分程控制在壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力控制中的應(yīng)用與研究

高韻涵 樊星宇

摘 ? ? ?要：在眾多復(fù)雜控制中，分程控制為其中一種，且在石油化工控制過(guò)程中應(yīng)用廣泛。結(jié)合異構(gòu)化裝置中氫氣壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力控制方法，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口工藝流程的介紹，闡述分程控制的原理、方法及必要性。為控制異構(gòu)化反應(yīng)器中氫氣的進(jìn)料量，采用氫壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐頂壓力、氫氣干燥器出口流量為參數(shù)，將信號(hào)送至控制系統(tǒng)的選擇單元。此選擇單元與兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成分程控制系統(tǒng)，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥控制氫氣回路流量，從而保證反應(yīng)器內(nèi)的氫氣量恒定。

關(guān) ?鍵 ?詞：分程控制;壓力;流量;調(diào)節(jié)閥

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）04-0692-04

Abstract： As a kind of complex control system， split-range control system is widely used in petrochemical control process. In this paper， combined with the pressure control method of hydrogen compressor inlet and outlet in isomerization unit， the principle， method and necessity of split-range control system were expounded by introducing the process flow of the compressor. In order to control the feed amount of hydrogen in the isomerization reactor， the pressure at the top of the buffer tank at the inlet and outlet of the hydrogen compressor and the discharge at the outlet of the hydrogen dryer were adopted as parameters to send signals to the selection unit of the control system. This selection unit and two control valves constituted a split-range control system， and the two control valves controlled the flow of hydrogen loop， so as to ensure the constant amount of hydrogen in the reactor.

Key words： Split-range control; Pressure; Flow; Control valve

伴隨電子科技的不斷發(fā)展，在石油化工領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)的普及程度逐年提高，較之傳統(tǒng)的單回路控制結(jié)構(gòu)在實(shí)際的石油化工裝置上已經(jīng)不能保證其有效性。針對(duì)石油化工企業(yè)提出的新要求，控制技術(shù)也在不斷進(jìn)步，本文所運(yùn)用的分程控制即是在這種條件下發(fā)展出來(lái)的一種復(fù)雜控制方案。

對(duì)于壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓力控制，單純采用多個(gè)單回路控制，很難取得滿意的控制效果，也不能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和反饋問(wèn)題;而分程控制能擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，滿足工藝過(guò)程要求，采用兩種或多種手段、介質(zhì)來(lái)進(jìn)行控制，滿足工藝生產(chǎn)不同負(fù)荷和開、停車過(guò)程對(duì)自控要求，從而采用分程控制更為突出[1] 。

1 ?分程控制系統(tǒng)

1.1 ?分程控制原理

分程控制方案的本質(zhì)就是改變以往傳統(tǒng)的單點(diǎn)控制，引入一點(diǎn)雙控的概念，即一個(gè)控制器同時(shí)控制兩臺(tái)或多臺(tái)被控對(duì)象的一種回路控制方案。與以往的控制方案相比較，分程控制在一個(gè)控制輸出條件下對(duì)同一信號(hào)或不同信號(hào)，通過(guò)規(guī)則加以區(qū)分信號(hào)段，利用不同信號(hào)段作為不同被控對(duì)象的控制源，從而實(shí)現(xiàn)以一控多的目的。如圖1所示[2]。

圖1表示了分程控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。圖中表示了一臺(tái)控制器去操縱兩只調(diào)節(jié)閥。為了分程目的，需借助于附設(shè)在每個(gè)調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器。借助于它對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能。

1.2 ?分程控制方案

分程控制系統(tǒng)的實(shí)施方案，是解決控制器與調(diào)節(jié)閥的工作配合問(wèn)題。調(diào)節(jié)閥一般為氣動(dòng)閥門，輸入控制信號(hào)一般為20～100 kPa，工作形式共分兩種，一種是氣開，另一種是氣關(guān)。如圖2所示，分為以下幾種情況[3] ：

