LNG过程控制中的PID应用

摘要:PID控制器（比例-积分-微分）是工业控制系统中一种常用的闭环反馈控制系统。PID控制器经过比较实际测量值和设定值得偏差,通过调节输入信号减小实际值和理想值得误差。P-（比例）现阶段偏差的调节,I（积分）-收集前段时间的误差,D（微分）-对将来误差的估计,基于电流变化率。用这三中方法加权求和中,通过控制元件如控制阀的位置,或者调节一个加热源对工艺过程进行调节。在本文中将主要介绍PID整定的方法在LNG过程控制中的应用。

关键词:PID(比例-积分-微分) LNG（液化天然气） 整定（Tuning）

Abstract:A proportionalCintegralCderivative controller (PID controller) is a generic control loop feedback mechanism (controller) widely used in industrial control systems.A PID controller calculates an "error" value as the difference between a measured process variable and a desired setpoint.The controller attempts to minimize the error by adjusting the process control inputs.P depends on the present error,I on the accumulation of past errors,and D is a prediction of future errors,based on current rate of change。The weighted sum of these three actions is used to adjust the process via a control element such as the position of a control valve,or the power supplied to a heating element.In the article we will introduce the application for PID controller in LNG process.

Key words:PID(proportional integral differential),LNG(liquefied natural gas),setting(Tuning )

1、PID的简介

1.1 PID的概况及意义

PID控制器（比例-积分-微分控制器）,由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元D组成。通过Kp,Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器示意图

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较,然后把这个差别用于计算新的输入值,这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同,PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值,这样可以使系统更加准确,更加稳定。可以通过数学的方法证明,在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下,一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

一般PID方程式

其中:Kc为系统增益,1/Ti为积分常量,Td为微分常量,e（t）为误差,u（t）为控制器的输出值通过拉普拉斯变换我们可以得到下式:

经过Laplace变换后的PID方程式

由于微分项为非正则,因此该式在物理上无法实现,但我们可以通过近似方法将其近似为以下三种方式:

1.2 PID整定控制的研究现状及发展

自从有了PID控制,回路整定就一直是人们研究的问题之一。许多整定方法及公式已经开发出来（均为根据经验测得）。最早提出的PID参数工程整定方法是1942年由Ziegler和Nichlos提出简称为Z-N整定公式,尽管时间已经过去半个世纪了,但至今还在工业控制中普通应用。1953年Cohn和Coon继承和发展了Z-N公式,提出了一种考虑被控过程时滞大小的Conhn-Coon（C-C）的整定公式。当然还有随后的R-C法以及改进的RZN法（Refined ZN）。常用PID形式:

假设相应的阶跃传递函数为,K为增益,为时间常数,为时滞常用的PID整定方法如下:

表1 常用的PID整定方法

2、LNG工业的简介

一般LNG接收站主要包括三个部分:卸船工段、储存工段、气化工段。下文将以此做简单介绍。

2.1 卸船工段

LNG船靠泊码头后,卸料臂即将船上与岸上的卸船管线连接起来,由船上储罐内的潜液泵将LNG输送到接收终端的储罐内。随着LNG的不断输出,船上储罐内压力逐渐下降,为维持其压力值,将岸上储罐内一部分蒸发气经卸船压缩机加压后,送回船上储罐内。卸船管线一般采用双母管式设计。卸船时两根母管同时工作,当一根母管出现故障时,另一根仍可工作。在非卸船期间,双母管构成循环,由岸上储罐潜液泵出口分出一部分LNG来冷却循环管线。每次卸船前还需用船上的LNG对卸料臂进行预冷,预冷完毕后再将卸船量逐步增加至正常输量。卸船管线上配有取样器,用于卸船前取样分析LNG的组成、密度及热值。

2.2 储存工段

在LNG接收终端和卫星接收站,都有一定数量和不同规模的储罐。储罐内的LNG在储存过程中,由于漏热,会使一部分LNG气化（其蒸发率一般为0.06％～0.08％）,罐内的压力随气化蒸发上升。各LNG站都会配置一套冗余的BOG压缩机以控制罐内的压力。卸船时,由于管线漏热加剧和气液置换,蒸发气量可成倍增加。为了减少卸船时的蒸发气量,应尽量提高此时储罐内的压力。

