加热炉的先进控制.docx

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加热炉的先进控制

聚酯事业部

仪表车间

张庆

加热炉的先进控制

关键词：

加热炉自动点炉燃烧控制

摘要：

本文论述了加热炉在石油化工生产中的重要作用以及实现加热炉自动点炉和采用先进的燃烧控制方案的重要意义，阐述了加热炉自动点炉停炉步骤，自动点炉停炉程序的软件设计以及自动点炉程序设计中需要考虑的问题。

分析了加热炉串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的工作原理，论述了串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的硬件组成和软件设计。

1．加热炉在化工生产中的重要作用

2．加热炉的仪表控制系统的介绍

3．加热炉自动点炉的控制系统

3．1关于可编程序控制器

3．2加热炉自动点炉系统的组成

3．3加热炉自动点炉/停炉步骤

3．4加热炉自动点炉停炉程序软件设计（梯形图）

3．5自动点炉停炉程序设计时应注意的问题

4加热炉串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制

4．1串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制的原理分析

4．2串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的硬件组成

5结束语

6参考文献

1．加热炉在化工生产中的重要作用

加热炉是对化工生产装置所用的热媒进行加热,再用热媒对反应釜进行加热。

我事业部的氧化装置所用的热媒为热油，加热炉出口温度为300±1℃缩聚装置所用的热媒为导生，加热炉出口温度为330±1℃。

两个装置的工艺生产都要求加热炉必须长周期稳定运行，热媒加热温度控制精度要求高,否则将会影响产品质量,一但停炉必须在尽可能短的时间内重新点炉成功，否则造成排废料甚至停产，从而加大产品成本费用。

因此，实现自动程序点炉,确保点炉的可靠性，以及采用先进的燃烧控制方案,保证炉子处于最佳燃烧状态,降低油耗,确保炉子不冒黑烟,满足环保要求,有着重要的意义。

2．加热炉的仪表控制系统的介绍

选用1台M84可编程控制器（PLC）（8点输入，12点输出）实现自动点炉、停炉的程序控制。

选用2台PMK可编程调节器实现加热炉的串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制。

选用2台PMA单回路调节器实现燃油压力和蒸汽压力的PID控制。

其中油流量计为楔形流量计，风量计为阿牛巴流量计，氧分析仪为横河氧化锆分析仪

图1加热炉的仪表控制系统示意图

3．加热炉自动点炉的控制系统

加热炉的自动点炉、停炉、安保联锁及手/自动相互切换功能是由可编程序控制器来实现的.

3.1.关于可编程序控制器

可编程序控制器（Program.ableLogicController）简称PLC.它是一种数字控制的专用电子计算机,它使用可记忆的存贮器来存放指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与运算等功能,并通过各类开关量或模拟量的输入输出模块，以控制各种工作机械仪表或工

艺流程。

其主要特点是：

（1）在线修改功能；

（2）由于简化了硬件电路，提高了PLC系统的可靠性；

（3）能处理工业现场的强电信号；

（4）编程采用传统的继电器符号语言，不必学习专门的高级语言。

其构成框图如下：

３.２.加热炉自动点炉系统的组成：

此系统选用M-84A-002主机一台（１８个网络）,输入模块B355一个和输出模块B354二个.

（1）输入信号（8点）:

１００１小火/自控

１００２点炉

１００３停炉

１００４复位

１００５与链故障

１００６火焰故障

１００７雾化汽、燃油压力低

１００８手/自动切换

（2）输出信号（12点）:

