先進控制系統在加熱爐優化控制中的應用

徐進濤　徐衛敏

(中國石化公司上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

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先進控制系統在加熱爐優化控制中的應用

徐進濤徐衛敏

(中國石化公司上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

摘要：介紹了加熱爐新增先進控制系統項目背景，裝置工藝概況，先進控制系統的結構組成，F801爐子先進控制方案，項目實施過程中遇到的技術問題、產生問題的原因以及解決方案，分析了加熱爐優化后帶來的經濟效益。項目實施后加熱爐不僅運行的更加平穩，而且更加節能。

關鍵詞：先進控制系統控制方案解決方案 經濟效益

某煉化企業為了實現“打造世界一流芳烴裝置”的目標，積極向國內外同類裝置學習，引進先進控制系統(APC)，希望通過APC項目的實施，可以改善過程動態控制的性能、減少過程變量的波動幅度，使之能更接近其優化目標值，從而使生產裝置在接近其約束邊界的條件下運行，最終達到增強裝置運行的穩定性和安全性、保證產品質量的均勻性、提高目標產品收率、增加裝置處理量、降低勞動強度、節約勞動力的使用、降低運行成本等目的[1]。

在加熱爐先進控制方案設計中，為了實現加熱爐平穩操作和降低裝置能耗這兩個目的，通過對加熱爐全面排查，決定通過設計加熱爐控制器對加熱爐的空氣配風量以及爐膛負壓進行優化控制，根據燃料氣的變化情況及時調整爐膛的配風和負壓，穩定加熱爐的煙氣中氧氣的體積分數和一氧化碳的體積分數，協調氧的體積分數和一氧化碳的體積分數關系，尋找最佳操作區域，提高加熱爐效率。同時對加熱爐優化還可以減少爐管局部過熱，保證各個爐管的壽命均衡。

1裝置工藝概況

該煉化企業二甲苯裝置F801A/B加熱爐余熱回收系統空氣的正常工藝流程為：大氣經過余熱回收系統空氣吸風口設備后，在經過引風機入口蝶閥HV82204后去引風機K905吸入口,作為預熱器E809的冷物料被溫度高的煙氣換熱，接著分成4路進入加熱爐參與燃料氣的燃燒，4路空氣流通量控制的調節閥分別為AV82201、AV82202、AV82203和AV82204，在爐中燃燒生成的煙氣經過加熱爐頂上的出口后去換熱器E809，作為熱物料給空氣加熱，接著經過鼓風機入口蝶閥HV82205，再由鼓風機K906后進入煙囪中。

2先進控制系統介紹

項目采用的是基于Aspen Tech公司DMCplus控制系統的APC系統，其核心內容是設備管理控制臺(DMC)控制器。

DMC控制器通過集散控制系統(DCS)上的APP節點與DCS系統進行數據通訊，從DCS系統上實時采集操作變量(MV)、控制變量(CV)，前饋變量(DV)的值，經DMC控制器的DMCplus Model模型計算得出操作變量MV的目標值，該值的計算依據是產品質量最佳、產量最高、物耗最低。實現操作變量MV目標值的控制器操作過程力求平穩并分布進行，以確保控制變量CV在合理上下線范圍內波動。操作變量MV的控制結果最終寫入DCS系統，從而實現整個控制器的閉環優化操作過程。其中預測、線性規劃、動態控制是DMCplus的重心所在，其控制過程依據DMCplus的離線模型[2]。

項目整體APC系統結構如圖1所示，整個系統由兩層網絡構成，第一層是APC系統局域網,第二層為公司的內部網，在局域網上有APC服務器、APP節點、冗余交換機，DCS系統通過OPC工業標準接口實現DCS系統與APC服務器之間的數據傳輸。而在公司內部網上主要由各類辦公電腦組成，而硬件防火墻作為公司內部網與局域網連接的關卡，只允許特定的IP賬號的用戶通過防火墻訪問APC系統服務器。

