石曉杰(福建合盛氣體有限公司，福建 福州 350500)

0 引言

福建合盛氣體有限公司凈化裝置低溫甲醇洗單元采用橫河電機(jī)CENTUM-VP DCS系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。來(lái)自中壓閃蒸塔的過(guò)冷富CO2甲醇在解吸塔 104001K01自上而下通過(guò)4級(jí)液位控制后進(jìn)入熱再生塔106001K01，通過(guò)甲醇?xì)馓峥梢缘玫酵耆脑偕?。由此可?jiàn)，各塔之間的工藝流程緊密，前一個(gè)塔出料流量的波動(dòng)直接影響到后塔的控制指標(biāo)。熱再生塔頂溫度和壓力控制精度要求較高，而解吸塔底液位不是主要控制指標(biāo)。基于這種工藝流程特點(diǎn)，在解吸塔底液位控制上選用了均勻控制方案，盡可能地讓解吸塔液位均勻變化，控制出料的變化量，避免大幅波動(dòng)影響塔的控制指標(biāo)。但是投用一段時(shí)間后效果不明顯，達(dá)不到工藝控制要求，熱再生塔106001K01頂部流量受進(jìn)料影響波動(dòng)仍然較大。

通過(guò)對(duì)CENTUM-VP系統(tǒng)的功能進(jìn)行進(jìn)一步研究，并與工藝人員進(jìn)行了深入討論，采用系統(tǒng)自帶的PID非線性增益功能，當(dāng)塔液位在工藝可接受范圍震蕩時(shí)，下游塔進(jìn)料閥開(kāi)度不大幅度變化，確保下游塔進(jìn)料量的平穩(wěn)，滿足了工藝控制指標(biāo)要求[1]。

1 解吸和熱再生工藝流程簡(jiǎn)述

來(lái)自甲醇洗解吸塔104001K01二級(jí)集液盤的甲醇通過(guò)解吸塔循環(huán)II泵104001P02A/B加壓、換熱器冷卻和閥門10LV0140025調(diào)節(jié)后重新進(jìn)入解吸塔104001K01氣提段的下部。解吸塔104001K01塔底產(chǎn)品通過(guò)熱再生進(jìn)料泵104001P03A/B加壓、換熱器加熱和閥門10FV0160001后進(jìn)入熱再生塔106001K01頂部的中壓熱閃蒸段。甲醇通過(guò)10LV0160029閥門進(jìn)入熱再生塔106001K01的熱再生段，通過(guò)甲醇?xì)馓峥梢缘玫酵耆脑偕?，這就是解吸和熱再生工藝流程，如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

2 原均勻控制方案存在的問(wèn)題

為了解決前后兩塔供求之間的矛盾，可在兩塔之間設(shè)置一個(gè)中間貯槽，這樣既滿足了前面塔液位調(diào)節(jié)的要求，又緩沖了后面塔進(jìn)料量的波動(dòng)，但增加了設(shè)備和投資，于是企圖設(shè)法采用自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)模擬中間貯槽的緩沖作用，力圖使液位和流量能均勻地變化，組成所謂均勻控制系統(tǒng)。原解吸塔104001K01塔底液位采用均勻控制，即塔兩級(jí)液位控制器的PID 參數(shù)調(diào)節(jié)的盡量弱，取消了積分功能，改為類似純比例控制，使塔液位允許范圍內(nèi)均勻變化，串級(jí)控制下游進(jìn)料閥門10FV016001調(diào)節(jié)量。但實(shí)際塔液位仍然逐級(jí)波動(dòng)，繼而進(jìn)入熱再生塔106001K01頂部中壓熱閃蒸段的甲醇流量波動(dòng)較大(±30 m3/h)，導(dǎo)致熱再生塔溫度和壓力的不穩(wěn)定，影響再生甲醇的品質(zhì)。

3 非線性增益簡(jiǎn)介

非線性增益是橫河CENTUM-VP DCS系統(tǒng)PID控制器自帶的一項(xiàng)功能，在進(jìn)行控制運(yùn)算的時(shí)候，使比例增益與測(cè)量值(PV)和設(shè)定值(SV)的偏差大小對(duì)應(yīng)并進(jìn)行變化的功能。因此，測(cè)量值(PV)和設(shè)定值(SV)的偏差和操作輸出變更量(ΔMV)的關(guān)系為非線性。非線性增益用于如緩沖罐的液位控制那樣，將液位保持在限制值以內(nèi)的同時(shí)，盡量將輸出量保持在一定值的控制。作為實(shí)現(xiàn)非線性增益的功能，有“Gap Action(間隙動(dòng)作)”和“Squared Deviation Action(偏差乘方動(dòng)作)”兩種模式。

