李 文，鳳建剛，劉 杰

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司 烯烴一分公司，寧夏 靈武 750411）

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司烯烴一分公司某甲醇制烯烴裝置（簡(jiǎn)稱MTP裝置）采用德國魯奇工藝技術(shù)，以年消耗167萬噸甲醇為原料，經(jīng)過反應(yīng)、壓縮、精餾等一系列工藝流程處理，最終年產(chǎn)丙烯50萬噸[1]。近年來隨著中國制造2025（工業(yè)4.0）的推進(jìn)，工業(yè)智能化和智能工廠的發(fā)展將成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。自動(dòng)化控制是保證安全生產(chǎn)過程的目標(biāo)解決方案，通過提升自動(dòng)化水平可以降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此，提高M(jìn)TP裝置自控率是提升公司自動(dòng)化水平的重要舉措，可以降低企業(yè)人工成本，減輕操作人員的工作強(qiáng)度，防范人為誤操作，消除裝置生產(chǎn)波動(dòng)并杜絕事故發(fā)生[2]。

1 影響自控率低的因素

自控率是控制回路中投用的自動(dòng)控制回路數(shù)與裝置總回路數(shù)比值：自控率=自動(dòng)回路數(shù)/總回路數(shù)×100%。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中因設(shè)計(jì)缺陷或工況原因無法解決的問題影響長(zhǎng)期不具備投用條件的控制回路，將此部分回路通過主管部門審批停用（簡(jiǎn)稱停用回路）。為此，自控率=自動(dòng)回路數(shù)/（總回路數(shù)-停用回路數(shù)）×100%。由自控率計(jì)算方式可知，控制回路的完好性是非常關(guān)鍵的要素。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)回路通常由檢測(cè)變送單元、控制器、控制閥和被控對(duì)象4大部分組成，圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖Fig.1 Block diagram of automatic control system

控制回路投自動(dòng)關(guān)聯(lián)因素比較多，由圖1自動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖組成結(jié)構(gòu)可以看出，控制器性能穩(wěn)定性、控制閥的動(dòng)作靈敏性、被控對(duì)象的正確性、檢測(cè)元件變送器測(cè)量的準(zhǔn)確性以及企業(yè)管理層的重視程度和崗位操作人員對(duì)自動(dòng)化的可靠性認(rèn)識(shí)水平都是影響裝置自控率的主要因素。一般來講工藝控制方案比較成熟穩(wěn)定，工況的問題比較少，可能剛開始投產(chǎn)工藝流程和關(guān)鍵參數(shù)不太清楚，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，中控內(nèi)操總結(jié)經(jīng)驗(yàn)摸索出一套適合自己的操作思路方案。只要公司上下思想上達(dá)成共識(shí)，相信自動(dòng)控制比人操作更可靠穩(wěn)定、高效，那么自動(dòng)控制投用基本就是儀表自控方面的問題了。影響自控率低的因素除了管理人員的思想認(rèn)識(shí)不足和系統(tǒng)操作人員技能水平之外，還有：

1）控制器性能方面，包括回路控制方案設(shè)計(jì)的合理性（簡(jiǎn)單控制回路、復(fù)雜控制回路、被控變量和操縱變量的選擇）和PID參數(shù)整定的準(zhǔn)確性。

2）控制閥故障引起自動(dòng)無法投用。其主要表現(xiàn)在3個(gè)方面，一是因介質(zhì)存在兩相流氣蝕，閥體沖刷磨損內(nèi)漏，閥體、閥內(nèi)密封組件材質(zhì)選擇與工況不匹配導(dǎo)致閥體磨穿外漏，閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)不是降噪型的引起閥門振動(dòng)或噪音大引起閥體故障；二是因推桿密封圈老化破裂嚴(yán)重漏氣、膜片破損竄氣和彈簧腐蝕失修預(yù)緊力不足等原因引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障；三是閥門氣路附件接頭漏氣、定位器和電磁閥故障等因素引起閥門動(dòng)作失調(diào)。

3）被控對(duì)象選擇錯(cuò)誤導(dǎo)致。被控對(duì)象模型是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)象模型越準(zhǔn)確越有利于設(shè)計(jì)出最優(yōu)的控制律。

4）溫度、壓力、流量、物位和組分5大參數(shù)檢測(cè)元件變送器測(cè)量的準(zhǔn)確性。溫度、壓力參數(shù)受外界干擾因素較小，但溫度測(cè)量、調(diào)節(jié)存在滯后大缺陷，組分測(cè)量多數(shù)情況用于監(jiān)控顯示，很少用于回路控制，而流量和物位因測(cè)量?jī)x表型號(hào)不同、測(cè)量原理不同變化比較大，對(duì)控制回路穩(wěn)定性影響比較明顯。

2 提升自控率的措施

影響儀表自控率的因素很多，歸結(jié)起來應(yīng)從設(shè)計(jì)選型、安裝到日常維護(hù)幾個(gè)方面考慮改進(jìn)優(yōu)化[3]。結(jié)合制約本單位MTP裝置自控回路無法投用的因素采取的改進(jìn)措施進(jìn)行淺析。表1是影響自控率低的因素和相應(yīng)的改進(jìn)措施。