０００１风机

０００２点火变压器

０００３点火变压器

０００４液化气阀

０００５雾化汽阀

０００６进油阀

０００７回油阀

０００８吹扫阀

０００９大风

００１０关风门

００１１开/停信号

００１２联锁信号

3．3加热炉自动点炉/停炉步骤：

3．3．1点炉条件：

（1）自控/小火开关应处于小火位置,小火指示灯亮.即1001为ON；

（2）炉膛无火，火焰熄灭指示灯亮，1006为OFF；

（3）无参数故障报警，1005为ON（与链闭合）；

（4）程序复位，1004为ON。

3．3．2点炉步骤：

（1）火焰解锁；

（2）关闭风阀，0010为ON；

（3）３秒后,风机启动，0001为ON；

（4）９秒后风阀回至点火开度，0010为OFF；

（5）１秒后风阀开最大,进行大风吹扫，0009为ON；

（6）４０秒后风阀回至点火开度，0009为OFF；

（7）１０秒后点火枪打火，0002、0003为ON；

（8）２秒后液化气阀打开，0004为ON；

（9）10秒后火焰监测器投入联锁；

（10）１０秒后点火枪停止打火，0002、0003为OFF；

（11）１秒后雾化汽阀打开，0005为ON；

（12）２秒后进油阀打开0006为ON，回油阀关闭0007为OFF；

（13）１０秒后雾化汽、燃油压力低投联锁；

（14）２０秒后液化汽阀关闭，0004为OFF；

点火程序结束

3．3．3停炉步骤：

当按下停炉按钮（1003为ON）或工艺参数故障（1005为

ON）、火焰故障（1006为ON）、雾化汽、燃油压力低报（1007为ON），则执行以下停炉步骤：

（1）关闭进油阀（0006为OFF）,打开回油阀（0007为ON）,

关闭雾化汽阀（0005为OFF）；

（2）按停车时所处工作状态不同有以下几种设定的处理方式:

A．若在进油阀打开之后停车,则立即进行喷前油管吹扫３０秒

（0008为ON）,炉膛吹扫４０秒（0009为ON）,然后关风机（0001

为OFF）；

B．若在进油阀打开之前,液化汽阀打开之后停车,则只进行炉膛

吹扫,风机不停；

C．若在液化汽阀打开之前停车,则两种吹扫均不进行,风机不停。

3．4加热炉自动点炉停炉程序软件设计（梯形图）

3．5自动点炉停炉程序设计时应注意的问题：

在启停程序的设计上充分考虑了各种工艺因素，以确保一次点炉成功。

3．5．1点火成功与否的重要关键在于点火时主要参数的协调,也即风油的配比,尤其风必须兼顾液化汽和油,在开车前经过多次试验得出一个满意的风油流量以及风油阀门开度,把这个状态作为开车的一个条件,进入开车联锁,保证每次点火均处于一个点火的最佳状态,确保点火的成功与稳定（即点炉条件1）.

3．5．2时序也是程序成败的关键问题,在时序安排上重点考虑：

（1）刚起动时,风阀必须处于全关状态,以免风机过载（即点炉

步骤2和3）；

（2）大风吹扫后至点火必须保证足够时间,以免风阀没有到位,风量过大而吹灭火焰.即点炉步骤7，此时间选择为10秒；

（3）液化汽与燃油重叠时间必须恰当（不能太短也不能太长）.即点炉步骤14，重叠时间定为30秒；

（4）液化汽阀和点火变压器（点炉步骤8）,雾化蒸汽阀和燃油阀（点炉步骤12）的打开次序必须充分考虑各个系统的充填时间,否则可能积存可燃物引起爆燃或者造成点火困难,当然这个充填时间是在开车前试验基础上确定的.为此,在编程时舍弃了惯用的鼓式时序器的编程方法,全部采用了计时器这一逻辑元件,虽繁琐一些,但在修改上十分方便简单,不用受时序器周期的限制,便于试验、修改,得出适合该系统的令人满意的最佳时序。

3．5．3报警联锁既要保证系统的安全可靠,也要保证正常点火及运行,处理不当往往引起不必要的联锁,造成点火失败以及不必要的停车.

有些联锁是在工作后一定时间才能正常,例如风机风量;有的要在阀门打开后,才能正常,例如喷前雾化汽压力;有的则在阀门打开后,由于管路充满会引起瞬间一段时间的不正常,例如喷前油压（点炉步骤13，雾化汽、燃油压力低投联锁）;而有的却又是分阶段,例如火焰,点炉前应保证炉膛无火（点炉步骤1，火焰解锁）,而一旦点燃后,无火又是属于故障状态（点炉步骤9，火焰投入联锁）.所以正确处理各个联锁点的关系是一个重要而又慎重的问题.

