李欽柯 涂 玲 鄭金吾

(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

加熱爐是石油、化工及冶金等行業(yè)中重要的加熱設(shè)備，其任務(wù)是將物料加熱到工藝要求的溫度，在保證質(zhì)量、產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，盡量提高熱效率、減少有害氣體排放[1]。加熱爐的工作狀態(tài)將直接影響后序的工藝操作。

加熱爐具有時(shí)變、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合及大慣性等特點(diǎn)。爐內(nèi)熱交換情況非常復(fù)雜，除有關(guān)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的機(jī)理外，還有壓力、各段之間相互影響等很多不確定因素[2]。筆者根據(jù)加熱爐的工藝流程，通過(guò)分析其對(duì)象特性，并考慮節(jié)能減排的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)方案，包括物料入口流量控制系統(tǒng)、煙氣含氧量控制系統(tǒng)、爐膛壓力控制系統(tǒng)和物料出口溫度控制系統(tǒng)。

1 控制方案設(shè)計(jì)①

1.1 物料入口流量控制系統(tǒng)

被加熱物料的入口流量對(duì)最終產(chǎn)品的溫度有很大的影響，由于流量調(diào)節(jié)通道時(shí)間常數(shù)較小，響應(yīng)較快，因此采用單回路控制即可滿(mǎn)足控制要求。在流量控制回路中，流量控制器的選用比例積分(PI)控制器，控制回路如圖1所示。

圖1 物料流量單回路控制框圖

1.2 煙氣含氧量控制系統(tǒng)

煙氣含氧量控制系統(tǒng)的主要目的是保證充分燃燒，使加熱爐燃燒狀況正常、平穩(wěn)，釋放的有害氣體最少。同時(shí)，為防止過(guò)?？諝鈳ё哌^(guò)多的熱量，空氣剩余量也不能太大[3]。

加熱爐控制系統(tǒng)中裝有在線(xiàn)分析檢測(cè)儀表檢測(cè)煙氣的含氧量。燃燒的實(shí)際狀況可以從加熱爐的煙道氣氧含量判斷，在燃燒過(guò)程中，燃燒越充分，在煙氣中含有的氧氣量越少。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)，設(shè)計(jì)空氣-燃料的變比值控制系統(tǒng)。該變比值控制系統(tǒng)既能消除各種擾動(dòng)對(duì)加熱爐溫度的影響，又能通過(guò)對(duì)煙道含氧量的監(jiān)測(cè)，把空氣和燃料調(diào)整到最佳比例，從而避免空氣量不足或過(guò)剩帶來(lái)的不良影響，實(shí)現(xiàn)最佳燃燒控制[4]。本設(shè)計(jì)中空氣-燃料比值系數(shù)根據(jù)煙道含氧量的變化而變化，根據(jù)氧含量分析值，通過(guò)主控制器改變?nèi)剂吓c空氣流量控制器的設(shè)定值，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的變比值控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.3 爐膛壓力控制回路

為了保證加熱爐安全的運(yùn)行，并具有較高的燃燒效率，加熱爐內(nèi)必須保持一定范圍的微負(fù)壓。若爐膛壓力過(guò)低，會(huì)影響燃燒效率；爐膛壓力過(guò)高，則容易引發(fā)事故。

對(duì)爐膛負(fù)壓的主要影響因素是煙囪的出口風(fēng)量，而煙囪的出口風(fēng)量受煙道擋板開(kāi)度的控制。在控制過(guò)程中，選擇加熱爐出口風(fēng)量為操作變量，爐膛壓力為被控變量，形成單回路控制系統(tǒng)。由于引起爐膛壓力變化的干擾有燃料流量、空氣流量及爐膛溫度等，其中最主要的干擾是進(jìn)入爐膛的空氣流量。因此加入前饋補(bǔ)償控制，當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí)，前饋控制器發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)時(shí)控制量作相應(yīng)的變化，在偏差產(chǎn)生前，通過(guò)控制作用及時(shí)抵消干擾作用[5]。爐膛負(fù)壓前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 煙氣含氧量變比值控制系統(tǒng)框圖

圖3 爐膛負(fù)壓前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖

1.4 爐出口溫度控制

燃料在加熱爐內(nèi)燃燒釋放能量，使物料加熱。經(jīng)過(guò)分析，影響物料出口溫度的因素包括：物料入口流量、燃料流量、燃料組分、進(jìn)爐空氣量以及空氣溫度等。在這些因素中，對(duì)物料出口溫度影響最大的是燃燒狀況。因此，物料出口溫度控制系統(tǒng)采用溫度-燃料量串級(jí)控制系統(tǒng)，主被控變量為物料溫度，副被控變量為燃料量。同時(shí)，針對(duì)燃料燃燒對(duì)溫度控制滯后的特性，加入物料入口流量的前饋控制，當(dāng)物料入口流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)前饋控制器的補(bǔ)償作用，價(jià)低物料出口溫度的波動(dòng)，并盡可能的縮短其響應(yīng)時(shí)間。爐出口溫度串級(jí)-前饋控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 爐出口溫度串級(jí)-前饋控制系統(tǒng)框圖

2 控制功能實(shí)施

2.1 強(qiáng)制通風(fēng)加熱爐工藝流程簡(jiǎn)介

SMPT-1000加熱爐系統(tǒng)的工藝流程如圖5所示，主要包括供熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)3部分。

2.1.1供熱系統(tǒng)

