石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (6): 33-37
LNG浸没燃烧式气化器温度控制系统研究
杨朋飞 1, 刘逸飞 1, 张典 2     
1. 中海油石化工程有限公司;
2. 青岛科技大学自动化与电子工程学院
收稿日期：2018-07-18
基金项目：国家自然科学基金项目“系统辨识算法复杂性、收敛性、计算效率研究”(61472195);中海石油炼化有限责任公司科研项目“石油化工智能工厂设计技术研究”(LHTISA20170037)
作者简介：杨朋飞(1984-), 男, 山东费县人, 工程师, 2009年毕业于青岛科技大学控制理论与控制工程专业, 研究生学历(工学硕士), 现就职于中海油石化工程有限公司, 从事炼化与天然气化工过程控制设计与研究工作。E-mail:alanofei@139.com.
摘要：为了解决LNG浸没燃烧式气化器温度控制存在较大滞后的问题, 在分析气化器水浴温度特性的基础上, 以气化器出口天然气温度为主被控对象, 以水浴温度为副被控对象, 建立了一种基于串级控制的数学模型。将Smith预估引入串级控制的副回路, 将纯滞后引出副环, 在主回路再次进行Smith预估补偿, 将系统纯滞后移出主环。仿真结果和实际运行验证了该方案控制效果的有效性。
关键词：LNG    浸没燃烧式气化器    串级控制    Smith预估    
Research of the temperature control system of LNG submerged combustion vaporizer
Yang Pengfei1 , Liu Yifei1 , Zhang Dian2     
1. CNOOC Petrochemical Engineering Co., Ltd., Jinan, Shandong, China;
2. College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, Shandong, China
Abstract: To solve the pure time-delay problem of the temperature control of LNG submerged combustion vaporizer, a mathematical model for temperature cascade control of vaporizer is established after theoretical analysis, based on the analysis of the evaporator water bath temperature characteristic.This model takes the evaporator outlet NG temperature as the mainly control object, and takes water bath temperature as the secondary control object.The vice-return route introduces the Smith prediction to emigrate the pure time-delay from the vice-link, at the same time, the main return route introduces the smith prediction again to overcome the effect of pure time-delay that the vice-return route transfers to the main link vice-return route.The simulation results and the actual operation verify the effectiveness of the scheme.
Key words: liquefied natural gas    submerged combustion vaporizer    cascade control    Smith prediction    

浸没燃烧式气化器(submerged combustion vaporizer, 以下简称SCV)是一种将低温液化天然气(liquefied natural gas, 以下简称LNG)加热气化的装置, 燃料气在燃烧室中燃烧后产生的高温烟气, 通过气体分配管上的小孔以气泡的形式进入换热器壳程水浴中, 加热并气化换热器管束中的液化天然气。相较于开架式气化器(open rack vaporizer, 以下简称ORV)、中间介质式气化器(intermediate fluid vaporizer, 以下简称IFV)等其他几种类型气化器, SCV具有高效、安全可靠、热量输送量大等特点, 被广泛应用于LNG的调峰站以及紧急增加负荷时使用的LNG接收站[1-3]。

浸没燃烧式气化器出口天然气(natural gas, 以下简称NG)的温度和气化器水浴温度是SCV运行中非常重要的参数, 其中出口NG温度是SCV运行的关键联锁因素[4], 它的稳定与否不仅关系到能否达到生产要求, 而且关系到整个外输系统的稳定。而稳定的水浴温度对SCV的安全平稳运行至关重要:过高的水浴温度会导致排烟热损失增加、加速加热管等金属构件的腐蚀; 而过低的水浴温度可能会导致水浴池内部分区域结冰, 从而导致传热恶化。因此, 需要将气化器出口NG温度和水浴温度控制在合理范围内。

