分程控制在北阿油田地面工程中的應(yīng)用

蔣志鋒 沈 鶴 毛聞之

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100083)

分程控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)中復(fù)雜控制系統(tǒng)的一種。分程控制系統(tǒng)中一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器，且每個(gè)執(zhí)行器的工作范圍不同。一般情況下，分程控制可分為同向分程控制和異向分程控制：同向分程控制即隨著輸出信號(hào)的增大(減小)，控制閥的開(kāi)度隨之增大(減小)；異向分程控制即隨著輸出信號(hào)的增大或減小，控制閥一個(gè)閥門(mén)開(kāi)度增大另一個(gè)閥門(mén)開(kāi)度減小。

在此，筆者結(jié)合伊朗北阿扎德甘油田地面工程項(xiàng)目對(duì)分程控制的應(yīng)用和注意事項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明，希望為同行提供分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

在油田化工過(guò)程中分程控制常用于3種場(chǎng)合：

a. 被控對(duì)象采用兩種或兩種以上手段和介質(zhì)控制。工藝要求一個(gè)被控對(duì)象采用兩種或兩種以上的介質(zhì)來(lái)進(jìn)行控制，例如反應(yīng)釜的溫度控制。

b. 不同的負(fù)荷和開(kāi)車(chē)/停車(chē)過(guò)程要求。如加熱爐不同負(fù)荷下的需求燃?xì)饬髁靠刂啤?/p>

c. 擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于被控對(duì)象變化較大，要求調(diào)節(jié)閥有較大的可調(diào)比才能適應(yīng)工況。實(shí)際工況中有時(shí)要求調(diào)節(jié)閥在很小的開(kāi)度下工作，此時(shí)已經(jīng)接近調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍極限，調(diào)節(jié)品質(zhì)將變壞，但如果將調(diào)節(jié)閥口徑變小，在其他工況下又不能滿足工藝要求，因此必須擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比[1]。

2 分程控制的實(shí)現(xiàn)方法

以伊朗北阿扎德甘油田項(xiàng)目一級(jí)分離器的氣相壓力控制為例(圖1)，容器正常操作在500kPa壓力下，要求當(dāng)壓力在500～650kPa之間時(shí)，PV-11411A閥門(mén)逐步開(kāi)大，當(dāng)容器壓力高于650kPa時(shí)，PV-11411A保持全開(kāi)，PV-11412A開(kāi)始逐步開(kāi)大。其中，要求PV-11411A為故障關(guān)，PV-11412A為故障開(kāi)。經(jīng)分析，此處為同向分程控制。

2.1 閥門(mén)定位器

采用閥門(mén)定位器實(shí)現(xiàn)分程控制如圖2所示，同一回路中有兩個(gè)閥門(mén)PV-No.1和PV-No.2，控制器輸出4～12mA信號(hào)，要求PV-No.1從全關(guān)到全開(kāi)；當(dāng)控制器輸出12～20mA(DC)信號(hào)時(shí)PV-No.2從全關(guān)到全開(kāi)。即根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的不同區(qū)段的信號(hào)，通過(guò)改變閥門(mén)定位器的彈簧或零點(diǎn)，達(dá)到控制相應(yīng)調(diào)節(jié)閥作全行程動(dòng)作的目的。

采用閥門(mén)定位器實(shí)現(xiàn)分程控制的特點(diǎn)如下：

a. 當(dāng)兩臺(tái)控制閥串聯(lián)在同一回路中時(shí)，一旦中間線路出現(xiàn)故障或者其中一臺(tái)閥門(mén)正在進(jìn)行檢修，該回路中兩臺(tái)閥門(mén)將都不能正常工作。

b. 分程控制是通過(guò)閥門(mén)定位器的反饋杠桿來(lái)改變閥門(mén)定位器的量程范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校中工作非常繁瑣，增加了現(xiàn)場(chǎng)的工作量，且維修不方便。

圖1 油田項(xiàng)目一級(jí)分離器的氣相壓力控制

圖2 采用閥門(mén)定位器實(shí)現(xiàn)分程控制

2.2 控制系統(tǒng)組態(tài)

在DCS系統(tǒng)中，可以通過(guò)組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)分程控制功能(圖3)。模擬輸出AO將輸出值(OP1，OP2) 轉(zhuǎn)換成4～20mA輸出信號(hào)分別給兩個(gè)閥門(mén)定位器，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到分程控制的目的。另外，模擬輸出點(diǎn)還有正/反作用設(shè)置功能，能更方便地實(shí)現(xiàn)分程控制。

圖3 采用控制系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)分程控制

通過(guò)控制系統(tǒng)組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)分程控制具有以下特點(diǎn)：

a. 將兩臺(tái)控制閥分別接在兩個(gè)回路中，其中任何一臺(tái)控制閥出現(xiàn)故障都不會(huì)影響另外一臺(tái)控制閥的正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了風(fēng)險(xiǎn)。

b. 分程控制是通過(guò)改變AO組態(tài)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)定位器無(wú)需作任何改動(dòng)，減輕了實(shí)際調(diào)校工作的難度和現(xiàn)場(chǎng)工作量，維修、維護(hù)方便。

經(jīng)分析，伊朗北阿扎德甘油田地面工程項(xiàng)目均采用控制系統(tǒng)組態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)分程控制功能。

3 注意事項(xiàng)

3.1 調(diào)節(jié)閥的泄漏問(wèn)題

當(dāng)分程控制系統(tǒng)是用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比時(shí)，一個(gè)口徑較大的閥門(mén)和一個(gè)口徑較小的閥門(mén)并聯(lián)，如果大口徑閥門(mén)全關(guān)后實(shí)際泄漏量仍過(guò)大，小口徑閥門(mén)在小開(kāi)度時(shí)將不能起到調(diào)節(jié)作用，達(dá)不到擴(kuò)大可調(diào)比的目的。

3.2 流量跳變

當(dāng)分程控制系統(tǒng)用于擴(kuò)大可調(diào)比時(shí)，在分程信號(hào)的接合點(diǎn)處由于大口徑閥門(mén)的開(kāi)始打開(kāi)，它會(huì)立即通過(guò)一個(gè)由閥門(mén)本身固有可調(diào)比所決定的可控最小流量，此時(shí)小口徑閥門(mén)仍然處于全開(kāi)狀態(tài)，因此由兩個(gè)閥門(mén)并聯(lián)來(lái)決定的管路流量特性在此處會(huì)發(fā)生跳變。在實(shí)際過(guò)程中，對(duì)于一般的分程控制系統(tǒng)，該跳變點(diǎn)對(duì)工藝影響不大，但在要求較高的分程控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免長(zhǎng)期工作在此點(diǎn)附近[2]。

3.3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

在分程控制系統(tǒng)中，雖然兩個(gè)閥門(mén)的工作信號(hào)范圍是相同的，但是由于兩個(gè)閥門(mén)的流通能力不同，兩閥的流量特性增益在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處有跳變，因此在一般的擴(kuò)大閥門(mén)可調(diào)比的分程控制系統(tǒng)中，兩調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇等百分比的流量特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

分程控制是自控系統(tǒng)復(fù)雜控制中的一種，根據(jù)工藝需求，分析分程控制的特點(diǎn)，確定分程控制的實(shí)現(xiàn)方式，在安全可靠運(yùn)行的原則下兼顧節(jié)能、降低成本及方便操作維護(hù)等各方面因素，是成功應(yīng)用分程控制系統(tǒng)的重要保障。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 金以慧.過(guò)程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.