空氣經(jīng)過(guò)變頻鼓風(fēng)機(jī)K1101鼓入到加熱爐中，燃料經(jīng)過(guò)燃料泵P1102送入到加熱爐中，燃料流量管線(xiàn)上設(shè)有調(diào)節(jié)閥FV1104。燃料和空氣在加熱爐中混合燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔夂湍芰渴贡患訜嵛锪仙郎亍?/p>

2.1.2換熱系統(tǒng)

冷物料經(jīng)過(guò)上料泵P1101排出，進(jìn)入換熱器E1101管程預(yù)熱，同時(shí)對(duì)物料的出口溫度微調(diào)，流量管線(xiàn)上設(shè)置有調(diào)節(jié)閥FV1101控制物料的流量。

出換熱器E1101管程的物料，進(jìn)入加熱爐F1101的對(duì)流段。加熱爐對(duì)流段由多段盤(pán)管組成，燃料和空氣在加熱爐內(nèi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c進(jìn)入對(duì)流段的物料進(jìn)行換熱操作，物料出加熱爐對(duì)流段后進(jìn)入加熱爐的輻射段進(jìn)行進(jìn)一步的加熱操作，從加熱爐輻射段出來(lái)的高溫物料再一次進(jìn)入換熱器E1101中，進(jìn)行溫度微調(diào)處理，作為最終產(chǎn)品。

圖5 強(qiáng)制通風(fēng)加熱爐工藝流程

2.1.3排煙系統(tǒng)

加熱過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣由底部傳入煙道，煙囪使煙道處產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓將煙氣排出加熱爐，煙道內(nèi)設(shè)有擋板DO1101控制爐膛的壓力。

2.2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)。西門(mén)子PCS7系統(tǒng)是完全無(wú)縫集成的自動(dòng)化解決方案，可以應(yīng)用于所有的工業(yè)領(lǐng)域，包括過(guò)程工業(yè)、制造工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品。PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)所有的硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，可以根據(jù)需要選用不同的功能進(jìn)行組態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的控制方案通過(guò)PCS7提供的連續(xù)功能圖CFC來(lái)實(shí)現(xiàn)。CFC組態(tài)時(shí)比較重要的模塊主要有：模擬輸入(CH_AI)、模擬輸出(CH_AO)、加法模塊(ADD4_P)以及PID模塊(CTRL_PID)等。

加熱爐系統(tǒng)最終的控制要求是物料入口流量FI1101的范圍是±0.5kg/s，爐膛負(fù)壓范圍為-98～5 880Pa，煙氣氧含量AI1101范圍為1%～3%，溫度波動(dòng)范圍在±5℃。加熱爐煙氣氧含量變比值控制系統(tǒng)CFC組態(tài)如圖6所示。

圖6 煙氣氧含量變比值控制系統(tǒng)

在進(jìn)行變比值控制系統(tǒng)的CFC 組態(tài)時(shí)，被控變量的測(cè)量值要先通過(guò)模擬輸入模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將AI1101的V管腳與主控制器AIC1101的PV_IN管腳相連，作為主控制器的輸入；主控制器AIC1101的輸出LMN管腳與副控制器FIC1104的SP_EXT管腳相連，作為副控制器的外給定值。將FI1104 的輸出V管腳與FI1103的V管腳分別接入除法器DIV_R的IN1和IN2管腳，經(jīng)過(guò)除法運(yùn)算，經(jīng)由OUT管腳送至副控制器FIC1104的PV_IN管腳，作為副控制器的測(cè)量值；副控制器FIC1104的輸出LMN管腳與S1101的輸入U(xiǎn)管腳相連，然后將信號(hào)送到現(xiàn)場(chǎng)的鼓風(fēng)機(jī)變頻器。這樣，就組成了控制煙氣含氧量的變比值控制系統(tǒng)。

在組態(tài)的過(guò)程中，還需考慮手自動(dòng)無(wú)擾切換的問(wèn)題，即主控制器AIC1101的LMN管腳與副控制器FIC1104的輸入SP_EXT相連；同時(shí)，為防止級(jí)聯(lián)時(shí)再次閉合時(shí)發(fā)生變化，將主控制器的跟蹤輸入LMN_TRK與副控制器的SP輸出相連。組態(tài)完成后，在正常工況下整定PID參數(shù)，使系統(tǒng)滿(mǎn)足生產(chǎn)指標(biāo)，并具有一定抗干擾能力。

3 實(shí)施效果

實(shí)施效果如圖7所示，曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工況為：t1時(shí)刻，物料出口溫度設(shè)定值由200℃增至240℃；t2時(shí)刻，物料流量由31.0kg/s變?yōu)?7.0kg/s；t3時(shí)刻，物料流量由27.0kg/s變?yōu)?1.0kg/s；t4時(shí)刻，物料出口溫度設(shè)定值由240℃減至200℃；t5時(shí)刻，物料出口溫度設(shè)定值由200℃增至240℃。

圖7 加熱爐控制系統(tǒng)實(shí)施效果圖

由圖7的響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，在物料流量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象特性發(fā)生變化，但是物料出口溫度響應(yīng)迅速且達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，煙氣含氧量和爐膛壓力的波動(dòng)不大，且都在要求的范圍內(nèi)。結(jié)果表明，該加熱爐控制系統(tǒng)響應(yīng)速度比較快，并且具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，該加熱爐控制方案能夠達(dá)到較好的控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者綜合考慮了控制指標(biāo)、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境及安全等因素，設(shè)計(jì)了完整的加熱爐控制方案，并在SMPT-1000加熱爐單元上進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，控制結(jié)果表明，該加熱爐控制系統(tǒng)可以有效地運(yùn)行，滿(mǎn)足各種控制要求，對(duì)同類(lèi)型裝置方案的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。