表1 自控率影響因素與改進(jìn)措施表Table 1 Influencing factors and improvement measures of automatic control rate

2.1 檢測(cè)元件測(cè)量不準(zhǔn)的改進(jìn)措施

1）溫度檢測(cè)元件故障

一體化溫度變送器是工業(yè)流體溫度測(cè)量監(jiān)控的一種有效手段，它主要由測(cè)溫探頭（熱阻芯、熱偶芯）、保護(hù)套管、接線盒和變送器4部分組成。MTP裝置共使用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的一體化溫度變送器341支，自裝置開車以來共計(jì)發(fā)生8起蒸汽、循環(huán)水和氣態(tài)烴介質(zhì)管線溫度套管泄漏情況。通過對(duì)溫度套管實(shí)際承受的最大應(yīng)力、阻力、流速、壓力等參數(shù)計(jì)算分析，泄漏原因?yàn)闇囟忍坠苓^長(zhǎng)（長(zhǎng)度650mm），套管端部長(zhǎng)期受沖擊振動(dòng)，加之304不銹鋼材質(zhì)不滿足實(shí)際工況造成套管根部疲勞裂縫，最終確定18支溫度套管存在較大的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。2019年隨著裝置停車檢修機(jī)會(huì)將溫度套管改造升級(jí)為長(zhǎng)度300mm的奧氏體不銹鋼316SS材質(zhì)，改造投用后溫度測(cè)量均正常，相關(guān)控制回路均已投自動(dòng)。

2）流量檢測(cè)元件測(cè)量不準(zhǔn)

流量測(cè)量的方法較多，按檢測(cè)量的不同，分為質(zhì)量流量檢測(cè)與體積流量檢測(cè)；按照檢測(cè)原理不同，一般有速度式、差壓式、質(zhì)量式和容積式。MTP裝置常用的流量計(jì)有電磁流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、插入式靶式流量計(jì)等多種規(guī)格型號(hào)。7臺(tái)電磁流量計(jì)因屏蔽接線和跨靜電接地線缺失測(cè)量值受電磁干擾波動(dòng)，1臺(tái)靶式流量計(jì)因靶片安裝方向錯(cuò)誤導(dǎo)致測(cè)量值為零，9臺(tái)差壓流量計(jì)因氣態(tài)烴帶液測(cè)量值變小。針對(duì)這3種流量計(jì)測(cè)量存在的問題，分別采取電磁流量計(jì)屏蔽線接地，增加法蘭跨靜電線，靶式流量計(jì)調(diào)整靶片安裝方向，差壓流量計(jì)取壓管改短安裝的措施消除積液，如圖2。通過實(shí)施對(duì)應(yīng)措施后解決了流量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)問題，8個(gè)控制回路實(shí)現(xiàn)投自動(dòng)控制。

圖2 差壓流量計(jì)改造前后安裝意圖Fig.2 Installation intent of differential pressure flowmeter before and after reconstruction

2.2 控制閥的設(shè)計(jì)選型

控制閥又名調(diào)節(jié)閥，通過接收控制器輸出的4mA～20mA控制信號(hào)，借助儀表風(fēng)動(dòng)力改變介質(zhì)溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的最終控制元件，是影響自動(dòng)控制的關(guān)鍵因素之一。MTP裝置自2014年開車以來預(yù)急冷塔進(jìn)料、工藝蒸汽和蒸汽凝液等管線6臺(tái)關(guān)鍵閥門存在振動(dòng)大和8臺(tái)閥門嚴(yán)重內(nèi)漏隱患。針對(duì)閥門振動(dòng)大原因，通過查文獻(xiàn)、測(cè)試比較本單位其它裝置同工況閥門運(yùn)行參數(shù)和內(nèi)件結(jié)構(gòu)，最終確定振動(dòng)大閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，即閥流通能力CV值偏大。因閥門內(nèi)件原始設(shè)計(jì)為大窗口導(dǎo)向型套筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度小時(shí)這種結(jié)構(gòu)閥門的節(jié)流口處流速增大，壓力迅速減小，壓差增大，流體流經(jīng)閥門很容易形成閃蒸和氣蝕，噪音增大，從而造成閥門振動(dòng)大。因此，采取將大窗口導(dǎo)向型套筒結(jié)構(gòu)改造為多孔式降噪籠式結(jié)構(gòu)方案，圖3是調(diào)節(jié)閥內(nèi)件改造前后結(jié)構(gòu)示意圖。改造后閥體、閥桿振值由原來的6.02mm/s、7.65mm/s降為2.40mm/s、2.44mm/s，低于公司操作規(guī)程規(guī)定的3mm/s要求，8臺(tái)內(nèi)漏閥門利用檢修等機(jī)會(huì)下線維修和改造升級(jí)。通過改造正常工況下閥門閥位在30%～80%之間，滿足調(diào)節(jié)閥技術(shù)規(guī)范要求。

圖3 閥內(nèi)件改造前后結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of valve trim before and after reconstruction