分程控制方案中，閥門的開閉形式，可分為同向和異向兩種，同向和異向的選擇，由工藝的需求而確定。

設(shè)計(jì)分程控制有兩方面的目的：一是為擴(kuò)大控制閥的調(diào)節(jié)范圍;二是滿足工藝上操作的特殊要求。

2 ?分程控制在壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力控制中的應(yīng)用

2.1 ?工藝流程介紹

本文所提的壓力分程控制應(yīng)用于臨氫異構(gòu)化工藝中，此工藝過(guò)程是將來(lái)自石腦油分離裝置的輕石腦油與經(jīng)壓縮機(jī)和干燥器處理后的氫氣送入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，生成高辛烷值的異構(gòu)化油品。為了防止壓縮機(jī)對(duì)其入口緩沖罐抽真空，避免壓縮機(jī)振蕩，保證氫氣的進(jìn)料量，在壓縮機(jī)進(jìn)出口緩沖罐頂設(shè)壓力控制，氫氣干燥器出口設(shè)流量控制，并將三個(gè)參數(shù)同時(shí)送入DCS控制系統(tǒng)低選單元。當(dāng)選擇器確認(rèn)了主控制器后，主控制器與兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成分程控制。當(dāng)壓縮機(jī)入口緩沖罐頂壓力低時(shí)，PV-002A 打開，補(bǔ)充入口緩沖罐的氫氣量，使壓力回升，如果PV-002A閥全開仍不能使壓力恢復(fù)正常，則PV-002B打開，使氫氣進(jìn)料量繼續(xù)快速增加;當(dāng)壓縮 機(jī)出口緩沖罐壓力高，或干燥器出口流量增大時(shí)， 為了防止壓縮機(jī)振蕩和反應(yīng)器氫氣進(jìn)料量過(guò)多，PV-002A打開，若PV-002A全開仍不能讓壓力或流量恢復(fù)正常，則PV-002B打開。工藝流程如圖3所示。

2.2 ?分程控制的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)分程控制的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)附在調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器，給控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行分段，每個(gè)區(qū)間段內(nèi)的信號(hào)變化分別通過(guò)閥門定位器去帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥做全程動(dòng)作，這種形式被稱為“硬分程”。但這種分程控制會(huì)存在一些問(wèn)題：

（1）硬分程是通過(guò)調(diào)節(jié)閥上的閥門定位器，使量程范圍發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)分程控制。但在生產(chǎn)裝置中，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)分程控制中的每一段輸出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥調(diào)校，調(diào)校工作既錯(cuò)綜復(fù)雜又浪費(fèi)時(shí)間，而且維修十分不便。

（2）在現(xiàn)場(chǎng)還有可能會(huì)通過(guò)人為調(diào)整調(diào)節(jié)閥的閥門定位器來(lái)實(shí)現(xiàn)分程控制，但這樣人為的調(diào)整，有可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，不能進(jìn)行分程控制。

現(xiàn)在DCS集散控制系統(tǒng)生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用十分重要，分程控制可以通過(guò)控制器在DCS控制系統(tǒng)中組態(tài)并輸出進(jìn)行分段來(lái)實(shí)現(xiàn)，讓每個(gè)AO點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥。這種在DCS控制系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的分程控制，被稱為“軟分程”。

本異構(gòu)化裝置就采用了軟分程的方式實(shí)現(xiàn)了分程控制。在氫氣壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力的控制調(diào)節(jié)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，閥位顯示0%對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的輸出為20 mA， 閥位顯示100%對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的輸出為4 mA。選用了一個(gè)正作用調(diào)節(jié)回路PIC-002，兩個(gè)反作用調(diào)節(jié)回路PIC-003和FIC-025，三個(gè)調(diào)節(jié)回路共同控制PV-002A和PV-002B兩個(gè)氣關(guān)調(diào)節(jié)閥，閥門定位器選擇正作用。PV-002A閥門先動(dòng)作，PV-002B閥門后動(dòng)作，三個(gè)調(diào)節(jié)回路輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)低選器PY-002C選擇出主控制器后，則確定了控制器的作用方式。

（1） 當(dāng)PIC-002為主控制器，控制器為正作用，即隨壓縮機(jī)入口緩沖罐頂壓力測(cè)量值的減小控制器的輸出減小，因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，根據(jù)定位器為正作用，此時(shí)PV-002A閥門經(jīng)過(guò)PY-002A先打開。若PV-002A全開后入口緩沖罐頂?shù)膲毫€不能恢復(fù)，則輸出AO信號(hào)將繼續(xù)減小，此時(shí)PV-002B閥門經(jīng)過(guò)PY-002B后打開。

