汽包三冲量液位调节系统参数整定实例分析.pdf

?收稿日期:2009-1-26(修改稿)。作者简介:韩?平(1956?),男,河北衡水人,现任中海石油建滔化工有限公司电仪技术监督,从事化工自动化仪表设备的运行维护与故障检修工作。汽包三冲量液位调节系统参数整定实例分析韩?平(中海石油建滔化工有限公司,海南 东方?572600)?摘要:针对大容量高压蒸汽汽包液位控制系统所面临的调节滞后和波动量大的问题,在传统三冲量控制策略基础上设置了由 4 个调节器和相应功能块共同组成的增强型高压汽包液位调节方案,使并联的两个锅炉给水阀按不同方式一起作用,这样不但增强了系统的调节能力,而且大大提高了被调参数的稳定性。着重介绍了该复杂调节系统的原理及参数整定过程,分析了实际运行中发生异常波动的原因,叙述了修改 PID 参数的方法与效果,并提供有历史趋势记录图表加以说明。对于相类似的三冲量复杂调节系统的功能扩充和调整操作,具有一定的借鉴和参考作用。关键词:液位控制;参数整定;可变增益;积分;微分中图分类号:T P273?文献标志码:B?文章编号:1007-7324(2009)03-0080-041?引?言随着化工生产装置规模的不断扩大,锅炉汽包都向着大容量、高参数的方向发展。一般说来,汽包容量越大,其相对容水量就越小,允许波动的变化量也更少,对汽包液位控制的要求会更高。因此,在传统三冲量液位控制方案中引入变增益等先进控制策略,利用 DCS 强大的软件支持,使用多个调节器和功能块相结合来扩展控制作用和加强调节效果,进而获得汽包液位控制系统优良的调节品质和可靠的操作稳定性,使之与工艺不断发展的需求相匹配。以下介绍的增强型控制系统在投用和参数整定方面与传统三冲量液位调节有所不同,并且在调试和运行中也出现了一些新情况。2?控制系统构成图 1 是以天然气为原料的 600 kt/a 甲醇生产装置中高压汽包液位控制系统的原理图,该系统由4个调节器和多个功能块共同组合而成。2.1?调节器的作用 1LC005A:用于三冲量控制的液位调节器,组态为标准的 PID 控制算法,反作用动作方式;LC005B:用于单参数控制的液位调节器,组态为标准的 PID 控制算法,反作用动作方式;FC126A:给水流量调节器,将送给小阀的信号作测量值,输出驱动大口径调节阀,又称为大阀调节器。组态为可变增益的 PID 控制算法,正作用动作方式;FC126B:给水流量调节器,与 LC005A 经加法器连接成三冲量调节系统,输出驱动小口径调节阀。组态为标准的 PID 控制算法,反作用动作方式。图 1?控制回路原理2.2?功能块的作用求和块:用于计算给水流量的设定值,算法为:Y=FI 509.PV-FI 010510.PV-FI 126.PV)+LC005A.MV式中?FI509.PV?汽 包 出 口 蒸 汽 流 量;FI510.PV?进入过热高压蒸汽中的降温水流量;FI126.PV?高压汽包给水流量;LC005A.MV?汽包液位调节器的操作输出值。过程控制实施技术?石?油?化?工?自?动?化,2009,3?80AU TOMAT ION IN PET RO-CHEMICAL INDUST RY过充保护:用于当发生高限液位状况时按照预定变化速率关闭给水阀;操作模式选择器:用于三种操作模式之间的切换,操作指令由工艺操作员按需要发出。2.3?给水阀性能FV126A(简称大阀),DN150,最大流量270 t/h,等百分比流量特性;FV126B(简称小阀),DN50,最大流量45 t/h,等百分比流量特性。与分程控制不同,此给水流量调节中设计了大小两个调节阀始终并联运行。