平均值法在加熱爐支路平衡控制上的實現(xiàn)

吳潔蕓 雷衛(wèi)良 周 娓 程高峰

(浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053)

煉油化工生產(chǎn)中最常見的加熱爐是管式加熱爐，約占裝置投資的10%左右，其作用是將用爐管中的油料加熱至需要的溫度，然后進入到下一個工藝設備中進行分餾、裂解及反應等。原油加熱爐由于被加熱的油品處理量大，通常將油品分為多個支路在加熱爐中加熱。由于加熱爐爐膛溫度燃燒得不均勻，且各個支路爐管傳熱特性有差異，將導致各個加熱爐支路出口溫度不同，容易引起結焦和熱損耗。因此，常減壓裝置加熱爐出口溫度平衡是加熱爐的重要控制指標，它對于安全生產(chǎn)、降低能耗具有非常重要的意義[1，2]。

最早的支路控制由操作員依據(jù)出口溫度偏差調(diào)整流量，由于操作員的精力有限，不能及時關注溫差，而且調(diào)節(jié)單支路流量會導致總流量的變化，進而影響負荷。文獻[3～5]中采用差動法對支路進行控制，使得支路平衡從手動控制轉(zhuǎn)向自動控制，但是差動法必須存在對稱管道，且對稱管道的流量增減必須是相等的，一個流量增加了另一個流量必然減少。然而，實際管道受熱情況不一致，爐管傳熱特性也不一致，同樣的流量變動引起的溫度變化是不一致的，這種對稱的流量修改特性勢必會導致溫度控制效果差。

筆者提出一種新的算法，對每個支路采用一個單獨的增量式PID控制算法，將各支路出口溫度取平均值作為PID的設定值，各支路溫度作為測量值?？梢詥为毎凑崭鱾€支路的特性設置不同的PID值，同時為了保證總管流量不變，對每個支路的輸出進行修正，故稱之為平均值法平衡控制方法。

1 平均值法平衡控制方法①

平均值法采用多個增量式PID控制算法實現(xiàn)平衡控制。

1.1 增量式PID控制算法

增量式PID控制算法如下[6]：

(1)

ΔEt=Et-Et-1

Et=設定值-測量值

式中dMVt——本周期輸出；

PB——比例系數(shù)；

TD——微分系數(shù)；

TI——積分系數(shù)；

Ts——控制周期。

1.2 雙支路平衡控制基本原理

雙支路平衡控制的基本原理如圖1所示，雙支路平衡控制對出口溫度T1和T2取平均，采用兩個平衡調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)兩個支路的設定流量，并通過兩個流量調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)每個支路的流量。平衡調(diào)節(jié)器是一個增量式PID控制器，以溫度平均值TA為設定值，出口溫度為測量值進行PID控制。假設當支路1的出口溫度大于支路2的出口溫度，即T1>T2，那么T1>TA>T2,這樣支路1的平衡調(diào)節(jié)器的偏差=T1-TA>0,而支路2的平衡調(diào)節(jié)器的偏差=T2-TA<0；那么平衡調(diào)節(jié)器輸出FD1>0,而平衡調(diào)節(jié)器的輸出FD2<0；通過流量調(diào)節(jié)器，使得支路1的流量變大，支路2的流量減少，這樣就能達到平衡控制。

圖1 雙支路平衡控制基本原理

為了保證總流量不變，需要將平衡調(diào)節(jié)器的輸出進行修正，修正算法如下：

(2)

(3)

式中dMV1、dMV2——第1、2路平衡調(diào)節(jié)器增量式PID輸出；

FD1、FD2——第1、2路平衡調(diào)節(jié)器輸出。

由式(2)、(3)可得FD1+FD2=0，說明總流量未變。

1.3 多支路平衡控制基本原理

多支路平衡控制是對出口溫度T1～Tn(n≥2)取平均，然后采用n個平衡調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)n個支路的設定流量，并通過n個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)n個支路的流量。各個支路的平衡調(diào)節(jié)器是一個增量式PID控制器，以溫度平均值為設定值、各支路出口溫度為測量值進行控制。為保證總流量不變，需將平衡調(diào)節(jié)器的輸出進行修正，修正算法為：

(4)

FD1=dMV1-Amend

(5)

FD2=dMV2-Amend

(6)

FDn=dMVn-Amend

(7)

由式(4)～(7)可得：

FD1+FD2+…+FDn=dMV1+dMV2+…+dMVn-

n·Amend=0

(8)

由式(8)可知，該修正算法保證總流量不變。

一旦各支路溫度平穩(wěn)，那么各支路的偏差等于0，各支路平衡調(diào)節(jié)器的輸出都為0，各支路的流量調(diào)節(jié)器的設定值不變。

1.4 總管流量控制

工藝過程中，按照負荷的要求，需要增、減總管流量，可以將總管流量的增量均勻地分配給各流量調(diào)節(jié)器的設定值，但由于每個支路的情況不一樣，均勻分配會導致出口溫度不平衡，帶來再次的擾動。按照當前設定流量進行加權修正，算法如下：

式中F1t，F(xiàn)2t，…,Fnt——本周期第1,2,…,n路流量調(diào)節(jié)器設定；

F1(t-1)，F(xiàn)2(t-1)，…,Fn(t-1)——上周期第1,2,…，n路流量調(diào)節(jié)器設定；

FSt——本周期總管流量設定；

FS(t-1)——上周期總管流量設定。

該算法能夠及時響應總管流量的變化，并降低由此對出口溫度偏差帶來的擾動。

2 實現(xiàn)

在ECS-700系統(tǒng)上實現(xiàn)了8支路平衡控制，并封裝成專用功能塊，可以按照工藝要求選擇2、4、6、8支路平衡控制。該功能塊同時對投運支路的流量偏差和溫度偏差進行監(jiān)視，當超過閾值后進行報警，其組態(tài)簡單、調(diào)試方便。

3 效果分析

選擇某個項目6支路平衡的應用情況，在投運前，該項目采用手動調(diào)節(jié)，出口溫度最大偏差長期穩(wěn)定在8℃左右，在調(diào)節(jié)負荷過程中，溫度偏差會超過10℃，運行效果如圖2所示。在采用6支路平衡投運后，控制效果如圖3所示，溫度偏差最大為4℃左右。

圖2 6支路平衡投運前控制效果

圖3 6支路平衡投運后控制效果

4 結束語

介紹了加熱爐支路平衡控制的平均值算法,并在ECS-700系統(tǒng)上實現(xiàn)，控制方案具有組態(tài)簡單、投運方便、魯棒性強和易操作的特點。通過實際應用可知，平均值法加熱爐支路平衡控制不僅調(diào)節(jié)方便,而且具有較好的控制效果。