本應(yīng)用采取Gap Action(間隙動(dòng)作)模式，當(dāng)偏差(En)在預(yù)設(shè)的間隙寬度(GW)內(nèi)時(shí)將降低比例增益以減小并緩和調(diào)節(jié)作用的功能。預(yù)先設(shè)定好非線性增益系數(shù)(Knl)，當(dāng)偏差在間隙幅度(GW)的范圍內(nèi)的時(shí)候，有效比例增益Kpe=Kp×Knl；當(dāng)偏差超過(guò)間隙寬度(GW)之后的有效比例增益Kpe=[1-(1-Knl)×GW/|En|]×Kp[2]。間隙動(dòng)作的非線性增益特性如圖2 所示。

圖2 間隙動(dòng)作的非線性增益特性

從上圖可以看出，在非線性增益中，對(duì)于比例增益(Kp)，進(jìn)行非線性補(bǔ)償而求出的有效比例增益(Kpe)，再利用這個(gè)有效比例增益(Kpe)來(lái)運(yùn)算操作輸出變更量(ΔMV)。

4 非線性增益的設(shè)定

由于解吸塔104001K01塔底液位可以在一定的偏差范圍變化，但其輸出應(yīng)盡量穩(wěn)定的工藝特點(diǎn)，選擇Gap Action(間隙動(dòng)作)控制模式。非線性增益系數(shù)的設(shè)定在PID功能塊詳細(xì)組態(tài)中進(jìn)行，將非線性增益系數(shù)Knl設(shè)置為0.25，液位控制的偏差值進(jìn)入預(yù)設(shè)的間隙寬度GW 區(qū)間內(nèi)時(shí)，根據(jù)增益計(jì)算公式Kpe=Kp×Knl，得出此時(shí)有效比例增益為原來(lái)的1/4；而當(dāng)液位控制偏差值超出GW 區(qū)間時(shí)，其有效比例增益Kpe=[1-(3GW/4|En|)]×Kp，上圖曲線1為此時(shí)有效比例增益的變化曲線[3]。

如圖3所示，在DCS控制組態(tài)界面中找到液位10LC0140025的PID 控制器，打開(kāi)功能塊詳細(xì)定義界面選擇“Control Calculation控制計(jì)算”，在此界面中將“Non-linear Gain非線性增益”項(xiàng)設(shè)置為1∶Gap，即Gap Action 模式，然后將 “Gap Gain間隙增益”設(shè)置為2∶0.25，即將Knl設(shè)為0.25。

圖3 非線性增益組態(tài)和參數(shù)設(shè)置

上述修改的設(shè)置下裝后，在DCS畫面打開(kāi)液位控制器10LC0140025 Tuning界面，即可修改液位的間隙幅度GW 值(從0到PV刻度量程范圍內(nèi)的工業(yè)單位數(shù)據(jù))，本應(yīng)用將GW 設(shè)置為15.0，將閥門10LC0140025/26的積分作用減弱。10LC0140025由I=300 s改為1200s，10LC0140026由I=300 s改為3 600 s，操作員可以根據(jù)需要調(diào)整[4]。

5 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

將塔的兩個(gè)液位控制器10LC0140025/10LC0140026按照此控制方案修改后，逐步將液位PID 控制投入自動(dòng)控制，通過(guò)不斷調(diào)整，最終使塔的液位都實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的自動(dòng)控制，去熱再生塔106001K01頂部的中壓熱閃蒸段流量波動(dòng)由之前±30 m3/h降至小于±5 m3/h，這樣操作測(cè)試得出結(jié)論是塔底液位穩(wěn)定后熱再生塔壓力和流量也會(huì)趨于穩(wěn)定。同時(shí)這樣也確保了再生甲醇的品質(zhì)，提高了裝置的可靠性，降低了操作難度，保證了甲醇洗裝置的平穩(wěn)。

6 結(jié)語(yǔ)

橫河CENTUM-VP系統(tǒng)非線性增益功能可應(yīng)用于類似多級(jí)儲(chǔ)罐或塔的液位控制，前后流程密切相關(guān)，前一級(jí)出料流量的波動(dòng)直接影響到下游的控制指標(biāo)。其控制本質(zhì)是在允許的偏差范圍內(nèi)，通過(guò)減弱PID比例增益，減緩閥門動(dòng)作，能有效避免在偏差很小時(shí)出現(xiàn)的回路震蕩。這也充分說(shuō)明在均勻控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入CENTUM-VP系統(tǒng)的PID控制的非線性增益功能，可以很好使得解吸塔液位控制全部都投入了自動(dòng)控制，再生甲醇品質(zhì)也會(huì)明顯得以提高。