油/氣混合燃燒熱媒加熱爐的自動控制

婁敏虹(南京龍源環保有限公司，江蘇南京210012)

油/氣混合燃燒熱媒加熱爐的自動控制

婁敏虹(南京龍源環保有限公司，江蘇南京210012)

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

熱媒爐;控制系統;油/氣混燒;任意比例;無擾動;燃料切換

1 工藝流程簡介

揚子-伊士曼C5石油樹脂裝置依據美國伊士曼化學公司的C5石油樹脂生產工藝技術，主要以單鍵和雙鍵的C5混合物流為原料，通過原料的預處理、催化聚合和樹脂加氫等工藝過程，生產用途廣泛的C5石油樹脂產品。該工藝的催化聚合反應需要在一定的溫度下進行，且為了保證產品質量，溫度控制精度要求很高，為此設有一套熱媒加熱爐系統。

該熱媒加熱爐系統采用導熱油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，當負荷發生變化時，控制系統將調整燃料油流量以適應負荷的變化。然而由于樹脂工段分離出的燃料油量不穩定，有時會不滿足燃燒熱負荷要求或當燃料油系統出現故障時，則需自動將燃料氣切換為主燃料。本系統帶控制點工藝流程簡圖見圖1。

2 熱媒加熱爐系統控制要求

根據以上工藝特點，對該熱媒加熱爐系統的燃燒控制系統有如下的技術要求：

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

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。

l自動啟，停——確保加熱爐點火、關機按預定程序進行，提高可靠性。

l自動調節熱負荷——確保加熱爐運行不用人工干預。

l完整的安全聯鎖系統，報警時有屏幕顯示及音響——確保加熱爐運行可靠。

3 控制方案

該熱媒爐的主要控制指標是熱媒的出口溫度，即通過自動調節燃氣量、燃油量和助燃風量，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定。為了保證實現安全穩定和完全的燃燒，需保持空氣流量與燃料流量恰當的比值，因此，在正常的熱負荷調節情況下，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，同時將煙氣殘氧信號引入燃燒控制系統，有效地控制熱媒爐實現“低氧燃燒”。采用氧量分析儀，對煙氣中的氧含量進行在線分析，經過非線性調節器修正空氣/燃料比，將實測空氣量修正為標定含氧量之空氣量，保證系統處于最佳燃燒狀態，以達到提高熱效率的目的，控制原理詳見圖2。

通過仔細分析工藝特點，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，根據液位情況分為三個工況：

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

第二種工況：當液位處于中位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進入此區間，此時燃料油仍為主燃料，參與串級調節，燃料氣為輔燃料，用定值調節；第二種情況是液位從低于低位L進入此區間，此時燃料氣為主燃料，參與串級調節，燃料油為輔燃料，用定值調節。

第三種工況：當液位處于低位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，從而實現在單一的或任意燃料油/氣比例下安全穩定而完全的燃燒。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節器可以切換為串級調節狀態，以適應熱負荷的變化，而另一種燃料為定值調節。當燃料油為串級調節狀態時，燃料油流量調節器FIC-102給定值根據式（1）求出。當燃料氣為串級調節狀態時，燃料氣流量調節器FIC-103給定值根據式（2）求出。由此實現任意燃料油/氣比例混燒時安全穩定而完全的燃燒。

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）校正后熱負荷下燃料的流量設定值

f油(x)——油氣混燒時燃料油的流量設定值(燃料油為串級調節)

f氣(x)——油氣混燒時燃料氣的流量設定值(燃料氣為串級調節)

f(x1)——經熱負荷轉化后燃料氣流量（燃料氣為定值調節）

f(x2)——經熱負荷轉化后燃料油流量（燃料油為定值調節）

Eo——燃料油熱值

Eg——燃料氣熱值

4 燃燒控制系統無擾動切換

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

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

5 控制器

熱媒加熱爐系統的自動控制系統采用德國西門子公司生產的SIMATIC SF300可編程序控制器（PLC）并配備人機接口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進行設計開發。SIMATIC SF300具有模塊化，無排風扇結構，易于實現分布，易于安裝維護，易于升級擴展等特點。OP37觸摸式操作面板可以指示系統的參數、流程以及報警，聯鎖等，使過程狀態和過程控制實現可視化。該PLC通過通訊電纜與全廠DCS相連，可將部分重要參數輸出到DCS顯示，并可接收自DCS來的緊急停車信號。

6 結語

揚子-伊士曼C5石油樹脂裝置投產以來，本套熱媒爐系統工作穩定。在穩定工作狀態，熱媒出口溫度波動不超過±1°C。燃料切換平穩簡單，燃料切換時熱媒出口溫度波動不超過±3°C。助燃風量與燃料流量配比合理，氧量控制準確，點爐及運行狀態均無冒煙現象。設計熱負荷及運行熱負荷下其熱效率超過了85%的指標。

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

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

[3]周俊.熱風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。