婁敏虹(南京龍源環(huán)保有限公司，江蘇南京210012)

油/氣混合燃燒熱媒加熱爐的自動控制

婁敏虹(南京龍源環(huán)保有限公司，江蘇南京210012)

本文以揚(yáng)子-伊士曼C5石油樹脂裝置的熱媒加熱爐為例，結(jié)合單一的或任意比例燃料油/氣混合燃燒控制的技術(shù)要求，介紹了該系統(tǒng)自動控制的特點。

熱媒爐;控制系統(tǒng);油/氣混燒;任意比例;無擾動;燃料切換

1 工藝流程簡介

揚(yáng)子-伊士曼C5石油樹脂裝置依據(jù)美國伊士曼化學(xué)公司的C5石油樹脂生產(chǎn)工藝技術(shù)，主要以單鍵和雙鍵的C5混合物流為原料，通過原料的預(yù)處理、催化聚合和樹脂加氫等工藝過程，生產(chǎn)用途廣泛的C5石油樹脂產(chǎn)品。該工藝的催化聚合反應(yīng)需要在一定的溫度下進(jìn)行，且為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，溫度控制精度要求很高，為此設(shè)有一套熱媒加熱爐系統(tǒng)。

該熱媒加熱爐系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油Therminol 66作為載熱體，采用燃料油及乙烷氣為燃料。由于作為燃料的粗燃料油為樹脂工段分離出的重組分混合物，因此在裝置開車時只能先以乙烷氣為燃料。待裝置生產(chǎn)正常后逐漸切換為以燃料油為主燃料，以乙烷氣為輔燃料。在正常情況下，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)將調(diào)整燃料油流量以適應(yīng)負(fù)荷的變化。然而由于樹脂工段分離出的燃料油量不穩(wěn)定，有時會不滿足燃燒熱負(fù)荷要求或當(dāng)燃料油系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，則需自動將燃料氣切換為主燃料。本系統(tǒng)帶控制點工藝流程簡圖見圖1。

2 熱媒加熱爐系統(tǒng)控制要求

根據(jù)以上工藝特點，對該熱媒加熱爐系統(tǒng)的燃燒控制系統(tǒng)有如下的技術(shù)要求：

l要求燃料油/氣可以任意比例平穩(wěn)切換。可以在單一的或任意燃料油/氣比例下實現(xiàn)安全穩(wěn)定而完全的燃燒。任何情況下切換時，必須保證系統(tǒng)在不同工況下的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行熱效率始終保持在≥85%以上、過剩空氣系數(shù)≤20%，即盡量減小排煙熱損失及化學(xué)不完全燃燒損失。

l保證油/氣燃料切換過程中熱媒的出口溫度波動在±3°C以內(nèi)。

l自動啟，?！_保加熱爐點火、關(guān)機(jī)按預(yù)定程序進(jìn)行，提高可靠性。

l自動調(diào)節(jié)熱負(fù)荷——確保加熱爐運(yùn)行不用人工干預(yù)。

l完整的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，報警時有屏幕顯示及音響——確保加熱爐運(yùn)行可靠。

3 控制方案

該熱媒爐的主要控制指標(biāo)是熱媒的出口溫度，即通過自動調(diào)節(jié)燃?xì)饬俊⑷加土亢椭硷L(fēng)量，并采用熱媒出口溫度與燃料流量的串級控制，來保持熱媒出爐溫度穩(wěn)定。為了保證實現(xiàn)安全穩(wěn)定和完全的燃燒，需保持空氣流量與燃料流量恰當(dāng)?shù)谋戎?，因此，在正常的熱?fù)荷調(diào)節(jié)情況下，采用熱媒出口溫度與“空氣/燃料”比的串級比值雙交叉限幅控制系統(tǒng)，同時將煙氣殘氧信號引入燃燒控制系統(tǒng)，有效地控制熱媒爐實現(xiàn)“低氧燃燒”。采用氧量分析儀，對煙氣中的氧含量進(jìn)行在線分析，經(jīng)過非線性調(diào)節(jié)器修正空氣/燃料比，將實測空氣量修正為標(biāo)定含氧量之空氣量，保證系統(tǒng)處于最佳燃燒狀態(tài)，以達(dá)到提高熱效率的目的，控制原理詳見圖2。

通過仔細(xì)分析工藝特點，并考慮操作控制的可行性，采取的控制方案如下：首先判斷燃料油的供給狀況，依此確定操作控制三種基本模式。工程實施時，燃料油的供給狀況用燃料油罐的液位來判斷，根據(jù)液位情況分為三個工況：

第一種工況：當(dāng)液位處于高位H到中位M之間時，燃料系統(tǒng)只有油路通，此時加熱爐只燒燃料油。

第二種工況：當(dāng)液位處于中位M和低位L之間時，加熱爐處于油氣混燒階段。分二種情況：第一種情況是液位從高于中位M進(jìn)入此區(qū)間，此時燃料油仍為主燃料，參與串級調(diào)節(jié)，燃料氣為輔燃料，用定值調(diào)節(jié)；第二種情況是液位從低于低位L進(jìn)入此區(qū)間，此時燃料氣為主燃料，參與串級調(diào)節(jié)，燃料油為輔燃料，用定值調(diào)節(jié)。

