压力和流量的分段双量程控制策略

　　分程控制已经广泛应用在压力、温度、流量控制等工业流程当中，也通常用来控制双模式的运行场合。例如，分程控制被用在保持一个既有加热控制又有冷却控制的容器内的温度。当其温度（单一测量值）低于目标温度设定值时，首先关闭冷却阀，然后开始打开加热阀。当温度上升到设定值以上时，首先关闭加热阀，然后开始打开冷却阀。另外一种方式是，采用分段量程控制来调整两个控制阀从而实现更大范围内的操作。一个控制阀控制低温范围，另一个控制阀控制高温范围。以上两种应用场合都要求在每一个流程管线上配备一个控制阀。

本文主要讨论的情况是面对一个三根管线的流程系统，其中两根管线上装有控制阀，第三根管线（流体管线）上没有控制阀时，如何使用分段双量程控制来维持压力或者流量，以及如何协调压力分段量程控制器和流量分段量程控制器。

图1：现存的压力和流程控制设计P&ID图。本文所有图片来源： Syncrude公司

　　现存的控制设计

如图1所示的现存管路和仪表布置图，主管路上有一个控制阀A，并分出两个支路。阀A是用来保持上游过程压力的，通过PT2进行测量，并使用标准的PID控制器P2。两条支路上有两个控制阀B和C，用来维持下游的压力，通过PT1进行测量，使用分段量程控制器P1，并通过PC1A和PC1B来实现对控制阀B和C的开关。PT1是用来测量阀A下游压力的压力传感器。

当上游压力PT2高时，阀A会增加开度来降低压力。当PT2压力低时，阀A会减小开度。在两种情况下，下游阀B和C会跟随阀A的变化来通过分段量程控制器P1维持PT1的压力。当PT1的压力高时，P1首先会打开阀C将气体送到设施1。如果阀B完全打开而压力仍然高，P1会打开阀C并将气体送到燃烧喷嘴来进行控制。另一方面，如果PT1的压力低于P1的设定值，P1会依次关闭阀C和阀B直到压力达到P1的设定值。

改变流程

由于流程的变化，流经阀A的气体有时候需要流到设施2。然而，连接设施2 的管线只有一个具备两个工作状态的电磁阀D，全开或者全关，并且配有一个流量传感器FT2，如图2所示。FX2是由温度和压力决定的补偿流量。

图2：反应流程变化的新的管路和仪表布置图。

图3：分段双（流量/压力）量程控制方案。

　　新的流程要求在阀D关闭的时候维持PT1的压力，并在阀D打开的时候维持FT2一定的流量。现有的分段量程压力控制P1要满足两个不同的控制目标比较困难。当阀D打开并且气体流到设施2时，一名操作员要对压力进行反复手动调整，来获得到设施2的所需的流量FT2。这会带来延迟并很难保持稳定的到设施2的流量。

例如，当设施2的入口压力变化时，即使PT1的压力维持的很好，也会引起流量的波动。因此CONTROL ENGINEERING  China版权所有，如果仅仅采用分段量程控制器P1来控制流量，就需要操作员持续不断的干预来维持FT2的稳定流量。因此CONTROL ENGINEERING  China版权所有，现存的控制设计不能满足操作员对PT1压力和FT2流量的连续自动控制的要求。

化解挑战

在分析挑战的时候，可以清楚地看到有三个主要目标需要同时满足：

■ 根据新安装的流量或压力控制器的输入值，使用流量和压力控制来维持流量或压力，不过在流量控制管路上没有现场控制阀。

■ 流量和压力控制器之间的转换要顺畅、无突变。

■ 当第三条管线上的电磁阀突然关闭时，避免出现燃烧和压力扰动。

分段双量程控制策略

新的分段双（流量/压力）量程控制方案在不增加现场仪表或阀门的情况下被配置在控制系统中，如图3所示。F2A是一个流量分程控制器控制工程网版权所有，PHS1是一个开关，用来为操作员选择压力分程控制或流量分程控制时使用。

在新的控制方案中，当阀D关闭时，与之前的方法一样，压力分程控制器会被用来维持PT1的压力。当阀D打开时，新的流量分程控制器F2A会维持送到设施2的流量，并由FT2来监控。当流量低于F2A的设定值时，F2A会首先关闭阀C。当阀C完全关闭时，它会开始关闭阀B，直到达到流量的设定值。在正常运行情况下，是需要避免将气体送去燃烧的。

要想获得流量分程控制和压力分程控制之间平缓的过渡，而且在由跳闸保护功能导致的电磁阀突然关闭时，要避免可能的扰动或燃烧，控制逻辑被设计用来设置压力或流量控制器的初始开度。

例如，由于操作员操作或者跳闸保护逻辑，将控制从流量分程控制切换到压力分段量程控制，压力控制器P1会被设定到其初始开度值，该开度值是在下面的公式定义的，然后控制器P1会设定为自动控制。P1的初始开度的计算方式如下：

P1初始开度值 = 100 – [F2A开度 +(FT2. PV / 最大流量)*100]

其中，FT2是第三条管线的流量，最大流量值是指当控制器P1完全打开时，第一条管线上的流量。这种设计可以避免由于电磁阀D的突然关闭而导致的扰动，这种扰动有可能会导致燃烧或扰乱上游运行。图4分别显示了压力分段量程控制和流量分段量程控制情况下的阀B、C、D的开度状态。

图4 ：压力/ 流量分段量程控制时的开关阀D 的状态。

图5 ：流量分段量程控制的历史表现。

　　实施效果

这个新的分段双量程控制策略被用在Syncrude公司的废气处理方面。图5显示了为流量FT2使用流量分程控制的控制表现。FT2A的流量设定值首先从4mscfd增加到5.5mscfd，然后减少到4.8mscfd。很清楚的看到FT2的流量是很好的跟随着设定点的变化而变化的。

图6 ：分段双（流量/ 压力）量程控制的表现。

　　图6展示了FT2流量在开始阶段和大部分中间阶段的流量分段量程控制，以及在最后阶段对压力PT1采取的压力分段量程控制。

可以看到，当控制流量时，FT2的流量会跟随着设定值迅速的从4mscfd变化到2mscfd，FT2流量很好的追踪了流量设定值，喷嘴的压力PT1的变化没有任何扰动或压力突变。当电磁阀D突然关闭时，DCS的逻辑通过控制器P1为控制阀B设定一个计算出来的初始开度，并为控制器P1设定一个预先定义好的设定值（15psig），然后从流量控制器切换到压力控制器，这样可以避免压力扰动并避免了可能的燃烧废气的需要。

这里讨论的分段双量程控制已经被应用到加拿大Syncrude有限公司的案例中。正确设计的分段双量程控制策略可以帮助用户实现在特定应用的流程中保持压力和流速的稳定。比如本文涉及的三条管线的情况，其中两条管线装有控制阀，第三条管线没有控制阀。这个工业应用的结果满足了所有该流程在控制表现方面的要求。（作者：Chris Sun）