楊朋飛 劉逸飛 張典

1.中海油石化工程有限公司 2.青島科技大學自動化與電子工程學院

浸沒燃燒式氣化器(submerged combustion vaporizer，以下簡稱SCV)是一種將低溫液化天然氣(liquefied natural gas，以下簡稱LNG)加熱氣化的裝置，燃料氣在燃燒室中燃燒后產生的高溫煙氣，通過氣體分配管上的小孔以氣泡的形式進入換熱器殼程水浴中，加熱并氣化換熱器管束中的液化天然氣。相較于開架式氣化器(open rack vaporizer，以下簡稱ORV)、中間介質式氣化器(intermediate fluid vaporizer，以下簡稱IFV)等其他幾種類型氣化器，SCV具有高效、安全可靠、熱量輸送量大等特點，被廣泛應用于LNG的調峰站以及緊急增加負荷時使用的LNG接收站[1-3]。

浸沒燃燒式氣化器出口天然氣(natural gas，以下簡稱NG)的溫度和氣化器水浴溫度是SCV運行中非常重要的參數(shù)，其中出口NG溫度是SCV運行的關鍵聯(lián)鎖因素[4]，它的穩(wěn)定與否不僅關系到能否達到生產要求，而且關系到整個外輸系統(tǒng)的穩(wěn)定。而穩(wěn)定的水浴溫度對SCV的安全平穩(wěn)運行至關重要:過高的水浴溫度會導致排煙熱損失增加、加速加熱管等金屬構件的腐蝕;而過低的水浴溫度可能會導致水浴池內部分區(qū)域結冰，從而導致傳熱惡化。因此，需要將氣化器出口NG溫度和水浴溫度控制在合理范圍內。

國內LNG接收站使用的浸沒燃燒式氣化器主要依賴進口，目前對SCV在結構上的改進設計、運行特性的優(yōu)化、傳熱的模擬和計算等方面作出了較多的研究[5-7]，但是對氣化器系統(tǒng)控制方案的研究較少。本研究針對LNG浸沒燃燒式氣化器的運行特點，在分析氣化器水浴溫度特性的基礎上，建立一種溫度串級控制的數(shù)學模型，并在副環(huán)引入Smith預估補償，將溫度純滯后移到副回路外，對主回路純滯后，再次引入Smith預估補償，消除主回路純滯后的影響。從某接收站SCV氣化器實際運行的效果看，驗證了該控制方案的有效性。

1 SCV的溫度串級控制

采用水浴溫度控制燃料氣流量，由于水浴溫度的干擾因素較多，如風量和燃料氣的配比、燃料氣壓力、水浴液位、燃料氣的流量、入口LNG的壓力、流量等，單純的單回路控制幾乎無法取得較好的控制效果，很難滿足正常的生產需求。采用氣化器出口NG的溫度控制燃料氣流量也是如此。

采用NG出口溫度同SCV水浴溫度的串級控制，串級控制方案如圖1所示，主被控變量是NG出口溫度TIC001，副被控對象為水浴溫度TIC002，操縱變量為燃料氣的流量。該方案將影響水浴溫度的相關干擾因素如燃料氣的流量、發(fā)熱量、壓力、風量和燃料氣的配比等引入副回路，取得不錯的效果[8]。

2 引入Smith預估補償?shù)腟CV溫度控制

2.1 問題描述

水浴溫度和出口NG溫度控制的特點是過程的輸出無法及時地反映出施加于被控對象的控制作用，也就是說被控對象具有較大的純滯后，在滯后時間內，被控參數(shù)完全沒有響應，而通過串級控制克服的一些擾動又因為滯后的因素，使得系統(tǒng)不能及時地跟隨被控量進行調整。隨著超調量(y)的增大，使得控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。對于這種時滯系統(tǒng)的控制，常用的控制方法就是引入Smith預估補償來消除傳熱過程時間大滯后[9]。

2.2 數(shù)學模型

SCV氣化器溫度控制系統(tǒng)是典型的非線性時變的控制系統(tǒng)，對于控制對象，確定一個相對精確的數(shù)學模型，或者說確定控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，是設計控制系統(tǒng)的關鍵。

