常減壓裝置加熱爐過程控制不穩定分析及改造*

郭 輝，朱培祥

（1.新疆工業高等專科學校電氣工程系，新疆 烏魯木齊 830091；2.烏魯木齊瑞安特自動化設備有限公司，新疆 烏魯木齊 830091）

1 引言

原油加熱是原油蒸餾的重要環節之一，加熱爐燃燒系統自動控制的基本任務是使燃料燃燒所產生的熱量，滿足原油蒸餾的需要并能保證經濟燃燒和加熱爐的安全運行。

加熱爐出口總管溫度是加熱爐環節最重要的參數，出口溫度的穩定對于常壓塔等后續工藝的生產穩定、輕油收率的提高至關重要。生產要求加熱爐出口總管溫度保持在365±2℃范圍內。煉油廠加熱爐擴容改造中，加熱爐的容量增加了1.5倍，在試運行過程中，應用舊的控制系統運行，出現了輸出狀態不穩定，加熱爐出口總管溫度經常在設定值365℃附近產生較大范圍（約±20℃）的波動，會出現控制系統報警，嚴重時導致停爐事故。

2 原加熱爐前饋-負反饋控制系統存在的問題分析

圖1 加熱爐前饋-負反饋控制系統方案

影響加熱爐出口溫度的因素很多，最主要的因素有兩個，一個是原油進料總量，另一個是燃料量。受生產任務的限制，原油進料總量不能作為控制量進行調節。將原油進料總量作為前饋，以出口總溫度作為反饋量，控制量選擇燃料流量，如圖1所示為原加熱爐采用前饋-負反饋控制系統方案。將各種干擾作為前饋引入，避開爐膛溫度測量不準的問題，當負荷增加的時候，爐膛溫度隨之降低，出口溫度也隨之降低，繼而反饋回來增加燃料流量，使得爐膛溫度上升，從而出口總溫也上升，維持在其設定值附近；當負荷降低的時候，爐膛溫度隨之升高，出口溫度也隨之升高，繼而反饋回來減少燃料流量，使得爐膛溫度下降，從而出口總溫也下降，但并沒有克服系統因負荷擴容等因素引起的純滯后過大問題，純滯后過大引起的控制特性變差，集中表現在燃料對出口溫度的模型參數中。如圖2所示為加熱爐前饋-負反饋控制系統方框圖。

圖2 加熱爐前饋-負反饋控制系統方框圖

應用階躍響應系統辨識，獲得舊、新的系統的被控對象 GO（s）、G′O（s）傳遞函數為：

式中：k為可變常數。

控制輸入 X（s）、擾動輸入 F（s）對輸出的共同影響為：

從加熱爐被控對象的特性可知,傳遞函數發生了較大的變化，尤其是加熱爐擴容后，系統的純滯后時間增加很多，被控過程具有186s的純滯后,這十分不利于溫度閉環控制系統的穩定性,若要保證控制系統的閉環穩定性,主調節器的動作只能很慢,即執行器的動作速率只能很慢,所以舊系統無法有效地抑制加熱爐負荷變化對出口溫度的影響。

實踐也表明：由于系統時延加大、系統具有較強的非線性時變特性，舊的前饋-負反饋控制系統不能達到加熱爐出口溫度在365±2℃的效果。

合理的想法是先通過增益自適應Smith預估補償控制技術對被控對象進行動態補償，使補償后的等效被控對象有較好的動態特性（較小的慣性和滯后）。Smith預估補償技術就是一種有效的動態特性補償技術,考慮到加熱爐溫度被控對象的開環增益變化較大,采用一種基于增益自適應的Smith補償控制方法。

3 前饋-增益自適應Smith預估補償技術的控制系統改造

在新型的加熱爐溫度控制系統中,要對被控過程進行動態補償,使補償后的等效對象沒有純滯后環節,對過程純滯后經典的補償方法是采用傳統的Smith預估補償,但傳統Smith預估補償要求所采用的補償模型與被控過程的數學模型是完全一致,否則補償后的等效對象中無法消除純滯后。而由于實際被控過程的開環增益是變化的，傳統的Smith預估器很難確保所采用的補償模型與對象模型完全一致。因此，采用如圖3所示的前饋-增益自適應補償功能的預估控制方案,目的是即使所采用的補償模型的開環增益與被控過程的開環增益不同,仍能使補償后的廣義等效對象中沒有純滯后環節,以加快調節器的動作速度，提高控制品質。

圖3 前饋-增益自適應Smith預估補償技術的控制系統方框圖

該控制器既有進料流量的前饋調節功能，又有純滯后補償功能，補償控制是在Smith預估補償控制的基礎上增加一個除法器、一個導前微分環節和一個乘法器。利用這三個環節提供一個自動校正預估器增益信號。

根據實驗結果取：

補償后的廣義等效對象特性為：

可以看到，盡管被控對象開環增益k是變化的，但所補償后的廣義等效對象中已不存在純滯后環節;同時不難看出,通過微分環節可以進一步改善廣義等效對象的特性。全部控制策略均在霍尼韋爾可編程調節器的組態軟件中編程實現,新的加熱爐溫度控制系統經現場調試后投入運行,對其進行了詳細的測試，經一年的運行結果表明，該設計在負荷擾動時對抑制溫度調節的動態誤差與設計意圖基本相符，穩態時,加熱爐溫度的最大動態偏差在±2℃之內，達到了預期的效果。

4 結束語

對生產過程控制大滯后問題，采用增益自適應的Smith預估補償控制技術，是一種較好的解決方法,前饋控制與增益自適應Smith預估補償控制相結合，可以對可測不可控的干擾量進行控制，達到更好的控制品質。從而有效地解決了控制系統穩定性和調節閥動作快速性之間的矛盾,它在石油化工、發電廠等大滯后過程控制中具有廣闊的應用前景。

［1］田玉楚.大時滯工業過程的雙控制器結構.自動化學報,1999，25（6）：824-827.

［2］邵裕森.過程控制工程.北京：機械工業出版社，2000.

［3］朱麟章.過程控制系統及設計.北京：機械工業出版社，1996.