（2）當(dāng)PIC-003為主控制器，控制器為反作用，即隨壓縮機(jī)出口緩沖罐頂壓力測(cè)量值的增加，控制器的輸出減小，因?yàn)檎{(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，根據(jù)定位器為正作用，PV-002A閥門經(jīng)過(guò)PY-002A先打開。若PV-002A全開后出口緩沖罐頂?shù)膲毫θ詻]能恢復(fù)，則輸出AO信號(hào)繼續(xù)減小，此時(shí)PV-002B閥門經(jīng)過(guò)PY-002B后打開。

（3）當(dāng)FIC-025為主控制器，控制器為反作用，即隨氫氣干燥器出口流量的升高，控制器的輸出降低，此時(shí)的閥門動(dòng)作狀態(tài)同第（2）條所述的一致。

2.3 ?分程控制曲線的實(shí)現(xiàn)

在PID控制中，控制器通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)和反饋的信號(hào)計(jì)算后得出控制量，控制系統(tǒng)將控制量設(shè)為0%～100%?？刂菩盘?hào)輸出至調(diào)節(jié)閥前必須通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成4～20 mA模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作?？刂菩盘?hào)與標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)和閥門開度之間的關(guān)系曲線如圖4所示[4]。

PY-002A先打開，若PV-002A全開后出口緩沖罐頂?shù)膲毫θ詻]能恢復(fù)，則輸出AO信號(hào)繼續(xù)減小，此時(shí)PV-002B閥門經(jīng)過(guò)PY-002B后打開。

3 ?分程控制效果

分程控制中，調(diào)節(jié)閥PV-002A的最大流量設(shè)為?_AMAX，最小流量設(shè)為?_AMIN;調(diào)節(jié)閥PV-002B的最大流量為設(shè)?_BMAX， 最小流量設(shè)為?_BMIM。由于兩個(gè)調(diào)節(jié)閥的選型相同，所以兩閥的可調(diào)比RA=RB。在整個(gè)控制過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作相同且A閥、B閥并聯(lián)，因此分程控制過(guò)程中可以看成是一個(gè)調(diào)節(jié)閥的控制，其組合可調(diào)比應(yīng)為組合的最大流通能力與最小流通能力之比[5] [6]，即：

R=（?_AMAX+?_BMAX）/?_MIN

國(guó)產(chǎn)柱塞型閥門的固有可調(diào)范圍一般為R=30，對(duì)于化工生產(chǎn)過(guò)程中的絕大多數(shù)場(chǎng)合，采用R=30的調(diào)節(jié)閥已經(jīng)足夠滿足生產(chǎn)要求。但通過(guò)分成控制，可將兩閥門組合一起將可調(diào)范圍擴(kuò)大至60，可見，此分程調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比大于任一個(gè)調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比值，從而改善了調(diào)節(jié)閥的工作特性，提高了系統(tǒng)的控制精度。

使用分程控制，可獲得擴(kuò)展可調(diào)范圍的效果，但是從流量特性來(lái)看，還存在著從A閥門到B閥門流量變化平滑過(guò)渡的問(wèn)題。假定兩閥門為線型閥，兩閥門組合在一起時(shí)，總的流量特性會(huì)在分程位置處出現(xiàn)大轉(zhuǎn)折，呈嚴(yán)重的非線性。為了實(shí)現(xiàn)圓滑的過(guò)渡，可采用兩只等百分比特性的分程閥門以實(shí)現(xiàn)總的流量特性為等百分比特性。如果系統(tǒng)要求閥門的流量特性為線性，則可通過(guò)添加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)的方法將等百分比特性校正為線性。

4 ?結(jié) 論

本異構(gòu)化裝置中，氫氣壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力控制采用分程控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)改善調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力的有效調(diào)節(jié)，較好地控制了異構(gòu)化反應(yīng)器中的氫氣量，有效地保護(hù)了催化劑，為異構(gòu)化油品的順利生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

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