3．5．4把复位列为开车条件之一,保证程控器在开车时均处于原始状态.即开车条件4

3．5．5进/回油阀是以相反的逻辑关系存在于时序中,即使在手

动操作中也是处于非的关系,确保两者不能同时开或关.（程序网

络7）。

3．5．6采用了延迟联锁,程控器确认故障发生后,才发出联锁信号,执行停机程序,避免误判,误动作.（程序网络14）

4加热炉串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制

4．1串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制的原理分析

串级双交叉限制残氧校正的燃烧控制系统原理图如下

所示:

4．1．1剩余空气系数的概念：

为了使燃料充分燃烧必须供给足够量的空气,即保证一定的剩余空气系数μ或空燃比r.它们的定义分别为:

实际空气量Fa

μ=-------------------=--------------

理论空气量AoFf

Fa/Famax

γ=------------

Ff/Ffmax

其中,Fa和Famax分别为空气流量的测量值和最大值,Ff和Ffmax分别为燃料流量的测量值和最大值,Ao为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量.

空燃比γ与剩余空气系数μ的关系为:

γ=β×μ

其中,β称为量程修正系数,它的计算式为:

β=AoFfmax/Famax

当剩余空气系数μ=1.02—1.10时,燃烧热效率最高,称为最佳燃烧区.μ值过小,空气量不足,燃料不完全燃烧,烟囱冒黑烟,不仅热损失增加,而且污染环境;反之,μ值过大,空气量过剩,剩余的热空气随烟气排入大气,不仅增加了排烟热损失，而且还会产生大量的NOx、SOx气体污染环境。

也就是说,燃料燃烧过程中剩余空气系数μ与燃烧热效率直接相关.

加热炉的燃料燃烧过程中,不仅要保证稳态情况下的剩余

空气系数μ一定,更重要的是在加热炉热负荷发生变化的动态情况下,保证μ仍维持在合理的范围内.

4．1．2双交叉限制燃烧控制系统原理分析：

在双交叉限制燃烧控制系统原理图中,HS1、HS2为高值选择器,LS1、LS2为低值选择器，+a1（%）、+a4（%）为正偏置,-a2（%）、-a3（%）为负偏置,用来实现燃料和空气流量之间的相互制约,从而保证炉子负荷扰动过程中,既限制了剩余空气系数μ的下限值,又限制了μ的上限值,使得燃料流量Ff和空气流量Fa分别限制在冒黑烟界线和空气剩余界线之内,如下图所示:

图3：

负荷变动时各信号的过渡过程曲线

双交叉限制燃烧控制系统的工作原理如下:

在燃料流量调节回路中,炉出口热媒温度调节器的输出信号A,与根据空气流量测量值Fa算出的所需燃料流量减去偏置a3（%）得到的信号C

a3Fa

C=（1-----------）--------

100γ

和根据空气流量测量值Fa算出的所需燃料流量加上偏置a1（%）得到的信号B

a1Fa

B=（1+---------）-------

100γ

相比较,由高值选择器HS2和低值选择器LS1来选通A、C、B之一作为燃料流量调节器的给定值Sf

在空气流量调节回路中,炉子热媒温度调节器的输出信号A,与燃料流量测量值Ff加上偏置a4（%）得到的信号E

E=（1+---------）Ff

100

和燃料流量测量值Ff减去偏置a2（%）得到的信号D

D=（1----------）Ff

100

相比较,由低值选择器LS2和高值选择器HS1来选通A、E、D之一,再乘以空燃比γ作为空气流量调节器的给定值Sa.

图3表示出了当负荷变动时,双交叉限制燃烧控制系统中各信号的过渡过程.下面分别对负荷稳定、升负荷和降负荷这三种状态进行分析.

（1）系统处于稳定状态时,热媒温度调节器的输出信号A同时作为燃料和空气流量调节回路的给定值信号,此时剩余空气系数等于给定值μs,如图3（d）所示.

（2）当升负荷时,信号A急剧上升,发生正跳变,如图3（a）.先看空气流量调节回路的情况,见图3（c）.此时AE时,LS2选通E,A被中断,同时E>D,HS1又选通E,再乘以γ作为空气流量给定值Sa,使空气流量随着E值的增加而增加,即空气流量随着燃料流量增加而增加,交叉限制开始.当E增加到E>A时,LS2选通A,E被中断,同时A>D,HS1又选通A,再乘以γ作为空气流量给定值Sa,交叉限制结束,此时系统恢复到稳定状态;再看燃料流量调节回路的情况,见图3（B）.此时A>C,HS2选通A.当A正跳变到A>B时,LS1又选通B,A被中断,B作为该回路的燃料流量给定值Sf,使燃料流量随着B值的增加而增加,即燃料流量随着空气流量的增加而增加,交叉限制开始.当B增加到B>A,同时A>C,HS2选通A,LS1也选通A,A作为该回路的燃料流量给定值Sf,交叉限制结束,此时系统恢复到稳定状态.至此,升负荷的过渡过程结束.在这个动态过程中,燃料流量和空气流量互相影响交替增加.

