过程控制工程——裂解炉炉内压力控制

很意想不到的选择控制，对于PI控制器，真的能实现

1 问题描述

考虑如题下图所示的裂解炉，它由两部分组成，但有一个共同的烟 道。在每一个部分中都在发生轻烃（碳氢化合物）和水蒸气的裂化反应。该装置通过控制进 入到每一部分的燃料来控制裂解产品的温度，通过控制安装在烟道上的排风扇的转速来控制 炉内压力。风扇可以引导燃气排出烟囱。当炉内压力增加时，压力控制器就会增加风扇速度 来降低压力。
a) 设计一个比值控制方案，以使每一部分都能根据轻烃流量按比例控制水蒸气的流量。操 作员只需要设定轻烃的流量。
b) 在过去几周的运行中，操作人员注意到压力控制器的输出总是100%。这表明控制器PC 57 在尽最大可能来保证压力控制。然而，这并不是理想状态。这表明压力超出了可控 范围。因此，必须设计一种控制方案。当该控制器的输出大于 90%时，轻烃流量就需 要减少来维持压力控制器输出稳定在 90%。当轻烃流量减少时，用来保持出口温度的 燃料需求量也会减少，这样会降低烟道压力，使得压力控制器降低风扇速度。当控制器 的输出少于90%时，轻烃的输入流量就为操作人员的设定量。
由于左边锅炉的效率没有右边的高。因此，减少轻烃流量的正确策略为首先将左侧的输 入量减少到 35%；如果还需要继续减少，再对右侧的输入进行减少，直到减少至 35% （如果还需要继续减少，一个连锁系统将会关闭裂解炉）。请设计一个控制方案，以保证压力控制器的输出低于90%，并通过文字解释控制系统是如何工作的。

2 控制方案

2.1 比值控制方案

对本题控制目标是控制蒸汽的输入与轻烃流量成比例关系，而轻烃流量手动调节，用一个外比值单闭环回路便可以实现，让轻烃的测量值乘上比例后作为对应蒸汽的设定值。

对本题来说，反应器的压力不能超载是要考虑的安全问题，因此轻烃和蒸汽阀门都应该是气开阀，即无信号输入时关闭，防止压力过大。

两个流量控制器假设为反作用，当流量增大时，控制器输出减小，阀门开度减小，流量减小，故都为反作用

2.2 保证压力控制器输出小于90%的控制方案

控制目标是让PC57的输出保持在90%以下，同时压力过大时通过减少轻烃的输入流量来减小压力，同时减少轻烃时要按照先将左阀门由设定值减到35%，再让右阀门由设定值减到35%。而且当两阀门都减到35%后仍然需要再减，直接关闭裂解炉，停止两个阀门的输入。

为了实现压力控制器的输出能够控制两个阀门的开度，以此输出为测量量再次添加一个控制器AC61，并且令设定值为90%，假设此设定值为反作用，PC控制器输出增大，AC控制器输出减小，减小轻烃阀门开度，使压力变小，PC控制器输出变小，所以AC控制器为反作用

两个轻烃阀门实现先后控制可用双交叉控制和选择控制，因为双交叉控制不能精确的控制先后开始的时机，故用选择控制的思想，那么两个阀门的特性应该如下所示(都是气开阀)：
初始时p大，两阀门都是设定值开度，随着AC输出增大，p减小，左阀门先减少直到35%停止，随后右阀门再开始减少直到35%。

但是第一因为这个阀门特性上下限不是0-100%，而改为了35%和设定值，物理上不好实现；第二后续有继续减少让两阀门直接关闭的要求，如果阀门是这样的特性的话，难以实现让其开度突然为0；因此用一个函数模块来实现AC61输出到阀门开度的映射，方便后续设计。

对关闭裂解罐的要求，添加一个逻辑模块，当检测到满足左右阀开度都已到达35%且PC输出仍然大于90%时，关闭裂解罐；关闭的操作通过在两个控制阀的输入前添加一个加法器实现，当不触发关闭时，逻辑模块输出0%，加到加法器上无影响；当触发关闭时，输出为-35%，加到加法器上与函数映射输出的35%相加正好为0%，让两阀门开度为0%

此时还会有一个问题，就是最终系统可能稳定在AC输出大于90%的情况。比如假设起始PC输出95%，通过AC控制左阀门开度略微下降，但是当PC降到93%的时候，AC输入偏差一定，输出让左阀门开度一定，整体就稳定在PC输出93%的时候。这就不符合控制要求。

这时可用在PC输出到排风扇的地方加一个低选器，这样不仅保证了排风扇最大在90%工作，也迫使整个系统通过减小轻烃阀门开度的手段来降低整体的压力，使最终在PC输出低于90%时稳定。比如无低选器时在PC输出93%时稳定，加低选器后虽然PC输出是%93，但是排风扇最大工作输入只能是90%，就破坏了稳定，压力会持续上升，迫使其通过降低轻烃流量的方式来减小压力。

其中AC61，PC57都是PI控制器，能够靠误差积累来使被控量无余差。

设计方案如下：

AC控制器输出与阀门开度的映射函数如下(即F模块的内容)

控制过程：

• 正常工况时，PC57输出小于90%，AC控制器输出极大，让两阀门都处在设定值开度
• 当炉内反应增强，烟道压力升高，或者因为废料堆积等情况，导致原有的压力平衡被破坏，需要更少的轻烃流量来实现新的平衡，此时PC57输出大于90%，但是由于低选器存在，给排风扇的输入仍然是90%，压力在持续升高，不可能稳定，此时AC61控制器输出减小，开始起作用，让轻烃输出流量减小，先减少左阀门开度，如果此时压力控制器输出仍然大于90%，由于AC控制器的积分作用，让输出持续变小，然后直到左阀门降到35%时再降右阀门开度，如果右阀门开度也到35%但是仍然PC57输出大于90%，此时AC61输出已经小于u3，触发逻辑模块，让左右阀门开度为0%，此时是阀门不可控的极端情况。
• 如果可控的话，当阀门开度降到一定程度后，压力开始下降，PC57输出下降直到低于90%时，AC61收到的误差才开始为负，输出u开始回升，最终是可以稳定在90%以下的，而且稳定时阀门开度也会稳定在某一个低于设定值的值，因为AC61是有积分作用的，尽管输入的误差已经为0，但是之前的积分作用导致此时输出的u已经不是最开始对应的起始u了，再者因为PI控制器是可以做到不振荡无余差的，因此系统一定可以达成PC输出小于90%，轻烃阀门开度处在低于设定值的某个值的稳定状态。

假设最开始PC57输出升到95%，排风扇输入限制到了90%，此时AC61输出下降，让左阀门输出流量下降，此时压力下降，PC57的输出下降，但是只要没有下降到90%以下，由AC61的积分作用，其输出u还是在持续下降的，直到PC57输出下降到90%以下，AC61输出u才开始上升，随后轻烃流量略微增大，让压力又开始小幅度回升，PC57的输出在90%附近波动，AC61随着它的输出滞后波动，最终由于前面误差的积分效果，最终AC61输出的u一定是能够处在让阀门低于设定值的某个值，从而使整个系统平衡。