而且特别为大阀配置了调节器 FC126A,将送至小阀的输出作其测量值(P V)与给定值(SV)进行比较,经 PID 运算后去控制大阀开度。实际上,大阀调节器的设定值就是希望小阀在稳态时所保持的阀位。例如等百分比流量特性的控制阀,阀位开度在 70%时基本上是可调流量范围的中点。而选择稳定在这一点,有利于提高系统的调节品质。这种组态模式对于容量大的汽包液位调节是必要的,因为容量越大,其需要的补水变化量也就越大,使用分程控制先开小阀、再开大阀的方式难以适应。3?三种操作模式3.1?单参数液位控制LC005B 置?自动?控制液位,输出直接送小阀定位器,并通过 FC126A?自动?方式将 LC005B 的输出与设定值进行比较,将偏差经运算后控制大阀开度。3.2?单参数流量控制FC126B 置?自动?控制流量,输出直接送小阀定位器,并通过 FC126A?自动?把 FC126B 的输出与设定值进行比较,将偏差经运算后控制大阀开度。3.3?三冲量控制LC005A 置?自动?控制液位,FC126B 置?串级?接受求和块计算出的给水流量设定值,输出直接送 小 阀定 位 器,并通 过 FC126A?自动?把FC126B 的输出与设定值进行比较,将偏差经运算后控制大阀开度。4?变增益自动调节由于设计为双阀同时动作,当系统稳定时会要求以小阀调节为主,大阀尽可能变化小些以防止超调造成不应有的波动;而一旦有大的干扰引起液位剧烈变 化时,大阀应起 主力控制 作用。为此,FC126A 被组态为带有可变增益功能的 PID 调节器,以增加有效的控制能力。这样,在预定的允许偏差之内使用低增益,超过允许偏差后增益按照预定程序逐渐变为高增益。DCS 内部仪表的增益是用比例度刻度的,其从低到高的变化量用下式表示:如果|FC126A.DV|B,则?Kp=(KpH-KpL)/N式中?FC126A.DV?大阀调节器中的偏差值;B?惰变宽 度;?Kp?增益(比 例度)增量;KpH?低增益(高比例度)设定值;KpL?高增益(低比例度)设定值;N?递变周期。通过合理设定这些数据,就能够达到理想的变化曲线。包括增益由小变大,偏差达到多少开始变,经过多长时间过渡到位等。5?初始参数整定试开车阶段发现 FV126A 在差压较大时会发生阀位振荡,因此一直无法实现自动调节。经检查分析,确定原因是执行器膜头输出力不足,克服不了不平衡力的影响而出现失调。通过与制造厂协商解决方案,将膜头作用面积扩大一倍后消除了原有的缺陷。阀门动作正常以后,三冲量液位调节系统的投用就被提上了日程。在研究和熟悉调节方案的基础上,按照三 种不同 运行模 式分步 实施参 数整定 2。5.1?单参数液位控制的参数整定由 LC005B 的作用能够看出其与传统 PID 调节于功能上并无区别,只要按经验数据大致调试即可。难点在于 FC126A,先要确定大阀相对于小阀的行程比例,然后求证出变增益的相关数值。5.1.1?试验两阀动作行程比首先,检查组态和预设的各项参数,注意把变增益设置为不会发生作用,否则首次调试就出现变增益影响的局面将很难收拾。然后,切换到单参数液位控制模式。LC005B置自动,保持 FC126A 手动状态,看小阀动作情况。当小阀动作幅度较大时,适当手动改变 FC126A 的MV 值补充小阀调节作用的不足。反复几个回合后,大体算一下大阀相对于小阀的动作行程比值。例如小阀开度变化了 20%,大阀开度变化了 4%,得此比值为 5。5.1.2?试验大阀调节器参数按照得到的比值推算大阀调节器的比例度,如果 LC005B 比例度为 100%,则依以上得到的比值81第 3 期?韩?平.