（3）当降负荷时,信号A急剧下降,发生负跳变,如图3（b）.先看燃料流量回路的情况,见图3（b）.此时A>C,HS2选通A.当A负跳变到A

通过上述分析和图3所示的曲线可知,当升负荷时,由于信号A急增,偏置a1（%）和a4（%）分别给燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值一个增量,信号B和E使燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值既受到限制又交替上升;反之,当降负荷时,由于信号A急减,偏置a3（%）和a2（%）分别给燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值一个减量,信号C和D使燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值既受到限制又交替下降.

从图3所示的曲线可以看出,该系统对燃料流量和空气流量既规定了冒黑烟界线,又规定了空气剩余界线.当系统处于稳定状态时,剩余空气系数等于给定值μs.在升、降负荷的动态过程中,不但升负荷时剩余空气系数μ不低于防止冒黑烟的下限值,即μ≤（μs-a1）;而且降负荷时剩余空气系数μ又不高于规定的上限值,即μ≤（μs+a3）.由于该系统对剩余空气系数μ作了双向限幅,故取名为双交叉限制.从而使燃烧过程无论在稳定状态还是动态过程都能保持在最佳燃烧区,达到防止冒黑烟、防止污染和节能的目的.

系统中设置的四个偏置+a1（%）、-a2（%）、-a3（%）和+a4（%）的作用如下:

（1）在动态过程中可以起到限幅作用,当升负荷时,+a1（%）作为防止冒黑烟的界线设定;+a4（%）作为空气过剩的界限设定；反之,当降负荷时,-a3（%）作为空气过剩的界线设定,-a2（%）作为冒黑烟的界限设定.

（2）补偿空气和燃料流量回路间特性的差异,可以通过选择a4（%）>a1（%）,当升负荷时多增加一些空气流量,实现”先增加空气后增加燃料”;选择a3（%）>a2（%）,当降负荷时多减少一些燃料,实现”先减少燃料后减少空气”.这样,不仅可以使燃料和空气流量的变化速度相协调,而且可以解决因燃料流量调节阀的动作快,往往空气流量调节阀跟不上而失调,引起冒黑烟的问题.

（3）在稳态过程中防止空气和燃料流量的波动,+a1（%）和-a3（%）可以防止因空气流量的波动而引起燃料流量的波动;而-a2（%）和+a4（%）可以防止因燃料流量的波动而引起空气流量的波动.这就相当于设置了一个死区,可以防止干扰和改善系统的响应特性.

四个偏置+a1（%）、-a2（%）、-a2（%）和+a4（%）的取值与系统对负荷响应速度和节能效果有关.从节能的观点看,希望四个偏置的取值小点,但这样一来会使系统对负荷响应速度变慢,此外,由于燃料、空气流量的随机波动是不可避免的,为了防止由此而引起

的高值、低值选择器不必要的频繁切换给系统带来的扰动,也必须用偏置来给系统设置一定的死区,所以希望四个偏置的取值大点.综合考虑节能效果（即μ值的变化量）和系统对负荷响应的快速性这两方面的影响,并通过实验,可选择a1=a2=2%--5%,a3=a4=4%--10%.如果要求调节过程短,则取上述偏置的上限值;如果着眼于最大限度节能,则取上述偏置的下限值.

双交叉限制燃烧控制系统的优点是对剩余空气系数μ进行双向限幅,保证燃烧始终维持在最佳燃烧区,有利于节能.

