中石油锦西分公司常减压南蒸馏加热炉优化控制改造方案(乐邦)

中石油锦西石化分公司常减压车间南蒸馏装置加加热热炉炉优优化化控控制制改改造造方方案案洛阳乐邦石化设备有限公司二○一二年三月洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司1中石油锦西石化分公司常减压车间南蒸馏装置加加热热炉炉优优化化控控制制改改造造方方案案1．编制依据1．1洛阳乐邦石化设备有限公司（乙方）委派技术人员于2012年2月24日对中石油锦西石化分公司（甲方）常减压车间进行了初步考察。甲方介绍了常减压车间南蒸馏和北蒸馏两套装置的基本情况，以及技术改造计划，并陪同乙方察看了生产现场的主要设备、中央操作控制室和DCS系统运行情况。双方就“炼油管式加热炉优化控制系统”开发与应用，进行了初步技术交流。1．2乙方在石化行业加热炉的综合节能技术改造中，重点推荐“高效燃烧器”和“加热炉优化控制系统”两项最新科技成果。燃烧器是加热炉的关键设备。基于乙方已取得专利的高效燃烧器，具有能使燃料与助燃空气以多种形式混合，达到快速、完全燃烧的优良特性，有效利用炉管的传热面积，大幅度提高了加热炉的热负荷和热效率。进一步采用加热炉优化控制的专有技术，对助燃空气进行有效的自动控制，使加热炉在整个生产运行周期内工况稳定，并趋向更合理的配风量，有利于降低排烟废气中的氧含量，最终达到更好的节能效果。1．3加热炉自动优化控制系统专有技术，从2003年已成功应用于中石化金陵分公司三套800万吨常减压加热炉，2010年8月，上海石油化工股份有限公司（上海金山石化）800万吨常减压装置加热炉自动优化控制系统投运，至今已经正常运行一年以上，取得了比较明显的节能效果。对该加热炉优化控制系统，用户给予了较好的评介。1．4甲方提供常减压车间南蒸馏装置加热炉工艺、设备和仪表、控制系统的基本情况，以及南蒸馏装置常压炉、减压炉的仪表位号等基础资料。1．5本方案为甲方常减压车间南蒸馏装置采用加热炉优化控制系统而编制。洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司22．主要功能2．1加热炉优化控制系统控制目标：被加热介质出炉温度稳定在设定范围（设定值±2℃）；自动控制达到辐射室顶部烟气O2含量≦3%，烟气CO含量≦100PPm；辐射室顶部负压目标值稳定在-20Pa～-30Pa范围内；优化加热炉内燃料的燃烧过程，在整个生产运行周期中，加热炉工况趋向稳定，降低消耗（节能幅度0.5%～2%）。提高炼油装置的整体自动化水平，减轻一线操作人员的劳动强度。实现节能降耗，减少污染物排放，有利于环境保护。2．2加热炉优化控制系统控制功能：2．2．1加热炉优化控制系统主要用于控制加热炉配风量，也可以说是通过合理控制加热炉的过剩空气系数，实现加热炉内燃料的燃烧过程的优化。加热炉自动优化控制系统，可以实现炉膛负压的优化控制、风机的优化控制；同时也可以在出口温度控制方面进行多变量、多目标优化，比常规PID做得更精确。2．2．2加热炉优化控制系统采用多种优化策略，能根据加热炉工况的变化，自动调整控制规律，适应系统中出现的各种干扰和工况的变化，在实现工艺要求前提下，以燃料消耗量最低作为控制目标，以相关的压力、流量、温度等多因素作为检测和控制的对象，解决仪表检测误差和执行机构不精确带来的诸多不利影响，使加热炉始终处于优化的高效运行状态。2．2．3根据辐射室顶部氧含量和其它相关工艺参数，通过变频调速或鼓风机阀门开度调节，调节总风量和各风道蝶阀的开度，实现每台加热炉供风量的优化和均衡调整，加热炉排烟中的氧含量控制在3%以下（主要燃料为瓦斯气）。2．2．4根据加热炉辐射室顶部负压和其它相关工艺参数，通过变频控制引风机转速，并结合对每台加热炉对流室出口的烟道挡板的调节，使加热炉辐射室顶部负压都控制在-20Pa～-30Pa范围内。洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司32．2．5调试屏幕显示加热炉排烟中的氧含量，排烟温度和热效率；显示多种操作优化控制数据的曲线；显示现场氧含量仪表自动检测的故障状况提示。3．改造方案3．1加热炉优化控制基本原理加热炉自动优化控制系统是在实现工艺介质出口温度稳定的前提下，以工艺介质压力、流量、温度、辐射室顶部负压、燃料量、辐射室顶部烟气O2含量、（CO含量）和排烟温度参数作为检测和控制对象，设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优参数组合。根据加热炉工况的变化，适应系统中出现的各种干扰，自动调整控制规律，确保被加热介质出口温度稳定在工艺要求范围内，并使加热炉的燃料消耗量最低，实现持久连续的、高效率的运行。图1加热炉优化控制原理图从图1优化控制原理图可以看出，加热炉自动优化控制系统的最大特点，克服了传统方法很难突破的单一回路控制的局限性，实现多变量、多目标的协洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司4同控制。