SCV水浴加熱裝置是由燃燒室和水浴的管程殼程組成的控制對象。水浴的溫度為T1，作為被控對象，要求保持T1相對穩(wěn)定，燃燒室氣泡輸出到水浴的熱量為Q1，在運行中，燃燒室不斷給水浴加熱，水浴不斷傳遞熱量Q2給管程內的LNG。當Q1=Q2時，水浴輸入和輸出的熱量相當，水浴溫度T1不變。當某一時刻由于燃料氣流量增大，那么燃燒室傳給水浴的熱量Q1增加時，隨著水浴溫度T1的升高使得Q2也增大，最后Q1又等于Q2，熱量平衡再次建立，水浴溫度T1保持不變。

根據(jù)能量平衡，可建立SCV的微分方程，單位時間內水浴裝置內熱量差應等于水浴內熱量的變化量，設水的熱容為C，則有:

水浴加熱后傳熱給管程內的LNG，假設熱阻為R，則有:

利用增量表示并整理可得微分方程式(3):

如果被控對象溫度恒定，即ΔT2=0，即有:

令RC為時間常數(shù)Tm，令R為增益Km，于是有:

對式(5)進行拉普拉斯變換，則有:

這里可以得到被控對象水浴溫度的數(shù)學描述，而對于一般的溫度對象都是滯后的，那水浴溫度的數(shù)學描述可以近似地串聯(lián)一個慣性環(huán)節(jié)，τ為時滯常數(shù)，即:

2.3 控制器設計

SCV控制系統(tǒng)以出口NG溫度控制為主被控對象，以水浴溫度為副被控對象，以燃料氣流量為操縱變量，以LNG的流量為主要干擾變量。對于水浴溫度作為副回路，這是一個隨動控制系統(tǒng)，期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)是1，但因被控對象滯后，那么副控制器會超前，這是物理不可實現(xiàn)的。而且副回路存在滯后，將會明顯延長調節(jié)時間，降低副回路的穩(wěn)定性，只要副控制器的比例系數(shù)稍大就會引起振蕩。在副回路引入Smith預估控制，方框圖如圖2所示，副控對象存在時滯τ，主控對象存在時滯τ1。J(s)為燃料氣的干擾，E(s)為入口LNG的干擾。由于入口LNG的流量、壓力可測量，這里設GE(s)為入口LNG的傳遞函數(shù)，Ge(s)為前饋補償通道函數(shù)。Y1(s)和Y2(s)分別為主、副回路的輸出。

圖2中系統(tǒng)的副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

引入Smith預估補償Gp2(s)(1-e-τs)后的閉環(huán)傳遞函數(shù)是:

這里對于純滯后e-τs已經不在系統(tǒng)的特征方程里，也就是說純滯后時間的被控量超前反映到副控制器的輸入端，使控制器超前動作，消除了副回路純滯后的影響。

對于具有時滯的控制系統(tǒng)，期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)是1個一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)，那么對于副回路的閉環(huán)目標函數(shù)可以描述為由式(9)可得:

根據(jù)2.2節(jié)的推導，被控對象水浴溫度Gp2(s)的數(shù)學描述為，于是可得副控制器的傳遞函數(shù):

副回路采用Smith預估補償將純滯后移出副環(huán)，對副環(huán)的影響被克服。但是對于整個串級控制系統(tǒng)來說，這個滯后的影響還在主環(huán)內，同時主被控對象氣化器出口NG溫度本身也存在較大的純滯后。因此，需要再次引入Smith預估器來消除主環(huán)純滯后的影響。主回路的純滯后相當于副回路和主回路滯后相加的和，即τ0=τ+τ1。那么副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)為·e-τs，系統(tǒng)主回路引入Smith預估器應為:

式(12)可記為G0(s)(1-e-τ0s)。那么對于SCV溫度串級控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

從式(13)來看，主回路的純滯后已經不在特征方程中。

因為氣化器進口LNG的壓力和流量干擾直接影響的是主被控變量出口NG的溫度，因此無法像燃料氣的干擾那樣由串級控制的副回路克服掉。由于入口LNG的干擾可測不可控，且變化頻繁，這里可以采用前饋控制方案，將氣化器入口LNG的干擾作為前饋變量，補償?shù)街骰芈?，見圖2。引入前饋補償后，導出前饋補償通道的傳遞函數(shù):

控制系統(tǒng)加入前饋補償功能后，一旦出現(xiàn)LNG流量或者壓力的擾動，前饋調節(jié)器就根據(jù)擾動的大小補償對被控量的影響。只要前饋函數(shù)設置相對合理，實現(xiàn)近似補償是可行的。