圖1　APC控制結構

3F801加熱爐先進控制方案

APC系統中加熱爐控制器控制方案中，加熱爐煙氣中氧的體積分數AI82201、AI82202、AI82203、AI82204，以及爐子煙道負壓PI82202、PI82203、PI82207、PI82208為被控變量，可以理解為加熱爐的工藝控制指標，即裝置生產中需要控制在一定范圍內的工藝指標。而AC82201.OP、AC82202.OP、AC82203.OP、AC82204.OP、PC82202.OP、PC82203.OP、PC82207.OP、PC82208. OP、HIC82204.OP、HIC82205.OP為控制變量，即加熱爐中氧的體積分數、煙道負壓的控制指標的實現是通過調整上述變量來實現的。以AI82201為例，煙氣中氧的體積分數控制策略為：當F801A爐子中氧的體積分數偏高時，則首先考慮減少對應爐子相應的空氣進風通道的流量，也就是將F801A的一通道進風量減小，即進氣閥AY82201的閥門開度減小，由于閥門AY82201為氣關閥，所以AI82201對于AC82201.OP的控制作用為正作用。當APC系統預測到僅僅是通過AC82201的OP開度調整還不能達到AI82201控制要求時，則此時APC控制系統的控制器會將鼓風機K905的入口蝶閥HY82204開度減小，以此減少總空氣管道的空氣流量，由于蝶閥HY82204為氣關閥，所以AI82201對于HIC82204.OP的控制作用為正作用。而煙道負壓的控制策略為(以被控變量PI82202為例)：當F801A爐子的煙道負壓偏高時，控制器首先需要將對應的煙道擋板PY82202的開度增大，由于煙道擋板為氣關閥，所有PI82202對PC82202.OP的控制作用為反作用。當APC系統預測到僅僅通過調整PC82202的OP值是不能達到PI82202的控制指標時，此時APC控制系統的控制器會將引風機K906的入口蝶閥HY82205開大，增大煙氣排放的流通空間，由于蝶閥HY82205為氣關閥，所以PI82204對于HIC82205.OP的控制作用為反作用。

4項目實施中遇到的問題及解決方案

4.1項目實施中遇到的問題

加熱爐配風控制器調試階段，發現引風機K905的入口蝶閥控制回路HY82204、鼓風機K906的入口蝶閥控制回路HY82205無法投用APC系統。

4.2原因分析

由于APC系統向DCS系統寫數據是通過DCS系統上的應用程序模塊來實現的，并且向DCS寫數據時，要求被控制的點為控制點且處于遠程串級模式，此時控制點的設定值來自于上一級控制算法。而研究發現HY82204、HY82205為全點類型的模擬量輸出點，為手動控制閥，未構成自控回路。目前HY82204、HY82205在手動模式，可以在DCS系統手動改變HY82204.OP、HY82205.OP的開度。

4.3解決方案

如果將控制方案改成簡單的單回路，由于無工藝參數測量點，導致比例-積分-微分控制(PID)控制點無法實現。經深入研究霍尼韋爾公司的DCS手冊，發現可以通過新建手/自動(AUTO/MAN)站點來實現，于是新建手/自動站點HIC82204、HIC82205，其中HIC82204.OP輸出作為閥門開度輸出點HY82204.OP的輸入，HIC82205.OP輸出作為閥門開度輸出點HY82205.OP的輸入。同時將HY82204、HY82205點的類型由全點改為半點。當HIC82204/HIC82205模式打在手動模式時，可以在DCS系統修改HIC82204/HIC82205的OP值，而當HIC82204/HIC82205模式打在遠程串級模式時，接受APC控制，通過APC系統來修改HIC82204/HIC82205的OP值。

