基于PCS的加熱爐控制系統設計

李欽柯 涂 玲 鄭金吾

(中國石油大學信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

加熱爐是石油、化工及冶金等行業中重要的加熱設備，其任務是將物料加熱到工藝要求的溫度，在保證質量、產量穩定的前提下，盡量提高熱效率、減少有害氣體排放[1]。加熱爐的工作狀態將直接影響后序的工藝操作。

加熱爐具有時變、非線性、強耦合及大慣性等特點。爐內熱交換情況非常復雜，除有關輻射、對流和傳導的機理外，還有壓力、各段之間相互影響等很多不確定因素[2]。筆者根據加熱爐的工藝流程，通過分析其對象特性，并考慮節能減排的目標，設計了一套加熱爐自動控制系統方案，包括物料入口流量控制系統、煙氣含氧量控制系統、爐膛壓力控制系統和物料出口溫度控制系統。

1 控制方案設計①

1.1 物料入口流量控制系統

被加熱物料的入口流量對最終產品的溫度有很大的影響，由于流量調節通道時間常數較小，響應較快，因此采用單回路控制即可滿足控制要求。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

煙氣含氧量控制系統的主要目的是保證充分燃燒，使加熱爐燃燒狀況正常、平穩，釋放的有害氣體最少。同時，為防止過剩空氣帶走過多的熱量，空氣剩余量也不能太大[3]。

加熱爐控制系統中裝有在線分析檢測儀表檢測煙氣的含氧量。燃燒的實際狀況可以從加熱爐的煙道氣氧含量判斷，在燃燒過程中，燃燒越充分，在煙氣中含有的氧氣量越少。為了實現節能、環保的目標，設計空氣-燃料的變比值控制系統。該變比值控制系統既能消除各種擾動對加熱爐溫度的影響，又能通過對煙道含氧量的監測，把空氣和燃料調整到最佳比例，從而避免空氣量不足或過剩帶來的不良影響，實現最佳燃燒控制[4]。本設計中空氣-燃料比值系數根據煙道含氧量的變化而變化，根據氧含量分析值，通過主控制器改變燃料與空氣流量控制器的設定值，使系統保持穩定。設計的變比值控制系統框圖如圖2所示。

1.3 爐膛壓力控制回路

為了保證加熱爐安全的運行，并具有較高的燃燒效率，加熱爐內必須保持一定范圍的微負壓。若爐膛壓力過低，會影響燃燒效率；爐膛壓力過高，則容易引發事故。

對爐膛負壓的主要影響因素是煙囪的出口風量，而煙囪的出口風量受煙道擋板開度的控制。在控制過程中，選擇加熱爐出口風量為操作變量，爐膛壓力為被控變量，形成單回路控制系統。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入爐膛的空氣流量。因此加入前饋補償控制，當干擾出現時，前饋控制器發出調節信號時控制量作相應的變化，在偏差產生前，通過控制作用及時抵消干擾作用[5]。爐膛負壓前饋-反饋控制系統框圖如圖3所示。

圖2 煙氣含氧量變比值控制系統框圖

圖3 爐膛負壓前饋-反饋控制系統框圖

1.4 爐出口溫度控制

燃料在加熱爐內燃燒釋放能量，使物料加熱。經過分析，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、進爐空氣量以及空氣溫度等。在這些因素中，對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采用溫度-燃料量串級控制系統，主被控變量為物料溫度，副被控變量為燃料量。同時，針對燃料燃燒對溫度控制滯后的特性，加入物料入口流量的前饋控制，當物料入口流量發生擾動時，通過前饋控制器的補償作用，價低物料出口溫度的波動，并盡可能的縮短其響應時間。爐出口溫度串級-前饋控制系統框圖如圖4所示。

