合成氨渣油氣化爐氧氣放空前饋-反饋控制系統(tǒng)優(yōu)化

郝麗榮 王亞鳳 許 剛

(1. 中國(guó)石油吉林石化公司化肥廠，吉林 吉林 132021；2. 遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000)

該合成氨裝置采用兩臺(tái)氣化爐并行工作，共用一套氧氣放空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，正常生產(chǎn)時(shí)利用常規(guī)PID調(diào)節(jié)氧氣系統(tǒng)的壓力。在單爐跳車的情況下，啟動(dòng)氧氣放空前饋控制功能，快速釋放富余的氧氣，有效控制氧氣系統(tǒng)壓力，確保另一臺(tái)氣化爐可安全、穩(wěn)定運(yùn)行。裝置控制系統(tǒng)采用日本橫河電機(jī)公司CS3000 R3集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能完備，具有開(kāi)放友好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)便靈活，對(duì)復(fù)雜控制完全能夠通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

1 集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成和組態(tài)軟件①

橫河電機(jī)CENTUM CS 3000 R3 集散控制系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)真正開(kāi)放的系統(tǒng)，它由操作站、工程師站、現(xiàn)場(chǎng)控制站以及V-NET控制總線等部分構(gòu)成。

橫河電機(jī)CENTUM CS 3000采用全方位的冗余配置，控制站采用高速的RISC處理器VR5432，可進(jìn)行64位浮點(diǎn)運(yùn)算，具有強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，可以實(shí)現(xiàn)諸如多變量控制、模型預(yù)測(cè)控制及模糊邏輯等多種高級(jí)控制功能。CPU冗余容錯(cuò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在任何故障和隨機(jī)錯(cuò)誤產(chǎn)生的情況下進(jìn)行糾錯(cuò)與連續(xù)不間斷地控制。V-NET控制總線可滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)性和大規(guī)模數(shù)據(jù)通信的要求。同時(shí)還提供系統(tǒng)接口和網(wǎng)絡(luò)接口用于與不同廠家的系統(tǒng)、產(chǎn)品管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。操作站和工程師站采用Windows XP標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，具有窗口分層、長(zhǎng)趨勢(shì)保存、先進(jìn)報(bào)表和各種邏輯運(yùn)算功能，可靠性高。

2 氧氣放空前饋控制方案設(shè)計(jì)

前饋調(diào)節(jié)是一種能對(duì)干擾量的變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)。在本氣化爐氧氣放空調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最大的干擾量就是單爐跳車后氧氣系統(tǒng)壓力突然增大的量。如果只采用反饋控制，當(dāng)壓力增大，偏離給定值時(shí)，則通過(guò)PID運(yùn)算進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于其運(yùn)算控制的特點(diǎn)，對(duì)于如此大的干擾，根本無(wú)法達(dá)到使氧氣系統(tǒng)壓力及時(shí)恢復(fù)到正常值的目的，因此經(jīng)常因?yàn)檠鯕庀到y(tǒng)壓力控制不住而使另一臺(tái)氣化爐也跳車，進(jìn)而引起整個(gè)裝置跳車，給生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。針對(duì)這一點(diǎn)引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前饋-反饋調(diào)節(jié)，既能及時(shí)補(bǔ)償因單爐跳車后氧氣系統(tǒng)壓力突然增大的量，又能通過(guò)PID調(diào)節(jié)精細(xì)地控制系統(tǒng)壓力，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，可有效保證在單爐跳車的情況下，另一臺(tái)氣化爐安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，合成氨氣化爐氧放空流程和控制方案如圖1所示。

FY-02009-3運(yùn)算塊用來(lái)提取1#氣化爐跳車前5、4、3s的入爐氧氣流量，F(xiàn)Y-02101-5運(yùn)算塊用來(lái)取平均值作為前饋調(diào)節(jié)的量。程序設(shè)計(jì)如下：

圖1 合成氨氣化爐氧放空流程和控制方案

program

* Program will provide special type of moving average

* It stores values following:

* P01 — X(n) Current Sample

* P02 — X(n-1) previous Sample

* P03 — X(n-2)

* P04 — X(n-3)

* P05 — X(n-4)

* P06 — X(n-5)

* The moving average will be calculated as following

* MOVAVRG=( X(n-3)+X(n-4)+X(n-5) )/3

* e. g. average three second period in 3 second pase

* We get a average O2 flow before trip

Alias CUR_FLOW RV ! Current Flow Value

Alias MOVAVRG CPV! Moving Average

P06=P05

P05=P04

P04=P03

P03=P02

P02=P01

P01= CUR_FLOW

MOVAVRG=( P04+ P05+ P06)/3

end

FY-02009-4運(yùn)算塊用來(lái)提取2#氣化爐跳車前5、4、3s的入爐氧氣流量，F(xiàn)Y-02201-5運(yùn)算塊用來(lái)取平均值作為前饋調(diào)節(jié)的量。程序設(shè)計(jì)如下：

program

* Program will provide special type of moving average

* It stores values following:

* P01 — X(n) Current Sample

* P02 — X(n-1) previous Sample

* P03 — X(n-2)

