管式加热炉自动控制系统的研制.pdf

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1、第8期韩红彪等．管式加热炉自动控制系统的研制管式加热炉自动控制系统的研制韩红彪李少兵(河南科技大学，河南洛阳471003)摘要为了提高管式加热炉的燃烧效率和自动化控制水平，研制出一套加热炉自动控制系统。该系统采用的PCS7分布式控制系统和故障安全型PLC实现硬冗余，操作员站、工程师站形成冗余监控系统有效实现了节能减排，明显提高了加热炉热效率，保证了加热炉安全可靠及平稳长期运行，提高了自动化操作水平和信息化水平。关键词管式加热炉控制系统冗余节能中图分类号TP277文献标识码B文章编号1000-3932(2011)0

2、8-0971-04管式加热炉在石油化工生产中起着十分重要的作用。它是炼油厂消耗燃料的主要设备，其能耗占装置总能耗的80％～83％。因此，降低加热炉燃料消耗，提高加热炉热效率，对降低装置能耗具有十分重要的意义。加热炉加热的是易燃、易爆的液体或气体，安全生产责任重大，确保加热炉安全、平稳及长周期运行是加热炉自动控制系统的首要任务⋯。如何提高加热炉的安全性、燃烧热效率和自动化操作水平，减少其对环境的污染等，已成为加热炉发展和研究的重要课题之一【2J。国外管式加热炉普遍采用DCS控制系统，热效率高(基本都在90％以上)，

3、且自动化程度高，可靠性高。国外有些企业还采用了FCS系统，使其控制更智能化，热效率更高，可靠性更强，也更适应于恶劣环境口]。在国内，各炼油厂管式加热炉的自动化程度不高，而且大部分是根据经验进行手工操作，对炉膛内的情况和燃烧状况不太了解，对传热分布难于控制，热效率不理想(90％以下)【4]。具有自动控制系统的管式加热炉大部分采用DCS控制系统，一般是随着整套工艺流程的生产线一块从国外引进的，但由于国内采用的燃料的品质和热值不稳定，造成加热炉不能正常工作，所以其自动控制部分常常被切换到一边而不使用。为了解决上述问题，

4、笔者设计开发了一套专门用于管式加热炉的自动控制系统，它既可独立运行，也可与DCS系统通信进行协调控制。国内对管式加热炉自动控制系统的研究多采用Ho—neywell公司或ABB公司的DCS系统b’6J，一些科研机构和学校对加热炉的燃烧和热效率的优化控制等也进行了研究一一引，但与本项目所设计的硬件系统和控制方式不同。1总体方案为实现加热炉的控制目标，设计其总体控制方案如图1所示。其控制方案主要包括：a．物料出炉温度控制。根据物料(被加热介质)出炉温度调节对应燃烧器的燃料量，保证物料出炉温度稳定在300℃(4-2。C)

5、。b．燃烧供风总量调节控制。根据辐射室顶部烟气中的氧含量，及时调整鼓风机出口调节阀开度(即调节供风量)，把出辐射室烟气中的氧含量控制在小于等于3％。c．辐射室顶部负压控制。根据辐射室顶部负压，及时调整烟道挡板的开度，把辐射室顶部负压控制在一20一一30Pa。d．炉膛电视监视。通过高温摄像监视燃烧器运行状况和辐射炉管及衬里使用情况。o．燃料油气的联锁控制。为了保证加热炉的安全运行，对燃料油的输入和输出、燃料气输入、废锅挡板、旁路挡板、快开风门以及引风机等进行联锁控制。f．自动点火及火焰检测系统联锁控制。对每套燃烧器

6、安装自动点火和火焰检测系统，实现加热炉开工及操作中燃烧器自动点火及火焰检测。收稿日期：2011-06-23(修改稿)化工自动化及仪表第38卷图1总体控制方案2硬件设计加热炉控制系统的硬件经比较后采用西门子的PCS7分布式控制系统。PCS7系统是完全无缝集成的自动化解决方案，可以应用于所有工业领域。PCs7主要包括Step7、CFC、SFC、SimaticNet、WinCC以及PDM等软件，其组态对象一般选用$7-400高端的CPU¨1

7、。PCS7控制系统具有如下优点：a．先进的分布式客户杌／服务器架构：b．强大的

8、HMI系统使用户界面友好；e．采用PROFIBUS现场总线使现场设备方便集成且控制室接线少；d．可在所有层级实现硬冗余，加上故障安全模块使系统更加可靠；e．通过SIMATICIT架构实现MES／ERP层级的接口；f．相对DCS和FCS，其性价比更高，利于降低成本。2．1硬件系统组成加热炉自动控制系统主要由控制软件和硬件系统组成，而硬件系统主要由自动点火装置、炉膛火焰监视装置、现场各开关量、模拟量输入输出装置、PLC控制系统及监控系统等组成。2．2控制系统的网络组态一套$7-414HF故障安全冗余系统和4个ET20

9、0子站通过PROFIBUS总线组成硬冗余的PLC系统，一个工程师站和一个操作员站通过冗余工业以太网组成上位机监控系统，并采用WINCC软件编写相应的监控界面。其网络组态配置如图2所示。$7-414HF故障安全冗余系统主要由一个UR2．H安装机架、两个$7-414-4H冗余可编程控制器、两个PS407电源模块、4块同步模块和两个以太网通讯模块CP443-1等组成，它们形成了