蔣志鋒 沈 鶴 毛聞之

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司,北京 100083)

分程控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中復(fù)雜控制系統(tǒng)的一種。分程控制系統(tǒng)中一個(gè)控制器的輸出同時(shí)送往兩個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器，且每個(gè)執(zhí)行器的工作范圍不同。一般情況下，分程控制可分為同向分程控制和異向分程控制：同向分程控制即隨著輸出信號(hào)的增大(減小)，控制閥的開度隨之增大(減小)；異向分程控制即隨著輸出信號(hào)的增大或減小，控制閥一個(gè)閥門開度增大另一個(gè)閥門開度減小。

在此，筆者結(jié)合伊朗北阿扎德甘油田地面工程項(xiàng)目對(duì)分程控制的應(yīng)用和注意事項(xiàng)進(jìn)行說明，希望為同行提供分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

在油田化工過程中分程控制常用于3種場合：

a. 被控對(duì)象采用兩種或兩種以上手段和介質(zhì)控制。工藝要求一個(gè)被控對(duì)象采用兩種或兩種以上的介質(zhì)來進(jìn)行控制，例如反應(yīng)釜的溫度控制。

b. 不同的負(fù)荷和開車/停車過程要求。如加熱爐不同負(fù)荷下的需求燃?xì)饬髁靠刂啤?/p>

c. 擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比。在生產(chǎn)過程中，由于被控對(duì)象變化較大，要求調(diào)節(jié)閥有較大的可調(diào)比才能適應(yīng)工況。實(shí)際工況中有時(shí)要求調(diào)節(jié)閥在很小的開度下工作，此時(shí)已經(jīng)接近調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍極限，調(diào)節(jié)品質(zhì)將變壞，但如果將調(diào)節(jié)閥口徑變小，在其他工況下又不能滿足工藝要求，因此必須擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比[1]。

2 分程控制的實(shí)現(xiàn)方法

以伊朗北阿扎德甘油田項(xiàng)目一級(jí)分離器的氣相壓力控制為例(圖1)，容器正常操作在500kPa壓力下，要求當(dāng)壓力在500～650kPa之間時(shí)，PV-11411A閥門逐步開大，當(dāng)容器壓力高于650kPa時(shí)，PV-11411A保持全開，PV-11412A開始逐步開大。其中，要求PV-11411A為故障關(guān)，PV-11412A為故障開。經(jīng)分析，此處為同向分程控制。

2.1 閥門定位器

采用閥門定位器實(shí)現(xiàn)分程控制如圖2所示，同一回路中有兩個(gè)閥門PV-No.1和PV-No.2，控制器輸出4～12mA信號(hào)，要求PV-No.1從全關(guān)到全開；當(dāng)控制器輸出12～20mA(DC)信號(hào)時(shí)PV-No.2從全關(guān)到全開。即根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的不同區(qū)段的信號(hào)，通過改變閥門定位器的彈簧或零點(diǎn)，達(dá)到控制相應(yīng)調(diào)節(jié)閥作全行程動(dòng)作的目的。

采用閥門定位器實(shí)現(xiàn)分程控制的特點(diǎn)如下：

a. 當(dāng)兩臺(tái)控制閥串聯(lián)在同一回路中時(shí)，一旦中間線路出現(xiàn)故障或者其中一臺(tái)閥門正在進(jìn)行檢修，該回路中兩臺(tái)閥門將都不能正常工作。

b. 分程控制是通過閥門定位器的反饋杠桿來改變閥門定位器的量程范圍來實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)場調(diào)校中工作非常繁瑣，增加了現(xiàn)場的工作量，且維修不方便。

圖1 油田項(xiàng)目一級(jí)分離器的氣相壓力控制

圖2 采用閥門定位器實(shí)現(xiàn)分程控制

2.2 控制系統(tǒng)組態(tài)

在DCS系統(tǒng)中，可以通過組態(tài)來實(shí)現(xiàn)分程控制功能(圖3)。模擬輸出AO將輸出值(OP1，OP2) 轉(zhuǎn)換成4～20mA輸出信號(hào)分別給兩個(gè)閥門定位器，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閥門的開關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到分程控制的目的。另外，模擬輸出點(diǎn)還有正/反作用設(shè)置功能，能更方便地實(shí)現(xiàn)分程控制。

圖3 采用控制系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)分程控制

通過控制系統(tǒng)組態(tài)來實(shí)現(xiàn)分程控制具有以下特點(diǎn)：

a. 將兩臺(tái)控制閥分別接在兩個(gè)回路中，其中任何一臺(tái)控制閥出現(xiàn)故障都不會(huì)影響另外一臺(tái)控制閥的正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了風(fēng)險(xiǎn)。

b. 分程控制是通過改變AO組態(tài)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)場閥門定位器無需作任何改動(dòng)，減輕了實(shí)際調(diào)校工作的難度和現(xiàn)場工作量，維修、維護(hù)方便。

經(jīng)分析，伊朗北阿扎德甘油田地面工程項(xiàng)目均采用控制系統(tǒng)組態(tài)來實(shí)現(xiàn)分程控制功能。

3 注意事項(xiàng)

3.1 調(diào)節(jié)閥的泄漏問題

當(dāng)分程控制系統(tǒng)是用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比時(shí)，一個(gè)口徑較大的閥門和一個(gè)口徑較小的閥門并聯(lián)，如果大口徑閥門全關(guān)后實(shí)際泄漏量仍過大，小口徑閥門在小開度時(shí)將不能起到調(diào)節(jié)作用，達(dá)不到擴(kuò)大可調(diào)比的目的。

3.2 流量跳變

當(dāng)分程控制系統(tǒng)用于擴(kuò)大可調(diào)比時(shí)，在分程信號(hào)的接合點(diǎn)處由于大口徑閥門的開始打開，它會(huì)立即通過一個(gè)由閥門本身固有可調(diào)比所決定的可控最小流量，此時(shí)小口徑閥門仍然處于全開狀態(tài)，因此由兩個(gè)閥門并聯(lián)來決定的管路流量特性在此處會(huì)發(fā)生跳變。在實(shí)際過程中，對(duì)于一般的分程控制系統(tǒng)，該跳變點(diǎn)對(duì)工藝影響不大，但在要求較高的分程控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免長期工作在此點(diǎn)附近[2]。

3.3 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

在分程控制系統(tǒng)中，雖然兩個(gè)閥門的工作信號(hào)范圍是相同的，但是由于兩個(gè)閥門的流通能力不同，兩閥的流量特性增益在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處有跳變，因此在一般的擴(kuò)大閥門可調(diào)比的分程控制系統(tǒng)中，兩調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇等百分比的流量特性。

4 結(jié)束語

分程控制是自控系統(tǒng)復(fù)雜控制中的一種，根據(jù)工藝需求，分析分程控制的特點(diǎn)，確定分程控制的實(shí)現(xiàn)方式，在安全可靠運(yùn)行的原則下兼顧節(jié)能、降低成本及方便操作維護(hù)等各方面因素，是成功應(yīng)用分程控制系統(tǒng)的重要保障。

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2] 金以慧.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.