国内LNG接收站使用的浸没燃烧式气化器主要依赖进口, 目前对SCV在结构上的改进设计、运行特性的优化、传热的模拟和计算等方面作出了较多的研究[5-7], 但是对气化器系统控制方案的研究较少。本研究针对LNG浸没燃烧式气化器的运行特点, 在分析气化器水浴温度特性的基础上, 建立一种温度串级控制的数学模型, 并在副环引入Smith预估补偿, 将温度纯滞后移到副回路外, 对主回路纯滞后, 再次引入Smith预估补偿, 消除主回路纯滞后的影响。从某接收站SCV气化器实际运行的效果看, 验证了该控制方案的有效性。

1 SCV的温度串级控制

采用水浴温度控制燃料气流量, 由于水浴温度的干扰因素较多, 如风量和燃料气的配比、燃料气压力、水浴液位、燃料气的流量、入口LNG的压力、流量等, 单纯的单回路控制几乎无法取得较好的控制效果, 很难满足正常的生产需求。采用气化器出口NG的温度控制燃料气流量也是如此。

采用NG出口温度同SCV水浴温度的串级控制, 串级控制方案如图 1所示, 主被控变量是NG出口温度TIC001, 副被控对象为水浴温度TIC002, 操纵变量为燃料气的流量。该方案将影响水浴温度的相关干扰因素如燃料气的流量、发热量、压力、风量和燃料气的配比等引入副回路, 取得不错的效果[8]。

图 1     SCV温度串级控制示意图 Figure 1     Temperature cascade control of the submerged combustion vaporizer

2 引入Smith预估补偿的SCV温度控制
2.1 问题描述

水浴温度和出口NG温度控制的特点是过程的输出无法及时地反映出施加于被控对象的控制作用, 也就是说被控对象具有较大的纯滞后, 在滞后时间内, 被控参数完全没有响应, 而通过串级控制克服的一些扰动又因为滞后的因素, 使得系统不能及时地跟随被控量进行调整。随着超调量(y)的增大, 使得控制系统的稳定性变差。对于这种时滞系统的控制, 常用的控制方法就是引入Smith预估补偿来消除传热过程时间大滞后[9]。

2.2 数学模型

SCV气化器温度控制系统是典型的非线性时变的控制系统, 对于控制对象, 确定一个相对精确的数学模型, 或者说确定控制系统的闭环传递函数, 是设计控制系统的关键。

SCV水浴加热装置是由燃烧室和水浴的管程壳程组成的控制对象。水浴的温度为T1, 作为被控对象, 要求保持T1相对稳定, 燃烧室气泡输出到水浴的热量为Q1, 在运行中, 燃烧室不断给水浴加热, 水浴不断传递热量Q2给管程内的LNG。当Q1=Q2时, 水浴输入和输出的热量相当, 水浴温度T1不变。当某一时刻由于燃料气流量增大, 那么燃烧室传给水浴的热量Q1增加时, 随着水浴温度T1的升高使得Q2也增大, 最后Q1又等于Q2, 热量平衡再次建立, 水浴温度T1保持不变。

根据能量平衡, 可建立SCV的微分方程, 单位时间内水浴装置内热量差应等于水浴内热量的变化量, 设水的热容为C, 则有:

$ {Q_1}-{Q_2} = C\frac{{d{T_1}}}{{dt}} $ (1)

水浴加热后传热给管程内的LNG, 假设热阻为R, 则有:

$ {Q_2} = \frac{{{T_1}-{T_2}}}{R} $ (2)

利用增量表示并整理可得微分方程式(3):

$ R\Delta {Q_1} + \Delta {T_2} = RC\frac{{d{T_1}}}{{dt}} + \Delta {T_1} $ (3)

如果被控对象温度恒定, 即ΔT2=0, 即有:

$ R\Delta {Q_1} = RC\frac{{d{T_1}}}{{dt}} + \Delta {T_1} $ (4)

令RC为时间常数Tm, 令R为增益Km, 于是有:

$ {K_m}\Delta {Q_1} = {T_m}\frac{{d{T_1}}}{{dt}} + \Delta {T_1} $ (5)

对式(5)进行拉普拉斯变换, 则有:

$ \frac{{{T_1}\left( s \right)}}{{{Q_1}\left( s \right)}} = \frac{{{K_m}}}{{{T_m}s + 1}} $ (6)