为了节能和合理燃烧而选择小的剩余空气系数μ值来实现低氧燃烧,μ的理论值是1,一般选用μ=1.02—1.10.众所周知,决定加热炉燃烧状况的因素很多,各种干扰的出现也很频繁,因此很难维持μ值不变.例如,由于燃料和空气流量测量引入的误差,这两个流量控制回路的各项参数调整存在误差,燃料热值波动,烧嘴特性变化等等,往往使剩余空气系数的实际值μ与给定值μs间有较大的差异.此外加热炉进料和出料时空气进入,炉压变化引起炉子漏风等因素,也会引起炉内实际空气燃料配比的变化.为此,在双交叉限制燃烧控制系统中引入炉子排烟含氧量对剩余空气系数μ的校正,实现了氧量闭环控制,从而保证了炉子处于最佳燃烧状态.图3中氧量调节器的输出信号作为交叉限制回路中的乘法器（×γ）和除法器（÷γ）的输入之一,对空燃比γ进行修正,用来动态校正剩余空气系数μ.

4．2串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的硬件组成：

以我厂缩聚装置的导生炉燃烧控制系统为例,其硬件是由两台PMK可编程序调节器构成的.PMK是采用微处理机的单回路调节器,它的使用方法与模拟仪表完全一样,是一种具有丰富的控制运算功能,性能价格比高的灵活的调节器,它既减少了仪表数量,简化了系统,又提高了可靠性。

串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的硬件组成如下图所示：

4．3串级双交叉限制残氧校正燃烧控制系统的软件设计：

4．3．1PMK1导生温度燃料油流量回路软件设置：

如图4所示。

其中模块21、22、23为一次PID调节模块；

模块41、42、43、44为二次PID调节模块；

模块64为乘法运算模块；

模块63为减法运算模块；

模块C1为加法运算模块；

模块08为选择器模块；

模块67为切换模块；

模块01为显示模块；

模块02为输出模块；

模块06为脉冲宽度积算模块；

模块61为开方运算模块；

（1）基本通路的设置：

地址

设置

说明

AD-00

PMK

AD-01

固定

AD-02

第一控制块PID

AD-03

固定

AD-04

使用模块数24

AD-05

运算周期0.2秒

AD-06

站号

AD-07

模入异常检查

AD-08

脉宽输入时间

AD-09

脉宽输出

AD-0A

第1控制块前面板报警和正反动作

AD-0B

第1控制块前面板报警和正反动作

（2）范围通路的设置：

地址

设置

说明

Dim01

4000

第一控制块全刻度

Dim02

2000

第一控制块基值

Dim03

第一控制块小数点位置

Dim04

不能设定

Dim05

不能设定

Dim06

11000

第二控制块全刻度

Dim07

第二控制块基值

Dim08

第二控制块小数点位置

Dim09

不能设定

（3）第一控制块通路的设置:

通道

略号

名称

设置值

说明

1st01

Mode

操作状态

16进制

不能设定

1st02

ALM

报警

16进制

不能设定

1st03

测量值

工业值

不能设定

1st04

给定值

300

工业值

1st05

操作输出

不能设定

1st06

Cas

远程给定值

工业值

不能设定

1st07

偏差

不能设定

1st08

△MV

操作输出增量

不能设定

1st09

偏差绝对值上限

100

1st10

给定值上限

350

工业值

1st11

给定值下限

200

工业值

1st12

测量值上限

340

工业值

1st13

测量值下限

工业值

1st14

操作输出上限

100

1st15

操作输出下限

1st16

△PV/△T

测量变化率上限

100

每个基本周期变化率

1st17

控制周期

0.2

秒

1st18

比例带

1st19

积分时间

秒

1st20

微分时间

秒

1st21

滤波时间常数

秒

1st22

GAP

不灵敏区

1st23

△MVH/DT

操作输出变化率上限

100

（4）第二控制块通路的设置:

通道

略号

名称

设置值

说明

2nd01

Mode

操作状态

16进制

不能设定

2nd02

ALM

报警

16进制

不能设定

2nd03

测量值

工业值

不能设定

2nd04

给定值

300

工业值

2nd05

操作输出

不能设定

2nd06

Cas

远程给定值

工业值

不能设定

2nd07

偏差

不能设定

2nd08

△MV

操作输出增量

不能设定

2nd09

偏差绝对值上限

100

2nd10

给定值上限

1100

工业值

2nd11

给定值下限

工业值

2nd12

测量值上限

1100

工业值

2nd13

测量值下限

工业值

2nd14

操作输出上限

105

2nd15

操作输出下限

2nd16

△PV/△T

测量变化率上限

100

每个基本周期变化率

2nd17

控制周期

0.2

秒

2nd18

比例带

2nd19

积分时间

秒

2nd20

微分时间

秒

2nd21

滤波

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