汽包三冲量液位调节系统参数整定实例分析将 FC126A 的比例度选取 500%,积分作用要弱些,例如 800 s。设置好后将以上两调节器同时置自动操作模式,观察被调参数变化情况,必要时修正比例度,以出现偏差不大的等幅震荡曲线为宜。在此基础上,适当加上一些微分作用以克服调节对象的容量滞后。可反复小幅修改 PID 参数,找到最佳组合数据。5.2?单参数流量调节的参数整定流量控制主要调整 FC126B 的 PID 数据,由于流量调节相对于液位调节反应要快得多,所以比例度要适当加大,积分作用稍强些。投自动后观察记录曲线变化情况,必要时再作些调整。需要指出的是,即使流量控制效果再好也很难保证液位的稳定,这是因为除了给水流量外还有众多的影响因素。因此流量控制仅仅是特定工况下短时间应用的手段,只要流量能够比较稳定的跟踪设定值变化即可。5.3?三冲量控制的参数整定完成上述两步调整之后,三冲量控制回路的参数整定主要就是 LC005A 的 PID 设置了。考虑到其输出要送加法块运算,其比例度一般以 100%左右为宜,略加积分作用以消除余差,微分不用为好。设置完成后可切换至三冲量控制操作模式,观察液位在不同工况下的变化,视情况再作适度调整,直至达到理想效果。5.4?确定变增益参数以上调整过程得到的比例度即为低增益比例度,而高增益比例度可从三冲量控制变化曲线的期望值推算出。同时,按照一般情况不会触发变增益动作,只有大的偏差出现时才偶然发挥作用的原则,结合工艺要求确定惰变宽度B 和递变周期N 的值。5.5?投运效果表 1 列出了各调节器初期选用的参数值(装置负荷为 100%)。表 1?初期选用调节参数控 制 器PIDBNLC005A1002000LC005B651800FC126A1000/800800800105FC126B100800?以上组合参数自 2008 年 6 月 25 日投用,对于生产运行中的干扰与波动都能够迅速化解。图 2是截取的 6 月 29 日液位调节趋势记录曲线,实际液位变化距给定值偏差小于 1%,稳定性也很好。图 2?液位调节趋势记录6?后续问题分析与对策6.1?异常现象由于生产装置于 2008年 9 月 1 日进行了为期10 天的停车检修,其间按计划更换了蒸汽转化炉催化剂,同时 DCS 和部分现场仪表也进行了例行检查与维护。恢复生产之后,操作人员投用该三冲量时发现不够稳定,开始以为是负荷低和调整频繁所致,过了一段时间加满负荷后再试仍不正常。尤其令人不解的竟几次出现瞬间两阀动作方向相反的现象,典型记录曲线如图 3 所示。图 3?阀门开度趋势记录6.2?查找原因首先回顾了检修及开停车过程中是否做过哪些修改和调整,并逐一检查确认调节回路中涉及系统的各个参数 3。检查结果表明,各调节器的正反作用、PID 设置参数以及各功能块的数据均与停车前相同。经验说明,调节系统运行中的工艺条件变化往往会影响其控制质量。接下来将涉及汽包液位的相关工艺参数按照检修前后进行了对照比较,发现汽包产汽量比停车前增加了 10 t/h 左右,相应的给水量也同时增加。经咨询工艺人员获知,由于新换的转化催化剂活性好,使得转化效率改善,转化气温度升高,随之位于下游的汽包产汽量相应增加。那么,这些变化能否对调节参数造成如此大的不稳定影响呢?扩大检查范围,发现给水大阀开度确实增大,82石油化工自动化?2009 年检修前开度稳定在 37%39%之间,检修后在41%43%区间变化。由于该阀门是等百分比流量特性,虽然阀位在检修前后都是变化 3%,但其所对应的流量变化量却是不同的。照此推理,如果调节参数不变,相同偏差作用会引起调节器输出一定的变化增量,但由于阀门工作点提高了,使得调节变量增大进而导致控制变量超调。