MTP裝置自控率低的原因分析及改進措施

李 文，鳳建剛，劉 杰

（國家能源集團寧夏煤業(yè)公司 烯烴一分公司，寧夏 靈武 750411）

國家能源集團寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司某甲醇制烯烴裝置（簡稱MTP裝置）采用德國魯奇工藝技術(shù)，以年消耗167萬噸甲醇為原料，經(jīng)過反應(yīng)、壓縮、精餾等一系列工藝流程處理，最終年產(chǎn)丙烯50萬噸[1]。近年來隨著中國制造2025（工業(yè)4.0）的推進，工業(yè)智能化和智能工廠的發(fā)展將成為一個不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。自動化控制是保證安全生產(chǎn)過程的目標解決方案，通過提升自動化水平可以降低安全生產(chǎn)風險，提高經(jīng)濟效益，提升企業(yè)市場競爭力。為此，提高MTP裝置自控率是提升公司自動化水平的重要舉措，可以降低企業(yè)人工成本，減輕操作人員的工作強度，防范人為誤操作，消除裝置生產(chǎn)波動并杜絕事故發(fā)生[2]。

1 影響自控率低的因素

自控率是控制回路中投用的自動控制回路數(shù)與裝置總回路數(shù)比值：自控率=自動回路數(shù)/總回路數(shù)×100%。在工業(yè)實際生產(chǎn)中因設(shè)計缺陷或工況原因無法解決的問題影響長期不具備投用條件的控制回路，將此部分回路通過主管部門審批停用（簡稱停用回路）。為此，自控率=自動回路數(shù)/（總回路數(shù)-停用回路數(shù)）×100%。由自控率計算方式可知，控制回路的完好性是非常關(guān)鍵的要素。簡單控制系統(tǒng)回路通常由檢測變送單元、控制器、控制閥和被控對象4大部分組成，圖1是一個簡單的自動控制系統(tǒng)的方塊圖。

圖1 自動控制系統(tǒng)方塊圖Fig.1 Block diagram of automatic control system

控制回路投自動關(guān)聯(lián)因素比較多，由圖1自動控制系統(tǒng)方塊圖組成結(jié)構(gòu)可以看出，控制器性能穩(wěn)定性、控制閥的動作靈敏性、被控對象的正確性、檢測元件變送器測量的準確性以及企業(yè)管理層的重視程度和崗位操作人員對自動化的可靠性認識水平都是影響裝置自控率的主要因素。一般來講工藝控制方案比較成熟穩(wěn)定，工況的問題比較少，可能剛開始投產(chǎn)工藝流程和關(guān)鍵參數(shù)不太清楚，經(jīng)過一段時間運行，中控內(nèi)操總結(jié)經(jīng)驗摸索出一套適合自己的操作思路方案。只要公司上下思想上達成共識，相信自動控制比人操作更可靠穩(wěn)定、高效，那么自動控制投用基本就是儀表自控方面的問題了。影響自控率低的因素除了管理人員的思想認識不足和系統(tǒng)操作人員技能水平之外，還有：

1）控制器性能方面，包括回路控制方案設(shè)計的合理性（簡單控制回路、復(fù)雜控制回路、被控變量和操縱變量的選擇）和PID參數(shù)整定的準確性。

2）控制閥故障引起自動無法投用。其主要表現(xiàn)在3個方面，一是因介質(zhì)存在兩相流氣蝕，閥體沖刷磨損內(nèi)漏，閥體、閥內(nèi)密封組件材質(zhì)選擇與工況不匹配導(dǎo)致閥體磨穿外漏，閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)不是降噪型的引起閥門振動或噪音大引起閥體故障；二是因推桿密封圈老化破裂嚴重漏氣、膜片破損竄氣和彈簧腐蝕失修預(yù)緊力不足等原因引起執(zhí)行機構(gòu)故障；三是閥門氣路附件接頭漏氣、定位器和電磁閥故障等因素引起閥門動作失調(diào)。

3）被控對象選擇錯誤導(dǎo)致。被控對象模型是控制器設(shè)計的基礎(chǔ)，對象模型越準確越有利于設(shè)計出最優(yōu)的控制律。

4）溫度、壓力、流量、物位和組分5大參數(shù)檢測元件變送器測量的準確性。溫度、壓力參數(shù)受外界干擾因素較小，但溫度測量、調(diào)節(jié)存在滯后大缺陷，組分測量多數(shù)情況用于監(jiān)控顯示，很少用于回路控制，而流量和物位因測量儀表型號不同、測量原理不同變化比較大，對控制回路穩(wěn)定性影響比較明顯。