第三種工況：當(dāng)液位處于低位L以下時，自動控制油路斷開，加熱爐被切換為純燒燃料氣。

上述三種工況的燃料切換自動完成，從而實現(xiàn)在單一的或任意燃料油/氣比例下安全穩(wěn)定而完全的燃燒。在正常的油氣混燒階段，燃料油和燃料氣只有一種燃料的調(diào)節(jié)器可以切換為串級調(diào)節(jié)狀態(tài)，以適應(yīng)熱負(fù)荷的變化，而另一種燃料為定值調(diào)節(jié)。當(dāng)燃料油為串級調(diào)節(jié)狀態(tài)時，燃料油流量調(diào)節(jié)器FIC-102給定值根據(jù)式（1）求出。當(dāng)燃料氣為串級調(diào)節(jié)狀態(tài)時，燃料氣流量調(diào)節(jié)器FIC-103給定值根據(jù)式（2）求出。由此實現(xiàn)任意燃料油/氣比例混燒時安全穩(wěn)定而完全的燃燒。

f油(x)=f熱(x)-f(x1)Eg/Eo(1)

f氣(x)=f熱(x)Eo/Eg-f(x2)Eo/Eg(2)

f熱(x)——主回路（TIC-101）校正后熱負(fù)荷下燃料的流量設(shè)定值

f油(x)——油氣混燒時燃料油的流量設(shè)定值(燃料油為串級調(diào)節(jié))

f氣(x)——油氣混燒時燃料氣的流量設(shè)定值(燃料氣為串級調(diào)節(jié))

f(x1)——經(jīng)熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化后燃料氣流量（燃料氣為定值調(diào)節(jié)）

f(x2)——經(jīng)熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化后燃料油流量（燃料油為定值調(diào)節(jié)）

Eo——燃料油熱值

Eg——燃料氣熱值

4 燃燒控制系統(tǒng)無擾動切換

該加熱爐不同操作控制模式間實現(xiàn)無擾動切換，并保證切換過程中導(dǎo)熱油加熱爐出口溫度嚴(yán)格地控制在±3°C以下，也是對控制系統(tǒng)的基本要求。根據(jù)圖2可知，燃料油/氣流量和空氣流量既可以獨立調(diào)節(jié)，又可以組成串級比值雙交叉限幅調(diào)節(jié)。在正常的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)情況下，燃料油和燃料氣只有一種燃料的調(diào)節(jié)器可以切換為串級調(diào)節(jié)狀態(tài)，以適應(yīng)熱負(fù)荷的變化，而另一種燃料為定值調(diào)節(jié)。在油氣混燒時，若用于熱負(fù)荷調(diào)節(jié)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，此燃料的調(diào)節(jié)器將自動切換為手動狀態(tài)“M”（MANAUL），另一種燃料的調(diào)節(jié)器將自動切換為串級狀態(tài)“C”（CASCADE）以適應(yīng)熱負(fù)荷的變化。這種主、輔燃料的切換對熱媒加熱爐的熱負(fù)荷來說是無擾動的。

在手動狀態(tài)時，采用過程變量跟蹤，即調(diào)節(jié)器的設(shè)定值跟蹤過程值。在自動狀態(tài)“A”（AUTO）時，采用設(shè)定值跟蹤，主調(diào)節(jié)器的輸出跟蹤副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，這樣保證了“M”、“A”、“C”各狀態(tài)間的無擾動切換。

5 控制器

熱媒加熱爐系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)采用德國西門子公司生產(chǎn)的SIMATIC SF300可編程序控制器（PLC）并配備人機(jī)接口OP37觸摸式操作面板。SIMATIC SF300是一種性能價格比較高的一體化式PLC，可采用梯形圖邏輯方法和級式語言對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。SIMATIC SF300具有模塊化，無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于安裝維護(hù)，易于升級擴(kuò)展等特點。OP37觸摸式操作面板可以指示系統(tǒng)的參數(shù)、流程以及報警，聯(lián)鎖等，使過程狀態(tài)和過程控制實現(xiàn)可視化。該P(yáng)LC通過通訊電纜與全廠DCS相連，可將部分重要參數(shù)輸出到DCS顯示，并可接收自DCS來的緊急停車信號。

6 結(jié)語

揚(yáng)子-伊士曼C5石油樹脂裝置投產(chǎn)以來，本套熱媒爐系統(tǒng)工作穩(wěn)定。在穩(wěn)定工作狀態(tài)，熱媒出口溫度波動不超過±1°C。燃料切換平穩(wěn)簡單，燃料切換時熱媒出口溫度波動不超過±3°C。助燃風(fēng)量與燃料流量配比合理，氧量控制準(zhǔn)確，點爐及運(yùn)行狀態(tài)均無冒煙現(xiàn)象。設(shè)計熱負(fù)荷及運(yùn)行熱負(fù)荷下其熱效率超過了85%的指標(biāo)。

[1]陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊（第三冊）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.1.

[2]潭希宙.熱媒爐的燃燒控制系統(tǒng).石油化工自動化.1999（6）:30-33.

[3]周俊.熱風(fēng)爐燃燒控制中的單交叉限幅.自動化與儀器儀表.2000（5）:54-55.

[4]揚(yáng)子-伊士曼C5石油樹脂裝置熱媒爐操作手冊.

婁敏虹（1973-），女，漢族,浙江天臺人，大學(xué)本科，工程師，研究方向為油/氣混合燃燒熱媒加熱爐的自動控制。