淺談使用DCS系統(tǒng)實現(xiàn)對偏心旋轉(zhuǎn)閥的控制優(yōu)化

田多明，荊建峰，黃信澤，郭鵬飛

（1.中國石油獨山子石化信息網(wǎng)絡(luò)公司乙烯儀表車間；2.新疆獨山子晟通熱力有限責(zé)任公司，新疆 獨山子 833699）

某裝置2個反應(yīng)器的溫度調(diào)節(jié)控制采用Masoneilan公司生產(chǎn)的4臺16寸Camflex系列偏心旋轉(zhuǎn)閥，每個反應(yīng)器采用2臺：1臺熱水閥、1臺冷水閥。

裝置反應(yīng)循環(huán)水回路由反應(yīng)器、循環(huán)氣壓縮機、循環(huán)氣冷卻器以及循環(huán)氣管線構(gòu)成。循環(huán)氣在循環(huán)氣壓縮機作用下，不停地在回路內(nèi)循環(huán)，將反應(yīng)氣體帶入反應(yīng)器并維持反應(yīng)器內(nèi)的粉料處于流化狀態(tài)，將反應(yīng)生成的熱量帶出后，由循環(huán)氣冷卻器撤出。

反應(yīng)溫度是控制聚合反應(yīng)的重要工藝參數(shù)，穩(wěn)定可控的溫度是維持聚合反應(yīng)各項參數(shù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，溫度過低則聚合反應(yīng)速率、催化劑活性和收率降低；適當(dāng)提高溫度有利于聚合反應(yīng)速率的上升，但溫度過高會使反應(yīng)操作彈性變差，導(dǎo)致反應(yīng)器產(chǎn)生熱點，從而產(chǎn)生塊料；另外反應(yīng)溫度對樹脂產(chǎn)品的質(zhì)量也有很大影響。

反應(yīng)器反應(yīng)段溫度控制是由2個調(diào)節(jié)閥（冷水閥和熱水閥）、2個控制器組成的串級分程控制回路，當(dāng)裝置進行開車時，控制回路控制熱水閥對反應(yīng)器進行加熱升溫；在裝置正常運行時控制回路控制冷水閥和熱水閥對反應(yīng)器溫度進行調(diào)節(jié)。該回路在DCS內(nèi)部使用SPLIT分程功能塊組態(tài)，在SPLIT功能塊中可以設(shè)置調(diào)節(jié)閥的開關(guān)形式，以實現(xiàn)分程控制的功能。

1 生產(chǎn)中存在的問題

閥門在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)在全關(guān)和全開位置卡死的故障，分析其原因為：4臺偏心旋轉(zhuǎn)閥的尺寸大，閥球前后承受的壓差大，導(dǎo)致在全關(guān)時容易發(fā)生卡死；閥門平時正常生產(chǎn)的工作開度在25%～80%之間，當(dāng)閥門全開時由于摩擦力大導(dǎo)致卡死。

在DCS系統(tǒng)采集了閥門開度與流量變化的數(shù)據(jù)，如圖1所示。分析圖1可知，通過板框式冷卻器的冷卻水流量在閥門開度為85%左右時已經(jīng)達到了最大，之后閥門開度再增加而流量保持不變，這說明閥門在85%開度之后沒有更多的流量輸出，而此時閥門由于處于大開度位置，更容易因機械摩擦、極限工況等原因失去控制。

2 方案優(yōu)化及效果

為避免閥門在全開全關(guān)位置容易失控的問題，可以在DCS系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計1個功能模塊，實現(xiàn)2個功能：（1）避開閥門容易失控的控制死區(qū)；（2）讓閥門在控制死區(qū)之外的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)線性化控制。通過此功能塊校正控制范圍來切斷控制閥的死區(qū)并優(yōu)化控制閥的線性。為解決閥門控制的精度，在DCS系統(tǒng)中增加一個線性化轉(zhuǎn)等百分比的功能塊，實現(xiàn)閥門在不同的開度時具有相同的控制精度的功能。

圖1 閥門開度與流量變化關(guān)系

為實現(xiàn)上述功能，第一步設(shè)計1個線性化轉(zhuǎn)等百分比的功能模塊，實現(xiàn)對副控制器的輸出信號轉(zhuǎn)化功能，圖2是對等百分比和線性曲線的計算結(jié)果。

圖2 線性化曲線和等百分比曲線對比圖

由圖2知，系列1為線性化曲線，系列2為轉(zhuǎn)化后的等百分比曲線（特征系數(shù)K1暫定為0.8），計算公式為：

第二步設(shè)計1個模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)死區(qū)信號的規(guī)避，且在正常工作區(qū)域內(nèi)閥門的動作行程與所給控制信號是一致的。經(jīng)過多次計算后，得出的計算公式如下：

經(jīng)過優(yōu)化后各閥都有各自的功能模塊，允許用戶修改通過各個閥的系數(shù)，以便使總流量在整個范圍內(nèi)保持不變。各閥的線性化模塊都有3個可調(diào)變量：閥門系數(shù)、閥門行程的最小值和最大值。將上述3個變量分別設(shè)定為0和100%可使閥位開度變化返回到初始狀態(tài)。

圖3 控制器輸出與水流量組合圖

圖3是主控制器輸出與水流量之間線性化的組合效果，分析圖3中知，當(dāng)主控制器線性系數(shù)設(shè)定較高時，水流量值總體平穩(wěn)受控。圖4是控制器輸出與閥門實際閥位的組合效果。對比圖3、4可知，PID調(diào)節(jié)器從0～100%操作時，閥位改變限制在0～85%之間，從而消除了死區(qū)。

圖4 控制器輸出與實際閥門組合圖

3 結(jié)語

通過對原串級和分程控制方案的改造提高了閥門控制的可靠性，從而使得反應(yīng)器的溫度控制更加穩(wěn)定精確。改造后實際生產(chǎn)中閥門控制開度波動范圍穩(wěn)定在37%～55%之間，反應(yīng)器溫度穩(wěn)定在設(shè)定值±0.8℃。該項改造保證了裝置的安穩(wěn)長運行，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。