2 提升自控率的措施

影響儀表自控率的因素很多，歸結(jié)起來應(yīng)從設(shè)計選型、安裝到日常維護幾個方面考慮改進優(yōu)化[3]。結(jié)合制約本單位MTP裝置自控回路無法投用的因素采取的改進措施進行淺析。表1是影響自控率低的因素和相應(yīng)的改進措施。

表1 自控率影響因素與改進措施表Table 1 Influencing factors and improvement measures of automatic control rate

2.1 檢測元件測量不準的改進措施

1）溫度檢測元件故障

一體化溫度變送器是工業(yè)流體溫度測量監(jiān)控的一種有效手段，它主要由測溫探頭（熱阻芯、熱偶芯）、保護套管、接線盒和變送器4部分組成。MTP裝置共使用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的一體化溫度變送器341支，自裝置開車以來共計發(fā)生8起蒸汽、循環(huán)水和氣態(tài)烴介質(zhì)管線溫度套管泄漏情況。通過對溫度套管實際承受的最大應(yīng)力、阻力、流速、壓力等參數(shù)計算分析，泄漏原因為溫度套管過長（長度650mm），套管端部長期受沖擊振動，加之304不銹鋼材質(zhì)不滿足實際工況造成套管根部疲勞裂縫，最終確定18支溫度套管存在較大的泄漏風險。2019年隨著裝置停車檢修機會將溫度套管改造升級為長度300mm的奧氏體不銹鋼316SS材質(zhì)，改造投用后溫度測量均正常，相關(guān)控制回路均已投自動。

2）流量檢測元件測量不準

流量測量的方法較多，按檢測量的不同，分為質(zhì)量流量檢測與體積流量檢測；按照檢測原理不同，一般有速度式、差壓式、質(zhì)量式和容積式。MTP裝置常用的流量計有電磁流量計、差壓式流量計、插入式靶式流量計等多種規(guī)格型號。7臺電磁流量計因屏蔽接線和跨靜電接地線缺失測量值受電磁干擾波動，1臺靶式流量計因靶片安裝方向錯誤導(dǎo)致測量值為零，9臺差壓流量計因氣態(tài)烴帶液測量值變小。針對這3種流量計測量存在的問題，分別采取電磁流量計屏蔽線接地，增加法蘭跨靜電線，靶式流量計調(diào)整靶片安裝方向，差壓流量計取壓管改短安裝的措施消除積液，如圖2。通過實施對應(yīng)措施后解決了流量計測量不準問題，8個控制回路實現(xiàn)投自動控制。

圖2 差壓流量計改造前后安裝意圖Fig.2 Installation intent of differential pressure flowmeter before and after reconstruction

2.2 控制閥的設(shè)計選型

控制閥又名調(diào)節(jié)閥，通過接收控制器輸出的4mA～20mA控制信號，借助儀表風動力改變介質(zhì)溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的最終控制元件，是影響自動控制的關(guān)鍵因素之一。MTP裝置自2014年開車以來預(yù)急冷塔進料、工藝蒸汽和蒸汽凝液等管線6臺關(guān)鍵閥門存在振動大和8臺閥門嚴重內(nèi)漏隱患。針對閥門振動大原因，通過查文獻、測試比較本單位其它裝置同工況閥門運行參數(shù)和內(nèi)件結(jié)構(gòu)，最終確定振動大閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，即閥流通能力CV值偏大。因閥門內(nèi)件原始設(shè)計為大窗口導(dǎo)向型套筒結(jié)構(gòu)，當調(diào)節(jié)閥開度小時這種結(jié)構(gòu)閥門的節(jié)流口處流速增大，壓力迅速減小，壓差增大，流體流經(jīng)閥門很容易形成閃蒸和氣蝕，噪音增大，從而造成閥門振動大。因此，采取將大窗口導(dǎo)向型套筒結(jié)構(gòu)改造為多孔式降噪籠式結(jié)構(gòu)方案，圖3是調(diào)節(jié)閥內(nèi)件改造前后結(jié)構(gòu)示意圖。改造后閥體、閥桿振值由原來的6.02mm/s、7.65mm/s降為2.40mm/s、2.44mm/s，低于公司操作規(guī)程規(guī)定的3mm/s要求，8臺內(nèi)漏閥門利用檢修等機會下線維修和改造升級。通過改造正常工況下閥門閥位在30%～80%之間，滿足調(diào)節(jié)閥技術(shù)規(guī)范要求。

圖3 閥內(nèi)件改造前后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of valve trim before and after reconstruction