对照三冲量投用后的液位变化走势看,波动确实有加大的倾向,几次都是逐波扩大一段时间后出现大小两阀按照相反方向突变的异常情况。通过集中分析大量有效数据,终于找到了症结所在,这就是触发了大阀调节器变增益切换的动作结果:液位超调使被控变量记录曲线发散震荡,发展到一定程度就达到了 FC126A 中预设的触发变增益动作的惰变宽度 B 值了。这时就将在用的比例度由 1 000%按程序变成 800%,输出就会陡然改变,使大阀迅速动作,依偏差方向开大或者关小阀位。若液位在波动中升高会要求阀门关小以减少给水量,进而达到降低液位的目的。如果液位偏差足够大,则阀门开度就会在 FC126B 中比例和积分共同作用下继续关小。由于当时大阀调节器设定值为 70%,小阀的开度是其测量值,二者偏差达到预设的 B=10%即触发变增益动作。假如动作结果是瞬间关小大阀,当大阀从动关闭一定开度后,所控制的给水流量随即减少,FC126B 原来的正偏差一下子变成了负偏差,当然输出会将小阀开大以期增大流量。这就是从投用三冲量后偏差逐步变大最后引发两阀动作方向相反的根本原因。6.3?参数修正第一,减小调节回路的比例和积分作用以消除超调量;第二,扩大变增益动作的惰变宽度 B 值,使其在正常波动条件下不会轻易触发变增益动作,只在特殊的危急工况时才偶然发挥作用。表 2 列出了各控制器修正后的参数值(装置负荷为 100%)。表 2?修正调节参数控 制 器PIDBNLC005A853000LC005B651800FC126A1 000/800400800205FC126B10020007?结束语新的调节方案自然有其独到的先进之处,但也会出现始料不及的情况。为此,既要充分研究和理解新方案的作用原理和特性,掌握动作规律,前瞻性地预防不利因素;另一方面也要紧密结合工艺条件的变化,不失时机地调整相关参数,应对工况改变的需求。本例说明负荷改变较大时调节系统有可能出现短时超调或者参数不适应的现象,关键要弄清引发问题的原因,对症下药采取有效改进措施。例如可以通过三种操作方式的切换来适应工艺的不同需求,再者要及时调整控制回路的 PID 参数使其保持既动作灵活又稳定可靠的调节功效。参考文献:1?陶永华.新型 PID 控制及其应用 M .北京:机械工业出版社,20022?乐嘉谦.仪表工手册 M.2 版.北京:化学工业出版社,20033?王树青.先进控制技术及应用 M .北京:化学工业出版社,2001首届上海石油石化展将于 2009年 10 月召开2009 年 2 月,国务院常务会议通过了石化产业调整振兴规划,石化产业资金技术密集,产业关联度高,经济总量大,对促进相关产业升级和拉动经济增长具有举足轻重的作用。确定总体目标为:石化产业增长速度与国民经济总体发展速度相协调,增加值年均增长 15%左右,到 2011 年增加值达到 1.75 万亿元。同时还有 20 项重大在建工程和 20 项重大新开工程项目被纳入规划中。其中,长江中下游地区的重大在建石化工程及新开工程项目占到了 30%以上。庞大的产业优势、巨大的市场潜能,吸引了全国乃至全球的目光,国家 40 个重点项目也纳入规划也为产业发展创造了巨大的发展空间。为抓住机遇,紧扣市场脉搏,振威展览集团将于 2009年 10 月 15 日在上海光大会展中心举办首届上海石化展。Cippe振威上海石化展是振威展览集团旗下的又一行业盛会,是继北京、新疆石油石化技术装备展之后的又一城市巡展之一,涉足于石油中下游产业链,为华东及长三角地区石油石化及化工装备产业提供一个更专业的宣传、交流平台,服务于世界石油化工企业。具体详情请登陆 3 期?韩?平.汽包三冲量液位调节系统参数整定实例分析