3 仿真研究

對于SCV溫度串級控制系統(tǒng)，根據(jù)前述分析，其數(shù)學模型可以近似地以一階慣性環(huán)節(jié)來逼近，考慮SCV水浴系統(tǒng)的過程特性[10-11]，通過測量系統(tǒng)的階躍響應曲線，利用切線法，求得主控對象NG出口溫度和副控對象SCV水浴溫度的數(shù)學模型分別為:

氣化器入口LNG的擾動傳遞函數(shù)為:

分別采用常規(guī)的串級控制和采用串級Smith預估控制，系統(tǒng)輸入和干擾輸入均為單位階躍信號。仿真結果如圖3所示。

由圖3看出，引入Smith預估補償?shù)拇壙刂票瘸Ｒ?guī)串級控制明顯振蕩次數(shù)減少，超調量(y)也相對較低。尤其是前饋補償合適，超調量會進一步降低。

當副環(huán)模型不匹配時，則兩種方法的控制效果不同。當SCV水浴溫度的滯后時間常數(shù)τ提高10%時，采用常規(guī)串級控制方法，系統(tǒng)發(fā)生了振蕩。采用Smith補償?shù)拇壙刂?，系統(tǒng)控制品質較好。仿真結果如圖4所示。

當水浴溫度的滯后時間常數(shù)τ提高30%時，采用常規(guī)控制方法則使系統(tǒng)發(fā)散，而采用Smith預估的串級控制系統(tǒng)的控制品質仍然良好，如圖5和圖6所示。

在某LNG接收站，SCV氣化器主要用于冬季海水溫度較低時、IFV氣化器不能滿足需求或調峰負荷輸出時使用。在運行時，由于高壓泵啟停的關系，導致LNG流量波動較大，以某一時間段內隨著高壓泵的陸續(xù)開啟，SCV入口LNG的流量范圍在58.3～215 t/h之間變化，LNG入口溫度基本保持為-151℃不變，燃料氣的流量在相對恒定范圍內波動，且流量可測量，出口NG溫度應當控制在1℃以上，一般為4.5℃左右，否則不能滿足生產需要，且會聯(lián)鎖SCV系統(tǒng)跳車。在某一時間段內，當來自高壓泵的入口LNG流量由60 t/h逐漸上升至210 t/h時，溫度控制效果曲線如圖7所示，常規(guī)控制明顯是不及時的，隨著LNG流量的增加，出口NG溫度逐漸下降，盡管若干時間后溫度還會升上來，但是這樣的控制效果是相對滯后且不平穩(wěn)的，而且還有觸發(fā)聯(lián)鎖跳車的風險。引入Smith補償后，相同時間段內LNG流量變化后，SCV出口NG溫度幾乎波動很小，控制作用及時，對LNG流量變化的適應性較常規(guī)控制好。

4 結論

針對浸沒燃燒式氣化器控制系統(tǒng)中溫度參數(shù)存在的滯后和干擾問題，以出口溫度為主要被控對象設計控制系統(tǒng)，提出引入Smith預估補償?shù)拇壙刂品桨?。主、副回路兩次引入Smith預估補償將副回路的純滯后移到控制系統(tǒng)之外，克服了溫度的純滯后影響，使得控制系統(tǒng)對被控變量的變化具有較好的適應性，能夠大大減少出口溫度波動引起的跳車，優(yōu)化了控制過程。仿真結果和實際接收站運行結果表明，該控制方案對于SCV的溫度控制改進優(yōu)化是行之有效的。

符號說明

Q1:燃燒室輸出到水浴的熱量;Q2:水浴傳遞給管程內LNG的熱量;C:水的熱容;T1:水浴溫度;T2:管程LNG的溫度;R:水浴傳熱熱阻;Gp1:主被控對象(NG出口溫度);Gp2:副被控對象(水浴溫度);Gc1:主回路控制器;Gc2:副回路控制器;τ:副被控對象時滯;τ1:主控對象存在時滯;J(s):燃料氣的干擾;E(s):入口LNG的干擾;GE(s):入口LNG的傳遞函數(shù);Ge(s):前饋補償通道函數(shù);Y1(s):主回路的輸出;Y2(s):副回路的輸出。