压力和流量过程的双重分档控制策略

分程控制已广泛应用于工业过程中，用于控制压力、温度和流量，通常用于控制双模式操作。例如，在同时有加热和冷却控制的情况下，分段控制已用于维持容器温度。当温度(单个测量值)低于所需的温度设定值时，首先关闭冷却阀，然后开始打开加热阀。当温度高于设定值时，首先关闭加热阀，然后开始打开冷却阀。另外,分割范围控制用于调节两个控制阀，以覆盖更广泛的操作范围。一个控制阀通过下量程控制，第二个控制阀控制上量程。在这两种应用中，我们都需要在每条单独的生产线上安装一个控制阀。

下面的讨论和设计回顾了双分段控制如何在两条有控制阀而第三条(流线)没有控制阀的三线过程中保持压力或流量，以及如何在压力分段控制器和流量分段控制器之间进行协调。

例如P&ID

现有的管道和仪表布置有一个控制阀A的主线，它分支成两条线路，如图1所示。阀门A用于维持PT2通过标准PID控制器P2测量的上游工艺压力。两条支线有两个控制阀B和C来维护下游压力通过PC1A和PC1B打开和关闭控制阀B和C，通过PT1使用压力分割范围控制器P1测量。PT1为压力变送器，用于测量阀门a的下游压力。

当上游压力PT2较高时，阀门A会打开更多，以降低压力。当PT2处压力较低时，阀门A会减小其开度。在这两种情况下，下游阀门B和C将跟随阀门A的变化，通过使用分割量程控制器P1来维持PT1的压力。

当PT1压力较高时，P1首先打开阀门B，将气体输送到装置1。当阀门B全开，压力仍高时，P1将打开阀门C，将气体送至耀斑集管进行控制。另一方面，当PT1的压力小于P1的设定值时，P1将关闭阀门C，然后关闭阀门B，直到压力达到P1的设定值。

改变流程

由于工艺变化，有时需要将阀门A的气体输送到2号装置。然而，行种植2只有一个电磁阀D具有全开或全闭两种工作状态，并具有如图2所示的流量变送器FT2。FX2为带温度和压力的补偿流量，图中没有显示。

新工艺需要在阀门D关闭时保持PT1的压力，在阀门D打开时保持FT2的一定流量。现有的压力分档控制P1难以满足这两种不同的控制目标。当阀门D打开，气体流入工厂2时，操作人员通过试错手动调整压力，以达到FT2到工厂2所需的流量。这导致延迟和难以保持稳定的流量到工厂2。例如，当2号装置的进口压力发生变化时，即使PT1的压力保持得很好，也会引起流量变化。因此，如果仅使用分流量程控制器P1控制流量，则需要作业者持续干预以保持FT2的恒定流量。

因此，现有的控制设计无法满足作业者对PT1压力和FT2流量连续自动控制的期望。

解决挑战

在分析这一挑战时，显然有三个主要目标必须同时实现:

• 使用流量和压力控制，根据新设置的流量或压力控制器的输入来维持流量或压力，但在流量控制线上没有现场控制阀
• 流量和压力控制器之间的平滑无颠簸和无程序传输
• 当电磁阀在第三管线突然关闭时，避免出现耀斑和压力扰动。

双分档控制策略

新的双(流量/压力)分程控制方案配置在控制系统中，无需额外的现场仪表或阀门，如图3所示。F2A是流量分程控制器，PHS1是用于操作人员在压力分程控制或流量分程控制之间进行选择的开关。

在新的控制方案中，当阀门D关闭时，使用压力分档控制器将压力维持在PT1，方法与之前相同。当阀门D被打开时，新的流量分档控制器F2A将维持由FT2监测的2号装置的流量。当流量小于F2A的设定值时，F2A会先关闭阀门C，当阀门C完全关闭时，F2A会开始关闭阀门B，直到流量达到设定值。在正常操作中，最好避免向火炬输送气体。

为了实现流量分程控制器和压力分程控制器之间的平滑传递，避免电磁阀因行程功能突然关闭时可能出现的乱动或熄火，控制逻辑设计为对压力或流量控制器的开度进行初始设置。例如，当由操作员或行程逻辑将控制从流量分程控制切换到压力分程控制时，将压力控制器P1设置为其初始开度值，定义如下式，然后将控制器P1设置为自动控制。P1的初始开口计算如下:

这里FT2为第三行流量，最大流量定义为控制器P1全开时的第一行流量。这种设计可以避免电磁阀D突然关闭引起的扰动，引起燃除，扰乱上游运行。

图4分别为压力分程控制和流量分程控制情况下阀门B、C、D的阀门开启状态。

实际结果

这种新的双分档控制策略已在我公司的废气处理中得到应用。图5显示了流量FT2使用分流控制的控制性能。FT2A的流量设定值首先从4 mscfd增加到5.5 mscfd，然后降低到4.8 mscfd。很明显，FT2的流量很好地遵循了设定值的变化。

图6展示了FT2段初期流量和中段大部分流量的分流段控制，以及PT1段后期压力分流段控制。

可以看出，当控制在流量上时，具有流量设定值的FT2从4 mscfd迅速变化到2 mscfd，流量FT2很好地跟踪了流量设定值，集管压力PT1变化，没有出现扰动和压力波动。当电磁阀D突然关闭时，DCS逻辑通过控制器P1将计算的初始开度设置为控制阀B，并将预定义的设定值设置为控制器P1 (15psig)，然后将流量控制器切换到压力控制器，防止了压力失调，避免了可能的废气燃除。

本文讨论的双分段控制已经在Syncrude Canada Ltd实施。一个合理设计的双分段控制策略可以同时保持压力和流量的过程，有三条管道，两条有控制阀和第三条没有控制阀。工业应用的结果满足该工艺的所有控制性能标准。

Ashish Shah, PEng，是PC&A技术团队负责人;Joseph Amalraj，管理学硕士，Syncrude Canada Ltd. PC&A高级技术主管。

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