2.3 自動(dòng)控制方案優(yōu)化

化工企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)[4]。根據(jù)實(shí)際工況對(duì)MTP裝置12個(gè)控制回路重新進(jìn)行了優(yōu)化，如前饋-串級(jí)復(fù)雜回路降級(jí)串級(jí)控制、聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)、報(bào)警值聯(lián)鎖值變更、操縱變量的選擇等，圖4為蒸汽加熱控制方案流程圖，原設(shè)計(jì)被控變量為溫度，由于溫度滯后較嚴(yán)重，改選為頂部壓力，解決了溫度控制滯后問題，提高了回路響應(yīng)。

圖4 蒸汽加熱控制方案流程圖Fig.4 Flow chart of steam heating control scheme

2.4 控制回路PID參數(shù)整定

MTP裝置DCS系統(tǒng)采用艾默生DeltaV數(shù)字自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)應(yīng)用程序嵌入高度集成的PID功能塊，其提供比例（P）+積分（I）+微分（D）控制，該功能塊標(biāo)準(zhǔn)的離散PID方程式如式（1）：

式（1）中：GAINa是把參數(shù)GAIN從PV縮放到OUT之后的標(biāo)稱增益；Ti是以秒計(jì)的積分時(shí)間常數(shù)（參數(shù)積分）；Td是以秒計(jì)的微分時(shí)間常數(shù)（參數(shù)微分）；E(s)是偏差（SP-PV）；F(s)是前饋?zhàn)饔谩?/p>

由于臨界比例度法要系統(tǒng)達(dá)到等幅振蕩后，才能找出PID參數(shù)，對(duì)于工藝操作和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況不允許等幅振蕩出現(xiàn)。為此，在理解式（1）中比例、積分、微分參數(shù)含義的基礎(chǔ)上，采用衰減曲線法與經(jīng)驗(yàn)湊試法相結(jié)合的方法，對(duì)MTP裝置控制回路PID參數(shù)進(jìn)行了整定。具體做法是在閉合的控制系統(tǒng)中，先將控制器設(shè)為純比例作用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將比例設(shè)定為一個(gè)較小的數(shù)值，達(dá)到穩(wěn)定后，采用改變給定值的方法加入階躍干擾，觀察并記錄趨勢(shì)的衰減比，從小到大改變比例，直到出現(xiàn)4:1衰減比為止，如圖5所示，記下此時(shí)的比例度δs,，并從曲線上得出衰減周期Ts，然后根據(jù)表2中的經(jīng)驗(yàn)公式，求出控制器的參數(shù)整定值。

表2 4:1衰減曲線法控制器參數(shù)計(jì)算表Table 2 4:1 Calculation table of controller parameters by attenuation curve method

圖5 4:1衰減振蕩趨勢(shì)圖Fig.5 4:1 Attenuation oscillation trend chart

通過對(duì)艾默生Delta V系統(tǒng)PID功能塊的應(yīng)用與PID參數(shù)整定，總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

1）回路投用前要確認(rèn)控制器正反作用。

2）串級(jí)調(diào)節(jié)先副回路投自動(dòng)后，主回路投串級(jí)。

3）流量、液位、壓力調(diào)節(jié)比例+積分方可。

4）溫度調(diào)節(jié)先是比例+積分，最后再把微分加。

5）曲線頻繁等幅振蕩，比例系數(shù)要減小。

6）曲線前高后低兩個(gè)波，積分時(shí)間要增大。

7）曲線偏離恢復(fù)慢，積分時(shí)間要減小。

8）曲線振蕩頻率快，微分時(shí)間要減小。

9）衰減比小于4:1，增大主回路比例系數(shù)。

10）定比例或積分參數(shù)，其中一個(gè)變化找規(guī)律。

11）串級(jí)調(diào)節(jié)注意主副回路參數(shù)臨界值。

3 儀表自控率提升效果

自2019年年初開始單位領(lǐng)導(dǎo)高度重視全廠自控回路投用情況，專門成立了以總工程師為首的自控率提升技術(shù)攻關(guān)小組。在生產(chǎn)技術(shù)部的主導(dǎo)下，每季度組織儀表車間、工藝車間相關(guān)技術(shù)人員就自控投用情況和存在的問題召開專題會(huì)議，利用2019年5月和2021年6月裝置停車檢修機(jī)會(huì)對(duì)控制回路涉及改造的測(cè)量變送元件、調(diào)節(jié)閥和控制回路邏輯進(jìn)行了升級(jí)改造和程序優(yōu)化。通過提升措施的實(shí)施，自動(dòng)控制的回路達(dá)到274個(gè)，總共278個(gè)回路，即MTP裝置自控率由原來的82.6%提高到98.56%。

4 結(jié)束語

結(jié)合MTP裝置自控率低存在的問題，淺析了其影響因素并給出了解決措施，這些措施的實(shí)施消除了制約裝置“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行的潛在隱患，降低了裝置波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提升了自動(dòng)化水平，減少了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和誤操作可能。實(shí)際生產(chǎn)中不同工況不同型號(hào)儀表影響自控率的因素不同，由于本人知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)有限不能逐一列舉加以剖析，還有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)并與同行加強(qiáng)交流，下一步通過先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置的“全流程自動(dòng)”和“黑屏操作”。