这里可以得到被控对象水浴温度的数学描述, 而对于一般的温度对象都是滞后的, 那水浴温度的数学描述可以近似地串联一个惯性环节, τ为时滞常数, 即:

$ G\left( s \right) = \frac{{{K_m}}}{{{T_m}s + 1}}{e^{-\tau s}} $ (7)
2.3 控制器设计

SCV控制系统以出口NG温度控制为主被控对象, 以水浴温度为副被控对象, 以燃料气流量为操纵变量, 以LNG的流量为主要干扰变量。对于水浴温度作为副回路, 这是一个随动控制系统, 期望的闭环传递函数是1, 但因被控对象滞后, 那么副控制器会超前, 这是物理不可实现的。而且副回路存在滞后, 将会明显延长调节时间, 降低副回路的稳定性, 只要副控制器的比例系数稍大就会引起振荡。在副回路引入Smith预估控制, 方框图如图 2所示, 副控对象存在时滞τ, 主控对象存在时滞τ1。J(s)为燃料气的干扰, E(s)为入口LNG的干扰。由于入口LNG的流量、压力可测量, 这里设GE(s)为入口LNG的传递函数, Ge(s)为前馈补偿通道函数。Y1(s)和Y2(s)分别为主、副回路的输出。

图 2     SCV温度串级控制系统方框图 Figure 2     Diagram of temperature cascade control system of submerged combustion vaporizer

图 2中系统的副回路闭环传递函数为:

$ \frac{{{Y_2}\left( s \right)}}{{{R_2}\left( s \right)}} = \frac{{{G_{c2}}\left( s \right){G_{p2}}\left( s \right){e^{-\tau s}}}}{{1 + {G_{c2}}\left( s \right){G_{p2}}(s)}} $ (8)

引入Smith预估补偿Gp2(s)(1-e-τs)后的闭环传递函数是:

$ \frac{{{Y_2}\left( s \right)}}{{{R_2}\left( s \right)}} = \frac{{{G_{c2}}\left( s \right){G_{p2}}\left( s \right){e^{-\tau s}}}}{{1 + {G_{c2}}\left( s \right){G_{p2}}(s)}} $ (9)

这里对于纯滞后e-τs已经不在系统的特征方程里, 也就是说纯滞后时间的被控量超前反映到副控制器的输入端, 使控制器超前动作, 消除了副回路纯滞后的影响。

对于具有时滞的控制系统, 期望的系统闭环传递函数是1个一阶惯性环节和纯滞后环节串联, 那么对于副回路的闭环目标函数可以描述为$\frac{1}{{Ts + 1}}{e^{-\tau s}}$。由式(9)可得:

$ {G_{c2}}\left( s \right){G_{p2}}\left( s \right)Ts = 1 $ (10)

根据2.2节的推导, 被控对象水浴温度Gp2(s)的数学描述为$\frac{{{K_m}}}{{{T_m}s + 1}}$, 于是可得副控制器的传递函数:

$ {G_{c2}}\left( s \right) = \frac{{{T_m}s + 1}}{{{K_m}Ts}} $ (11)

副回路采用Smith预估补偿将纯滞后移出副环, 对副环的影响被克服。但是对于整个串级控制系统来说, 这个滞后的影响还在主环内, 同时主被控对象气化器出口NG温度本身也存在较大的纯滞后。因此, 需要再次引入Smith预估器来消除主环纯滞后的影响。主回路的纯滞后相当于副回路和主回路滞后相加的和, 即τ0=τ+τ1。那么副回路闭环传递函数为$\frac{1}{{Ts + 1}} \cdot {e^{-\tau s}}$, 系统主回路引入Smith预估器应为:

$ \frac{1}{{Ts + 1}}{G_{p1}}\left( s \right)(1-{e^{-\left( {\tau + {\tau _1}} \right)s}}) $ (12)

式(12)可记为G0(s)(1-e-τ0s)。那么对于SCV温度串级控制系统的闭环传递函数为:

$ \begin{array}{l} \frac{{{Y_1}\left( s \right)}}{{{R_1}\left( s \right)}} = \frac{{{G_{c1}}\left( s \right){G_0}\left( s \right)\left( {1-{e^{-{\tau _0}s}}} \right)}}{{1 + {G_{c1}}\left( s \right){G_0}\left( s \right)}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\; = \frac{{{G_{c1}}\left( s \right){G_{p1}}\left( s \right){e^{-{\tau _0}s}}}}{{Ts + 1 + {G_{c1}}\left( s \right){G_{p1}}(s)}} \end{array} $ (13)

从式(13)来看, 主回路的纯滞后已经不在特征方程中。

因为气化器进口LNG的压力和流量干扰直接影响的是主被控变量出口NG的温度, 因此无法像燃料气的干扰那样由串级控制的副回路克服掉。由于入口LNG的干扰可测不可控, 且变化频繁, 这里可以采用前馈控制方案, 将气化器入口LNG的干扰作为前馈变量, 补偿到主回路, 见图 2。引入前馈补偿后, 导出前馈补偿通道的传递函数:

$ {G_e}\left( s \right) = \frac{{{G_E}\left( s \right)}}{{{G_0}\left( s \right){G_{p1}}\left( s \right){e^{-\tau s}}{e^{-{\tau _1}s}}}} $ (14)

控制系统加入前馈补偿功能后, 一旦出现LNG流量或者压力的扰动, 前馈调节器就根据扰动的大小补偿对被控量的影响。只要前馈函数设置相对合理, 实现近似补偿是可行的。

3 仿真研究

对于SCV温度串级控制系统, 根据前述分析, 其数学模型可以近似地以一阶惯性环节来逼近, 考虑SCV水浴系统的过程特性[10-11], 通过测量系统的阶跃响应曲线, 利用切线法, 求得主控对象NG出口温度和副控对象SCV水浴温度的数学模型分别为:

$ {G_{p1}}\left( s \right){e^{-{\tau _1}s}} = \frac{1}{{14.3s + 1}}{e^{-18s}} $ (15)
$ {G_{p2}}\left( s \right){e^{-\tau s}} = \frac{1}{{4.1s + 1}}{e^{-6s}} $ (16)

气化器入口LNG的扰动传递函数为:

$ {G_F}\left( s \right) = \frac{1}{{6.5s + 1}} $ (17)

分别采用常规的串级控制和采用串级Smith预估控制, 系统输入和干扰输入均为单位阶跃信号。仿真结果如图 3所示。

图 3     SCV温度控制系统阶跃响应曲线 Figure 3     Response curve of step input of temperature control system of SCV

由图 3看出, 引入Smith预估补偿的串级控制比常规串级控制明显振荡次数减少, 超调量(y)也相对较低。尤其是前馈补偿合适, 超调量会进一步降低。

当副环模型不匹配时, 则两种方法的控制效果不同。当SCV水浴温度的滞后时间常数τ提高10%时, 采用常规串级控制方法, 系统发生了振荡。采用Smith补偿的串级控制, 系统控制品质较好。仿真结果如图 4所示。

图 4     纯滞后提高10%时的阶跃响应曲线 Figure 4     Response curve of step input when r enhanced by 10%

当水浴温度的滞后时间常数τ提高30%时, 采用常规控制方法则使系统发散, 而采用Smith预估的串级控制系统的控制品质仍然良好, 如图 5和图 6所示。

图 5     纯滞后提高30%时的常规串级控制阶跃响应曲线 Figure 5     Response curve of cascade control when r enhanced by 30%

图 6     纯滞后提高30%时的Smith补偿串级控制阶跃响应曲线 Figure 6     Response curve of smith cascade control when r enhanced by 30%