2.3 气化工段

储罐内LNG经罐内潜液泵加压后一部分进入蒸发气再冷凝器,液化来自储罐的蒸发气。从再冷凝器中流出的LNG与另一部分会合,经输出泵加压后,进入水淋气化器中气化。水淋气化器在基本负荷下运行,浸没燃烧式气化器作为备用设备,在水淋气化器维修时运行或在需要增加气量调峰时并联运行。气化后的天然气经加臭、计量输往用户。

一般LNG接收站的工艺图

3、LNG中PID控制的应用

LNG中的PID控制主要有三类包括流量控制、压力控制和温度控制。其稳定性关系整个站生产状况。在文中将以上海五号沟LNG调峰站为背景介绍RC法和ZN法控制方法和使用效果。

3.1 流量控制

LNG项目常用的流量控制为卸载管线的冷循环流量控制,此处将以上海五号沟LNG的流量控制阀FCV01008为实例做分析,由于该储罐内部的液下泵到码头流量计的管线距离极长（预估为1400米左右）,所以该其传递函数的时滞及时间常数很大,现其传递函数预估为 ①

其中 K=1.7 =142 =100

通过RC法将数值代入表1得到 P为1 I为200 D为50

通过数据观察设定点为120m3/h,经过PID整定后的数据及趋势如下:

整定后的趋势图观察（图3）。

通过数据观察我们可以看到通过RC法的PID整定后该控制器具有良好的标称性和稳定性。

3.2 温度控制

SCV气化器的水浴温度控制为LNG项目中最重要温度控制,本文中将引用五号沟LNG的温度控制阀TIC81111为实例做分析。其传递函数为 ①

其中 K=1.66 =0.7 =0.5

通过RC法将数值代入表1设定P=1 I=1 D=0.5,其设定温度为30degC。

经整定后的数据观察值为

趋势观察得

整定后TIC81111的趋势图截

通过数据观察我们可以看到通过RC法的PID整定后该控制器具有良好的标称性和稳定性。

3.3 压力控制

LNG的压力控制最为重要的就是卸船时用于保持罐压和LNG船内仓压的压力平衡作用压力控制阀,文中以PIC01309为例,该系统的传递函数为 ①

其中K=1.3 =0.2 =0.24,可以看出压力的时间常数和时滞参数都很小。

通过ZN法将数值代入商标得到P=1.3 I=0.2 D=0.24 设置值为145mbar经调节后,通过数据观察值如下:

通过趋势图观察如下所示:

整定后PIC01309的趋势图截

可见通过RC法整定后运行基本平稳可靠,但可以发现通过ZN法的PID整定虽然标称性不差但经整定后系统的震荡明显。

3.4 串级控制在LNG生产中的应用

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数）,即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数）,是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

串级控制示意图

详细控制器设计如下:

PCV91004为系统的主调节器用于控制气化输出管道的压力,其传递函数为 ①

其中 K=0.7 =0.5 =0.125

通过RC法将数值代入表1得到P=0.7 I=0.5 D=0.125.

FCV81101为系统的副调节器用于控制SCV的气化输出量,其传递函数为 ①

其中K=1.66 =0.7 =0.5

通过RC法将数值代入表1得到P=0.7 I=0.5 D=0.125

在主副回路的调节控制下

经调节后数据及趋势观察:

设定值为12.5时的PV值

串级控制后的趋势图

通过串级控制后,运行平稳无明显振荡,基本稳定可靠。

4、结语

PID控制的应用至今已有70多年的历史,我们应根据每个控制系统的传递函数具体分析反复试验,做出正确的测量和比较后,取得最合适的整定值才能更好地纠正系统。在文中通过应用适当的方法使得控制系统具有了很好的标称性和稳定性,很好地保障了上海五号沟LNG调峰站生产的正常进行;该站从2008年10月二期投产后目前已平稳运营了3年多。由于生产现场历史数据保留的时限原因,文中数据未能详尽请各位谅解。

参考文献

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