4.4方案實施

APC系統項目是在裝置正常運轉期間實施的，由于加熱爐控制器實施過程中需要對DCS控制方案進行修改、下裝，但裝置處于正常運轉且無法停用，而在線組態修改存在閥門開度突然關閉的可能性，閥門關閉后輕則引起加熱爐出現悶爐，熄火情況，重則可能引起加熱爐閃爆事故。為了確保APC系統項目如期完成，又要確保裝置的正常運轉，特申請DCS系統控制方案在線修改重大作業申請，同時為了確保在線作業萬無一失，針對此次作業編寫了DCS控制方案組態修改作業票，明確每一步的操作內容、每一個步驟執行的確認，由對口專業、對口人確認情況。同時還編寫了HY82204、HY82205閥門異常關閉的應急預案。主要作業要點是首先將現場蝶閥的執行機構用定位銷固定住，同時在組態前通過現場切換開關切到手輪控制，閥門的開度不受DCS系統控制，組態完成后現場切換開關由手動控制切換到DCS控制，閥門開度由DCS系統控制。

4.5控制器投用效果

加熱爐氧的體積分數控制效果以AI82201為例，F801A爐子氧的體積分數AI82201的大小影響F801A爐的燃燒效率，過高會造成煙氣中氧氣體積分數偏大，使得部分熱量被帶走，過低則會造成燃料氣不能充分燃燒。控制器投用后，通過及時調整F801A爐子的風門調節閥AC82201開度和鼓風機入口進風蝶閥HIC82204的開度，氧的體積分數AI82201的測量值較投用之前更加穩定，基本穩定在2.5%左右，較之前的數據有所減小。控制器投用前AI82201情況見圖2所示，控制器投用后AI82201情況見圖3所示。

而加熱爐煙道負壓的投用情況以PI82204A為例，F801A爐子煙氣負壓PI82204A.PV的大小影響F801爐的操作，過高會增加操作難度、較容易引起爐子熄火、悶爐。過低則會導致加熱爐熱效率的降低。APC控制器通過及時調整F801A爐子煙道擋板PC82202的開度以及引風機K906入口蝶閥HY82205的開度去控制PI82204的測量值，PI82204.PV的值較投用前更加穩定，出現正壓情況減少。控制器投用前PI82202情況見圖4所示，控制器投用后PI82202情況見圖5所示。

圖2　控制器投用前AI82201的情況

圖3　控制器投用后AI82201的情況

圖4　控制器投用前PI82202的情況

圖5　控制器投用后PI82202的情況

5經濟效益核算

根據裝置提供的工藝臺賬進行能耗核算，發現每1 t產品可以節約0.390 kg標油，詳細數據請見表1。此次優化帶來的經濟效益=裝置的能耗降低值×裝置處理量×燃料油的單價=0.39 kg/t×3.04 Mt/a×3 000元/t=355.680萬元。

表1　控制器投用前后裝置能耗比較　　kg/t

6結語

F801加熱爐自投用APC系統后，加熱爐的氧氣的體積分數比以前低很多，而且控制狀態很穩定，同時加熱爐輻射室負壓控制狀態也更加的平穩。根據燃料氣、爐子氧氣的體積分數以及輻射室負壓的變化及時調整加熱爐的進風量和煙氣排放流量，讓裝置運行的更加平穩安全，降低了操作工的勞動強度，也降低了裝置的能耗。

參考文獻

[1]黃德先，葉心宇，竺建敏，等.化工過程先進控制[M].北京：化學工業出版社，2006：1.

[2]徐進濤.工業生產中先進控制系統數據安全性的改進[J].石油化工技術與經濟，2015，31(4)：55-58.

Application of Advanced Control System in Optimization Control of Heating Furnace

Xu Jintao,Xu Weimin

(AromaticsDivision,SINOEPCShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.，Shanghai200540)

ABSTRACT

Keywords：advanced control system,control scheme,solutions,economic benefit

收稿日期：2016-01-12。

作者簡介：徐進濤，男，1987年出生，2010年畢業于常州大學自動化專業，工學學士，工程師，主要從事于儀表管理工作，已發表論文多篇。

文章編號：1674-1099(2016)02-0051-04中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

The advanced control system was newly adopted for the heating furnace.The project background,process profiles of the plant,structure of the advanced control system,advanced control scheme for F801 furnace,technical problems encountered in the implementation process,and the causes and resolutions of problems were mainly introduced.The economic benefits after optimization of heating furnace were analyzed.After implementation of the project,the heating furnace run more smoothly,and became more energy efficient.