在某LNG接收站, SCV气化器主要用于冬季海水温度较低时、IFV气化器不能满足需求或调峰负荷输出时使用。在运行时, 由于高压泵启停的关系, 导致LNG流量波动较大, 以某一时间段内随着高压泵的陆续开启, SCV入口LNG的流量范围在58.3~215 t/h之间变化, LNG入口温度基本保持为-151 ℃不变, 燃料气的流量在相对恒定范围内波动, 且流量可测量, 出口NG温度应当控制在1 ℃以上, 一般为4.5 ℃左右, 否则不能满足生产需要, 且会联锁SCV系统跳车。在某一时间段内, 当来自高压泵的入口LNG流量由60 t/h逐渐上升至210 t/h时, 温度控制效果曲线如图 7所示, 常规控制明显是不及时的, 随着LNG流量的增加, 出口NG温度逐渐下降, 尽管若干时间后温度还会升上来, 但是这样的控制效果是相对滞后且不平稳的, 而且还有触发联锁跳车的风险。引入Smith补偿后, 相同时间段内LNG流量变化后, SCV出口NG温度几乎波动很小, 控制作用及时, 对LNG流量变化的适应性较常规控制好。

图 7     LNG流量变化对NG温度控制的影响 Figure 7     Influence of LNG flow on temperature control of NG

4 结论

针对浸没燃烧式气化器控制系统中温度参数存在的滞后和干扰问题, 以出口温度为主要被控对象设计控制系统, 提出引入Smith预估补偿的串级控制方案。主、副回路两次引入Smith预估补偿将副回路的纯滞后移到控制系统之外, 克服了温度的纯滞后影响, 使得控制系统对被控变量的变化具有较好的适应性, 能够大大减少出口温度波动引起的跳车, 优化了控制过程。仿真结果和实际接收站运行结果表明, 该控制方案对于SCV的温度控制改进优化是行之有效的。

符号说明

Q1:燃烧室输出到水浴的热量; Q2:水浴传递给管程内LNG的热量; C:水的热容; T1:水浴温度; T2:管程LNG的温度; R:水浴传热热阻; Gp1:主被控对象(NG出口温度); Gp2:副被控对象(水浴温度); Gc1:主回路控制器; Gc2:副回路控制器; τ:副被控对象时滞; τ1:主控对象存在时滞; J(s):燃料气的干扰; E(s):入口LNG的干扰; GE(s):入口LNG的传递函数; Ge(s):前馈补偿通道函数; Y1(s):主回路的输出; Y2(s):副回路的输出。

参考文献
[1]
梅鹏程, 邓春锋, 邓欣. LNG气化器的分类及选型设计[J]. 化学工程与装备, 2016(5): 65-70.
[2]
宋鹏飞, 侯建国, 陈峰. LNG接收站工艺流程模拟计算[J]. 天然气与化工(C1化学与化工), 2014, 39(4): 47-49.
[3]
焦月明, 陈帅, 杨力, 等. 浸没燃烧式气化器运行效率及能耗成本核算[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(5): 505-511. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.009
[4]
粘权鑫, 郭少龙, 方文振, 等. 液化天然气浸没燃烧式气化器数值模拟方法研究[J]. 西安交通大学学报, 2016, 50(1): 68-71.
[5]
程云东. 浸没燃烧式气化器的设计缺陷及改进方法[J]. 油气储运, 2014, 33(3): 292-294.
[6]
齐超, 王博杰, 易冲冲, 等. 浸没燃烧式气化器的运行特性及优化[J]. 化工学报, 2015, 66(增刊2): 198-205.
[7]
康凤立, 孙海峰, 熊亚选, 等. 浸没燃烧式LNG气化器水浴气化传热计算[J]. 油气储运, 2016, 35(4): 406-411.
[8]
朱晓东, 王军, 万红. 基于Smith预估的纯滞后系统的控制[J]. 郑州大学学报(工学版), 2004, 25(1): 77-81. DOI:10.3969/j.issn.1671-6833.2004.01.019
[9]
刘川来, 刘成才, 李康康. 纯滞后串级控制系统的两级Smith预估补偿[J]. 青岛科技大学学报, 2002, 27(5): 460-462.
[10]
韩昌亮, 任婧杰, 王焱庆, 等. SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟[J]. 化工学报, 2017, 68(3): 854-863.
[11]
窦兴华.LNG沉浸式汽化器流动传热过程数值模拟[D].大连: 大连理工大学, 2007.
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