2.3 自動控制方案優(yōu)化

化工企業(yè)自動控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)[4]。根據(jù)實際工況對MTP裝置12個控制回路重新進行了優(yōu)化，如前饋-串級復(fù)雜回路降級串級控制、聯(lián)鎖保護系統(tǒng)重新設(shè)計、報警值聯(lián)鎖值變更、操縱變量的選擇等，圖4為蒸汽加熱控制方案流程圖，原設(shè)計被控變量為溫度，由于溫度滯后較嚴重，改選為頂部壓力，解決了溫度控制滯后問題，提高了回路響應(yīng)。

圖4 蒸汽加熱控制方案流程圖Fig.4 Flow chart of steam heating control scheme

2.4 控制回路PID參數(shù)整定

MTP裝置DCS系統(tǒng)采用艾默生DeltaV數(shù)字自動化系統(tǒng)實現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入高度集成的PID功能塊，其提供比例（P）+積分（I）+微分（D）控制，該功能塊標準的離散PID方程式如式（1）：

式（1）中：GAINa是把參數(shù)GAIN從PV縮放到OUT之后的標稱增益；Ti是以秒計的積分時間常數(shù)（參數(shù)積分）；Td是以秒計的微分時間常數(shù)（參數(shù)微分）；E(s)是偏差（SP-PV）；F(s)是前饋作用。

由于臨界比例度法要系統(tǒng)達到等幅振蕩后，才能找出PID參數(shù)，對于工藝操作和現(xiàn)場實際工況不允許等幅振蕩出現(xiàn)。為此，在理解式（1）中比例、積分、微分參數(shù)含義的基礎(chǔ)上，采用衰減曲線法與經(jīng)驗湊試法相結(jié)合的方法，對MTP裝置控制回路PID參數(shù)進行了整定。具體做法是在閉合的控制系統(tǒng)中，先將控制器設(shè)為純比例作用，根據(jù)經(jīng)驗將比例設(shè)定為一個較小的數(shù)值，達到穩(wěn)定后，采用改變給定值的方法加入階躍干擾，觀察并記錄趨勢的衰減比，從小到大改變比例，直到出現(xiàn)4:1衰減比為止，如圖5所示，記下此時的比例度δs,，并從曲線上得出衰減周期Ts，然后根據(jù)表2中的經(jīng)驗公式，求出控制器的參數(shù)整定值。

表2 4:1衰減曲線法控制器參數(shù)計算表Table 2 4:1 Calculation table of controller parameters by attenuation curve method

圖5 4:1衰減振蕩趨勢圖Fig.5 4:1 Attenuation oscillation trend chart

通過對艾默生Delta V系統(tǒng)PID功能塊的應(yīng)用與PID參數(shù)整定，總結(jié)如下經(jīng)驗可供借鑒。

1）回路投用前要確認控制器正反作用。

2）串級調(diào)節(jié)先副回路投自動后，主回路投串級。

3）流量、液位、壓力調(diào)節(jié)比例+積分方可。

4）溫度調(diào)節(jié)先是比例+積分，最后再把微分加。

5）曲線頻繁等幅振蕩，比例系數(shù)要減小。

6）曲線前高后低兩個波，積分時間要增大。

7）曲線偏離恢復(fù)慢，積分時間要減小。

8）曲線振蕩頻率快，微分時間要減小。

9）衰減比小于4:1，增大主回路比例系數(shù)。

10）定比例或積分參數(shù)，其中一個變化找規(guī)律。

11）串級調(diào)節(jié)注意主副回路參數(shù)臨界值。

3 儀表自控率提升效果

自2019年年初開始單位領(lǐng)導(dǎo)高度重視全廠自控回路投用情況，專門成立了以總工程師為首的自控率提升技術(shù)攻關(guān)小組。在生產(chǎn)技術(shù)部的主導(dǎo)下，每季度組織儀表車間、工藝車間相關(guān)技術(shù)人員就自控投用情況和存在的問題召開專題會議，利用2019年5月和2021年6月裝置停車檢修機會對控制回路涉及改造的測量變送元件、調(diào)節(jié)閥和控制回路邏輯進行了升級改造和程序優(yōu)化。通過提升措施的實施，自動控制的回路達到274個，總共278個回路，即MTP裝置自控率由原來的82.6%提高到98.56%。

4 結(jié)束語

結(jié)合MTP裝置自控率低存在的問題，淺析了其影響因素并給出了解決措施，這些措施的實施消除了制約裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的潛在隱患，降低了裝置波動風險，提升了自動化水平，減少了操作人員勞動強度和誤操作可能。實際生產(chǎn)中不同工況不同型號儀表影響自控率的因素不同，由于本人知識儲備和實際經(jīng)驗有限不能逐一列舉加以剖析，還有待進一步學習并與同行加強交流，下一步通過先進控制、實時優(yōu)化控制等技術(shù)實現(xiàn)裝置的“全流程自動”和“黑屏操作”。