加熱爐支路平衡控制中流量控制回路的取舍分析

羅雄麟 葉松濤 許 鋒

(中國石油大學(xué)自動化研究所，北京 102249)

加熱爐是煉油廠和石油化工企業(yè)中的常見裝置，通常也是其最大的能耗裝置。待處理的原油分配至多個分支管路中后，在加熱爐中加熱到一定溫度，然后再被輸送到其他裝置繼續(xù)做進(jìn)一步處理。由于燃料燃燒情況變化、送風(fēng)量不均勻、火嘴的調(diào)整、爐管內(nèi)結(jié)焦及管外灰垢等問題，導(dǎo)致各支路出口溫度不同。為了保證加熱爐的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行和后續(xù)工藝的平穩(wěn)操作，需要施加控制，使加熱爐多支路的出口溫度保持一致[1，2]。

由于加熱爐支路平衡控制是一個帶約束的多變量強(qiáng)耦合的控制問題，還具有非線性、大滯后及干擾頻繁等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的控制方式難以獲得滿意的控制效果，而包括預(yù)測控制[3，4]、自適應(yīng)控制[5]和魯棒控制[6]在內(nèi)的先進(jìn)控制在實(shí)施中又過于復(fù)雜。多偏差動法[7，8]通過將多個支路作為一個整體來處理，把一個多變量強(qiáng)耦合的過程控制問題轉(zhuǎn)化成了幾個單回路控制問題，實(shí)現(xiàn)支路的均衡控制，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，但其缺點(diǎn)依舊明顯。要實(shí)現(xiàn)偏差控制方法，每支路都是依靠由3個閉環(huán)回路構(gòu)成的多層串級控制。而對于加熱爐支路平衡控制這樣一個帶約束的多變量強(qiáng)耦合的控制問題，過多閉環(huán)回路組成的串級控制不僅不易獲得良好的控制效果，而且增加了系統(tǒng)的不確定性和復(fù)雜性，控制時(shí)容易引起系統(tǒng)波動甚至不穩(wěn)定。此外，基于機(jī)理的多偏差動法雖然最終能夠達(dá)到將總進(jìn)料流量保持在常值的目的，但在實(shí)際的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，總流量波動較大，缺少對流量波動的強(qiáng)制性限制和控制保證。

筆者針對多偏差控制方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制效果不佳及系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，通過簡化流量控制結(jié)構(gòu)，提出了一種改進(jìn)的多偏差動平衡控制方案，該方法通過舍去底層的流量控制回路從而使得閉環(huán)結(jié)構(gòu)更加簡單，控制器數(shù)目減少一半，同時(shí)取得了良好的控制效果。通過引入總流量偏差量，將多個支管作為一個整體來處理，在實(shí)現(xiàn)支路出口溫度平衡的同時(shí)保證了總流量的穩(wěn)定。

1 多偏差動法及其存在的多層串級問題①

圖1 多偏差法的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)

若保證N個支路的主控制器相同(均為PID-0)，那么N個支路的流量偏差之和總是為零，從而實(shí)現(xiàn)了在保證總流量不變的前提下，調(diào)節(jié)各支路出口溫度以達(dá)到加熱爐各支路出口溫度平衡。

盡管多偏差動法易于實(shí)現(xiàn)且能取得不錯的控制效果，但仍有不足之處：

a. 在多支路情況下，每一支路的溫差調(diào)節(jié)都是依靠3個閉環(huán)回路來實(shí)現(xiàn)均衡控制的。復(fù)雜且多層的串級控制結(jié)構(gòu)會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)調(diào)節(jié)速率變慢，增加了系統(tǒng)的不確定性和復(fù)雜性。

b. 基于機(jī)理的多偏差動法穩(wěn)態(tài)時(shí)能保證總進(jìn)料流量的穩(wěn)定，但在實(shí)際動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，總流量會產(chǎn)生較大波動，該現(xiàn)象會對生產(chǎn)的安全和裝置的高效運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，而該控制方案對此缺少必要的控制。

2 多層串級問題的改進(jìn)方案

圖2 改進(jìn)后的多偏差差動法控制系統(tǒng)框圖

圖3 改進(jìn)后的支路平衡策略的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)

設(shè)定ΔTi=Tmean-Ti和ΔFi=k(Fsp-F)。溫度偏差值ΔTi與流量偏差值ΔFi在調(diào)節(jié)過程中，總偏差量的正負(fù)變化對應(yīng)關(guān)系為：當(dāng)ei>0時(shí)，閥門開度增加，使得分支流量增加，分支出口溫度下降，即當(dāng)ei>0時(shí)，則Ki增大，fi增大，Ti降低；當(dāng)ei<0時(shí)，閥門開度減小，使得分支流量減小，分支出口溫度上升，即ei>0時(shí)，則Ki降低，fi降低，Ti增大；當(dāng)ei=0時(shí)，支路偏差值所包含的溫度偏差與流量偏差必須滿足二者均為零的條件，此時(shí)對應(yīng)的是支路平衡的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)。

3 案例對比分析

各支路的溫度變化曲線如圖4所示，由圖4可知，開始時(shí)各支管的溫度存在較大差別，T1～T4分別為330、325、310、307℃，最大溫差達(dá)23℃，需要施加支路平衡控制。10min時(shí)開始投入控制器，大約經(jīng)過20min后，各支路的出口溫差將趨近于零。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾能力，在35min時(shí)在4個支路出口溫度中分別加入不同大小的階躍干擾，大約經(jīng)過15min的時(shí)間，各支路出口溫度趨于一致。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的多偏差控制方案是有效的，完全可行的。

圖4 各支路溫度變化曲線

對該模型采用多偏差差動法進(jìn)行加熱爐支路平衡控制，對比兩種控制方案在實(shí)施過程中總流量的波動和分支管路與支路出口溫度間的溫差變化，得到總流量的波動曲線如圖5所示。4支路的溫差變化情況類似，以支路1為例具體說明，支路1溫度與出口溫度間溫差的動態(tài)曲線如圖6所示。可以看出改進(jìn)后的多偏差動控制方案，其總流量的波動更小，對于溫差的調(diào)控速度更快，抗干擾的能力更佳，表明改進(jìn)后的方案擁有更好的控制效果。

圖5 兩種方案下總流量的波動曲線

圖6 兩種方案下支路1的溫差動態(tài)曲線

4 結(jié)束語

提出了一種改進(jìn)的多偏差動支路平衡控制方案，這種方法通過減少分支流量控制閉環(huán)副回路，直接調(diào)節(jié)閥位以實(shí)現(xiàn)支路出口溫度平衡?？刂葡到y(tǒng)避免了人工操作對出口溫度的擾動，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，能夠在保證總流量穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)支路出口溫度的平衡。仿真結(jié)果表明改進(jìn)后的控制方案不僅結(jié)構(gòu)更加簡單、系統(tǒng)相對穩(wěn)定性更高，而且能夠取得更佳的控制效果。