分程控制在北阿油田地面工程中的应用

蒋志锋 沈 鹤 毛闻之

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京 100083)

分程控制系统是过程控制系统中复杂控制系统的一种。分程控制系统中一个控制器的输出同时送往两个或多个执行器，且每个执行器的工作范围不同。一般情况下，分程控制可分为同向分程控制和异向分程控制：同向分程控制即随着输出信号的增大(减小)，控制阀的开度随之增大(减小)；异向分程控制即随着输出信号的增大或减小，控制阀一个阀门开度增大另一个阀门开度减小。

在此，笔者结合伊朗北阿扎德甘油田地面工程项目对分程控制的应用和注意事项进行说明，希望为同行提供分程控制系统的应用经验。

在油田化工过程中分程控制常用于3种场合：

a. 被控对象采用两种或两种以上手段和介质控制。工艺要求一个被控对象采用两种或两种以上的介质来进行控制，例如反应釜的温度控制。

b. 不同的负荷和开车/停车过程要求。如加热炉不同负荷下的需求燃气流量控制。

c. 扩大调节阀的可调比。在生产过程中，由于被控对象变化较大，要求调节阀有较大的可调比才能适应工况。实际工况中有时要求调节阀在很小的开度下工作，此时已经接近调节阀的可调范围极限，调节品质将变坏，但如果将调节阀口径变小，在其他工况下又不能满足工艺要求，因此必须扩大调节阀的可调比[1]。

2 分程控制的实现方法

以伊朗北阿扎德甘油田项目一级分离器的气相压力控制为例(图1)，容器正常操作在500kPa压力下，要求当压力在500～650kPa之间时，PV-11411A阀门逐步开大，当容器压力高于650kPa时，PV-11411A保持全开，PV-11412A开始逐步开大。其中，要求PV-11411A为故障关，PV-11412A为故障开。经分析，此处为同向分程控制。

2.1 阀门定位器

采用阀门定位器实现分程控制如图2所示，同一回路中有两个阀门PV-No.1和PV-No.2，控制器输出4～12mA信号，要求PV-No.1从全关到全开；当控制器输出12～20mA(DC)信号时PV-No.2从全关到全开。即根据调节器输出的不同区段的信号，通过改变阀门定位器的弹簧或零点，达到控制相应调节阀作全行程动作的目的。

采用阀门定位器实现分程控制的特点如下：

a. 当两台控制阀串联在同一回路中时，一旦中间线路出现故障或者其中一台阀门正在进行检修，该回路中两台阀门将都不能正常工作。

b. 分程控制是通过阀门定位器的反馈杠杆来改变阀门定位器的量程范围来实现的，在现场调校中工作非常繁琐，增加了现场的工作量，且维修不方便。

图1 油田项目一级分离器的气相压力控制

图2 采用阀门定位器实现分程控制

2.2 控制系统组态

在DCS系统中，可以通过组态来实现分程控制功能(图3)。模拟输出AO将输出值(OP1，OP2) 转换成4～20mA输出信号分别给两个阀门定位器，以实现两个阀门的开关动作，从而达到分程控制的目的。另外，模拟输出点还有正/反作用设置功能，能更方便地实现分程控制。

图3 采用控制系统组态实现分程控制

通过控制系统组态来实现分程控制具有以下特点：

a. 将两台控制阀分别接在两个回路中，其中任何一台控制阀出现故障都不会影响另外一台控制阀的正常工作，提高了系统的可靠性，降低了风险。

b. 分程控制是通过改变AO组态参数来实现的，而现场阀门定位器无需作任何改动，减轻了实际调校工作的难度和现场工作量，维修、维护方便。

经分析，伊朗北阿扎德甘油田地面工程项目均采用控制系统组态来实现分程控制功能。

3 注意事项

3.1 调节阀的泄漏问题

当分程控制系统是用于扩大调节阀的可调比时，一个口径较大的阀门和一个口径较小的阀门并联，如果大口径阀门全关后实际泄漏量仍过大，小口径阀门在小开度时将不能起到调节作用，达不到扩大可调比的目的。

3.2 流量跳变

当分程控制系统用于扩大可调比时，在分程信号的接合点处由于大口径阀门的开始打开，它会立即通过一个由阀门本身固有可调比所决定的可控最小流量，此时小口径阀门仍然处于全开状态，因此由两个阀门并联来决定的管路流量特性在此处会发生跳变。在实际过程中，对于一般的分程控制系统，该跳变点对工艺影响不大，但在要求较高的分程控制系统中，设计应考虑避免长期工作在此点附近[2]。

3.3 调节阀流量特性的选择

在分程控制系统中，虽然两个阀门的工作信号范围是相同的，但是由于两个阀门的流通能力不同，两阀的流量特性增益在转折点处有跳变，因此在一般的扩大阀门可调比的分程控制系统中，两调节阀应选择等百分比的流量特性。

4 结束语

分程控制是自控系统复杂控制中的一种，根据工艺需求，分析分程控制的特点，确定分程控制的实现方式，在安全可靠运行的原则下兼顾节能、降低成本及方便操作维护等各方面因素，是成功应用分程控制系统的重要保障。

[1] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2] 金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,2005.