圖4 爐出口溫度串級-前饋控制系統框圖

2 控制功能實施

2.1 強制通風加熱爐工藝流程簡介

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

2.1.1供熱系統

空氣經過變頻鼓風機K1101鼓入到加熱爐中，燃料經過燃料泵P1102送入到加熱爐中，燃料流量管線上設有調節閥FV1104。燃料和空氣在加熱爐中混合燃燒，產生高溫煙氣和能量使被加熱物料升溫。

2.1.2換熱系統

冷物料經過上料泵P1101排出，進入換熱器E1101管程預熱，同時對物料的出口溫度微調，流量管線上設置有調節閥FV1101控制物料的流量。

出換熱器E1101管程的物料，進入加熱爐F1101的對流段。加熱爐對流段由多段盤管組成，燃料和空氣在加熱爐內產生的高溫煙氣與進入對流段的物料進行換熱操作，物料出加熱爐對流段后進入加熱爐的輻射段進行進一步的加熱操作，從加熱爐輻射段出來的高溫物料再一次進入換熱器E1101中，進行溫度微調處理，作為最終產品。

圖5 強制通風加熱爐工藝流程

2.1.3排煙系統

加熱過程中產生的煙氣由底部傳入煙道，煙囪使煙道處產生負壓，負壓將煙氣排出加熱爐，煙道內設有擋板DO1101控制爐膛的壓力。

2.2 控制系統的實現

控制系統采用西門子PCS7過程控制系統。西門子PCS7系統是完全無縫集成的自動化解決方案，可以應用于所有的工業領域，包括過程工業、制造工業以及工業所涉及的所有制造和過程自動化產品。PCS7過程控制系統所有的硬件都基于統一的硬件平臺，可以根據需要選用不同的功能進行組態。整個系統的控制方案通過PCS7提供的連續功能圖CFC來實現。CFC組態時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，爐膛負壓范圍為-98～5 880Pa，煙氣氧含量AI1101范圍為1%～3%，溫度波動范圍在±5℃。加熱爐煙氣氧含量變比值控制系統CFC組態如圖6所示。

圖6 煙氣氧含量變比值控制系統

在進行變比值控制系統的CFC 組態時，被控變量的測量值要先通過模擬輸入模塊將模擬量轉化為數字量，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，經過除法運算，經由OUT管腳送至副控制器FIC1104的PV_IN管腳，作為副控制器的測量值；副控制器FIC1104的輸出LMN管腳與S1101的輸入U管腳相連，然后將信號送到現場的鼓風機變頻器。這樣，就組成了控制煙氣含氧量的變比值控制系統。

在組態的過程中，還需考慮手自動無擾切換的問題，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，為防止級聯時再次閉合時發生變化，將主控制器的跟蹤輸入LMN_TRK與副控制器的SP輸出相連。組態完成后，在正常工況下整定PID參數，使系統滿足生產指標，并具有一定抗干擾能力。

3 實施效果

實施效果如圖7所示，曲線對應的生產工況為：t1時刻，物料出口溫度設定值由200℃增至240℃；t2時刻，物料流量由31.0kg/s變為27.0kg/s；t3時刻，物料流量由27.0kg/s變為31.0kg/s；t4時刻，物料出口溫度設定值由240℃減至200℃；t5時刻，物料出口溫度設定值由200℃增至240℃。

圖7 加熱爐控制系統實施效果圖

由圖7的響應曲線可以看出，在物料流量發生變化時，對象特性發生變化，但是物料出口溫度響應迅速且達到穩態。同時，煙氣含氧量和爐膛壓力的波動不大，且都在要求的范圍內。結果表明，該加熱爐控制系統響應速度比較快，并且具有較強的抗擾動能力，該加熱爐控制方案能夠達到較好的控制效果。

4 結束語

筆者綜合考慮了控制指標、節約能源、保護環境及安全等因素，設計了完整的加熱爐控制方案，并在SMPT-1000加熱爐單元上進行了驗證。通過現場實施，控制結果表明，該加熱爐控制系統可以有效地運行，滿足各種控制要求，對同類型裝置方案的設計具有一定的參考價值。