* P04 — X(n-3)

* P05 — X(n-4)

* P06 — X(n-5)

* The moving average will be calculated as following

* MOVAVRG=( X(n-3)+X(n-4)+X(n-5) )/3

* e. g. average three second period in 3 second pase

* We get a average O2 flow before trip

Alias CUR_FLOW RV ! Current Flow Value

Alias MOVAVRG CPV! Moving Average

P06=P05

P05=P04

P04=P03

P03=P02

P02=P01

P01= CUR_FLOW

MOVAVRG=( P04+ P05+ P06)/3

end

FY-02009-1運(yùn)算塊引用氣化爐跳車信號(hào)，用來(lái)選擇跳車的氣化爐跳車前的入爐氧氣流量。程序設(shè)計(jì)如下：

Program

Alias PSTS_T1 〔UA-02107.PV.ON}! PO Reactor Status—Train 1; log.0—Normal, log.1—Fail

Alias PSTS_T2 〔UA-02207.PV.ON}! PO Reactor Status—Train 2; log.0—Normal, log.1—Fail

Alias F_RATE_1 RV1 ! The averaged flow rate before trip—Train 1

Alias F_RATE_2 RV2 ! The averaged flow rate before trip—Train 2

* P01 stores previous status of reactor (Train 1) to able to catch the trip

* P02 stores previous status of reactor (Train 2) to able to catch the trip

cpv=0

if (PSTS_T1==1) AND(P01==0) then

* sends the flow rate only once, it will preopen the valve

* and the controller take cake to close it

cpv= F_RATE_1

end if

* stores currect status of Train 1 for next scan cycle

P01= PSTS_T1

if (PSTS_T2==1) AND(P02==0) then

* sends the flow rate only once, it will preopen the valve

* and the controller take cake to close it

cpv= F_RATE_2

end if

* stores currect status of Train 2 for next scan cycle

P02= PSTS_T2

end

FY-02009-2運(yùn)算塊將FY-02009-1運(yùn)算塊送來(lái)的已跳車的氣化爐在跳車前的入爐氧氣流量除以量程實(shí)現(xiàn)流量與閥位值的轉(zhuǎn)換，并將此信號(hào)送到PIC-02009常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的VN端進(jìn)行前饋補(bǔ)償。程序設(shè)計(jì)如下：

Program

Alias F_RATE RV ! Flow rate before train trips

#define LOWCUT 150.0 ! Below the 0.5% of scale ,we don’t open the valve, e.g.150

! and negative flow does not make any trouble

cpv=P01

* if we receive F_RATE at this variable,we must calculate the valve openness

* according to the valve flow curve.we assume that it is an parabolic function with scaling.

* Our valve curve is V[%]=F(F_RATE[kg/hr])=(FLOW_RATE)*(100%)/(33000kg/hr)

If (F_RATE>LOWCUT) then

* Feedforward signal

* CorrectedMV=CorrectedMV[n]+F(F_RATE)

P01= P01+100.0* F_RATE/33000.0

* To make it safer,we limit the signal to 100.0%

P01=dmin(P01,100.0)

P01=dmax(0,P01)

else

P01=0

end if

end

該前饋-反饋控制方案可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單爐跳車后，總管氧氣系統(tǒng)壓力會(huì)突然增大，為使壓力盡快恢復(fù)到正常值，引入前饋控制，在DCS中通過(guò)運(yùn)算取跳車前第5、4、3s的該爐氧氣流量的平均值進(jìn)行運(yùn)算，用平均值除以33 000的氧氣流量表量程轉(zhuǎn)換成與閥位對(duì)應(yīng)的輸出值作為前饋控制的輸出值，與PIC-02009調(diào)節(jié)器的原輸出值進(jìn)行疊加，使閥快速開(kāi)大，以及時(shí)釋放過(guò)多的氧氣，再通過(guò)PID調(diào)節(jié)使氧氣壓力穩(wěn)定在給定值上，保證另一臺(tái)氣化爐的正常生產(chǎn)。

因?yàn)榍梆伩刂浦辉谔嚽闆r下才執(zhí)行，同時(shí)考慮到UA-02107/UA-02207跳車信號(hào)和FY-02101-5/FY-02201-5入爐氧氣流量信號(hào)是通過(guò)與ESD通信獲得，存在一定的延時(shí)問(wèn)題，所以取跳車前5、4、3s采樣周期的平均氧氣流量，以準(zhǔn)確反映跳車前的實(shí)際氧氣流量。

3 結(jié)束語(yǔ)

兩臺(tái)氣化爐共用一套氧氣放空調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)加入前饋控制后，提高了裝置操作的平穩(wěn)性，在單爐跳車的情況下，能很好地控制氧氣系統(tǒng)壓力，保證另一臺(tái)氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，有效減少了非計(jì)劃停車，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這種前饋-反饋控制綜合了前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，既發(fā)揮了前饋控制及時(shí)克服主要干擾的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種干擾，始終保持被控變量等于給定值的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)這種干擾突然增大的工況是較為理想的控制方式。