偏烧、结焦现象。

建立模糊数据库，摸索温度差值、时间差值和阀门开度的基础值。控制界面中可以设置为手动或自动。设置为手动时，调节阀的开度可通过操作人员手动控制；设置为自动时，需设定界面中的温差设置、幅度设置和时间设置。

比较是为了取他人之长改自身之不足，选取美国教科书进行比较研究，是期望取其精华之处，推动中国教科书的改革进步．但这并不代表要盲目效仿美国教科书，美国学者所写的中美数学教科书比较的论文中也在寻找其自身的不足，虚心向中国教科书学习．如美国学者Lo Jane-Jane指出中国教科书“比率和比例”（ratio and proportion）[17]部分的例习题，较复杂的题目要多于美国教科书，并提倡向中国学习．对此，中国数学教科书的编写应找到基础与创新、理论与实际生活的平衡点，保持中国学生“基础扎实”的长处的同时努力提升不足之处．

温差设置：当四路出口中温度最高的支路与温度最低的支路温差超过此设定值时，开始进行自动调节（经摸索逐步建立温差数据库，目前设定为2℃）。

幅度设置：调节回路每进行一次输出时，调节阀开、关变化的幅度（经摸索逐步建立幅度数据库，目前设定为2）。

时间设置：确定调节回路每进行一次输出的时间周期（经摸索逐步建立时间数据库，目前设定为20 s）。

1.3上位界面

在调节界面中可以设置手动和自动，当设置为手动时调节阀的开度可以通过人工手动控制；当设置为自动时，界面中的温差设置、幅度设置和时间设置可以根据实际情况进行设置。

1.4逻辑图（图1）

2 关键技术

2.1模糊控制建立模型

北Ⅱ-1原油稳定加热炉支路进油控制方式原是以出口温度为参照控制入口流量，存在温度滞后造成出口温差过大，PID控制方式无法解决此问题。传统的控制理论对于明确系统有较强的控制能力，但对过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力。采用模糊控制方式，使四条支路同时参与同一动态调节，按照模糊控制中定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化五步骤[3]，利用有效的知识库和模糊判断，加以大量的人工操作经验得到的时间周期、温度差值、调节幅度的变量数据库，建立了适合北Ⅱ-1原油稳定加热炉支路进油的模糊控制方案。

图1 模糊控制逻辑图

2.2DCS程序编制

在北Ⅱ-1原油稳定加热炉ME控制系统中编制上位、下位加热炉防偏烧控制程序。下位软件PAC Control Professional中，原温度模拟量输入点及调节阀开度数字量输出点可不变，增加判断框中的相应变量，设定时间周期、温度差值、调节幅度变量点，编制逻辑框图。上位软件 PAC Display Professional中，绘制调节界面，设定 TV106a、TV106b、TV106c、TV106d输出值上下限。

2.3模糊数据库中关键值摸索

根据加热炉设备参数、运行参数以及模拟计算[4]，且反复调节试验，最终摸索出适合北Ⅱ-1原油稳定加热炉支路进油的模糊数据库：温差设置按照工艺要求，可设定为1～2℃，1℃时调节阀动作更为频繁，不利于调节阀长期运行，2℃更为理想；幅度设置过程中，利用控制方案中的手动赋值，摸索幅度值在1～10之间时温度控制效果，目前设定为2，较为理想；时间设置参考其他成功案例，目前设定为20 s。

3 模糊控制节能应用效果

模糊控制应用后，四路进油量、四路出口温度共同实时参与每一次控制判断，通过更加完善的控制理论精心操控原油四路入口油量，四路出口温差控制在要求范围内（设定为2℃），有效避免了偏烧、结焦现象，且降低加热炉自耗气的消耗量，达到了节能降耗的目的。

此项技术实施前，加热炉效率由年初的87%降至年末的85%，实施后加热炉效率稳定不变，加热炉每年可缩短检修期6～7 d，年节省维护费用1.65万元，年节省燃料气16.96×104m3。

4 结论

经过实施可验证：模糊控制方式较之前PID控制方案更加适合加热炉四支路进油的出口温度控制；可利用OPTO22控制系统上、下位软件实现模糊控制；以四路出口较小温差控制油量分配的基本理论可克服因温度滞后带来的控制不稳等问题；人工操作经验、加热炉相关数据及成功案例[5]可帮助建立关于温度差值、调节幅度与时间设置的数据库。

该成功经验可在其他原油稳定装置上应用，解决因温度滞后带来的加热炉进油控制不稳情况。

[1]齐京礼,边永青,郑伟平,等.基于自适应模糊PID控制器的温度控制系统[J].微计算机信息,2008,24（9）：74.

[2]孟庆祝，孟维明．模糊控制技术发展现状及研究热点[J]. Extention广角，2005（4）：70-72.

[3]陈世权，吴今培，肖建华．模糊控制的若干问题[J].五邑大学学报，1999，13（3）：36-38.

[4]高桂革．模糊控制理论及其应用的发展[J].上海机电学院学报，2005，8（5）：64-68.

[5]崔涛，赵莉.模糊控制理论和应用的发展概况[J].自动化仪表，2002，23（7）：2-3.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.012

2016-05-05

（编辑 李发荣）

张丹迪，工程师，2008年毕业于英国布鲁内尔大学（数据通讯专业）,从事油气初加工工艺管理工作，E-mail:tzhangdd@petrochina. com.cn，地址:黑龙江省大庆油田有限责任公司天然气分公司工程技术大队,163457。