包括以下几个方面：出口油温优化控制，替代DCS单回路常规的PID调节；空燃比的自动控制和优化；多种控制策略在线自动选择和组合；最佳氧含量控制目标值的设定和自动寻优；热风阀门、烟道挡板、鼓风机和引风机优化控制；建立操作数据库，在线自学习；优化过程参数在线自动整定。3．2加热炉优化控制系统架构加热炉优化控制系统是由工业控制计算机，彩色显示器、通讯服务器和自主开发的集成软件所组成。加热炉自动优化控制系统与工厂现有的DCS系统很好地整合在一起，实现原系统无法实现的多项控制功能，也可以说是相当于在现有的DCS系统中植入了创新的自动优化控制芯片。加热炉优化控制系统不直接与现场仪表和执行机构等发生关系，优化控制系统所需的所有数据，全部通过现有DCS系统获得，其中绝大部分可利用现有仪表位号的信号。加热炉优化控制系统从DCS中取得的相关数据，经过分析、优化和运算后得出最佳的控制输出，被传送到DCS系统中，然后由DCS送至现场执行机构，而不是由优化控制系统直接控制现场执行机构，这样既安全又可靠。加热炉优化控制系统的投入完全不影响现有DCS系统运行，除要求配备2个串行通讯接口外，不需要在现有装置上再增加仪表测点、执行机构和其他输入输出接口。加热炉自动控制系统和DCS系统是既有联系又相对独立的两个系统。无论在调试时或是投运后，在出现任何异常波动时，通过简单的切换操作，就可以很方便快速地切换回到原DCS系统控制的状态运行，保证非正常工艺状况下生产的连续进行，确保不会出现任何意外问题。在实施改造时，对原DCS系统所作相应修改的工作量也是最少的，安装和调试可以在不停车的条件下进行。洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司5图2加热炉优化控制系统结构示意图系统硬件构成如图2所示，图中切换开关为“软开关”，相当于DCS界面的操作“按钮”。实施改造后，只需要通过简单的组态修改就能实现。在DCS操作屏上点击各回路投运优化控制的切换开关，就可以方便地投入或退出优化控制运行状态。此架构确保了本方案的可靠性、安全性和经济性。3．3与DCS系统的通讯方式优化控制系统与现有装置DCS系统之间，需要通过专用的通讯接口来实现双向数据交换。本方案以Modbus通讯方式，并采用最新研发的更为安全、可靠和适用的通讯服务器模式，优化控制系统之Ⅱ型最新产品的硬件和软件组成。按照优化控制系统要求，包括甲方常减压车间南蒸馏装置两台加热炉各控制回路的温度、压力、流量和阀位信号，控制变量、状态识别信号和报警联络信号等。这些信号可划分为若干个区段，DCS系统发送给优化控制系统的加热炉相关位号输入变量和控制信号，加热炉优化控制系统发送给DCS系统的控制阀开度输出信号、报警信号和通讯状态识别信号。根据双方最终确定“通讯变量清单”，建立可靠的双向数据交换。DCS为主站，优化控制系统为从站。数据总量：DCS系统发送数据少于100个；接收数少于20个；数据刷新率：要求不大于2秒，考虑DCS系统负荷通过调试确定。根据初步考察，甲方常减压车间南蒸馏装置DCS系统中，现有1块串行通洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司6讯卡，其中包含的4个COM接口中目前只占用了1个。如果空余COM接口中还能提供2个COM接口，并满足加热炉优化控制所涉及位号的双向通讯数据，能在CP7071和CP7072控制器的本区段内组态连接数据通讯，就不需要再增加通讯卡组件。跨区段的数据通讯会增加CPU负荷，因此优化控制所涉及通讯变量尽可能不要跨越CPU区段，就不会增加现有DCS系统CPU负荷。如果需要另外增加一套MODBUS通讯卡组件。建议采用FBM224通讯卡，同时外加现场总线隔离器的硬件改造方案。FBM224通讯卡、安装底板、配套电缆，现场总线隔离器及配套附件，均可放置在现有DCS机柜的剩余空间。请甲方与DCS运行维护管理部门或者FOXBORO公司技术部门联系，予以确认或修改此解决方案。4．4在DCS系统的组态修改中，要求实现如下新增功能：新增串行通讯功能，实现优化控制系统工控机与DCS的双向数据交换；优化控制所涉及的各回路投运和退出的“切换开关”；DCS系统实时曲线和历史曲线，也应能记录优化控制的阀位输出；DCS系统与工控机通讯状态的监测和报警功能。加热炉优化控制投运后，DCS画面中显示来自优化控制系统、并已传送至现场执行机构的输出信号，其位号和数据的显示颜色，应当与原DCS系统显示的颜色有所区别，或添加标志图形。如果出现DCS与工控机之间的通讯故障，DCS画面显示来自优化控制系统的数据，应呈现特定的报警颜色，同时还要有系统的声响报警，及时提醒操作人员，采取必要的措施。上述有关的细节，将在优化控制系统改造的实施过程中，分阶段提供。4．5装置运行情况根据甲方提供常减压车间南蒸馏装置加热炉的基本情况，经过对现场的初步考察，目前装置的运行情况，简单描述如下：甲方常减压车间南蒸馏装置共有2台加热炉。F-1为常压炉，F-2为减压炉，其中常压炉为双炉膛，对流室双烟道；减压炉为单炉膛，对流室单烟道。常压洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司7炉3个烟道挡板、减压炉1个烟道挡板，都没有自控和遥控。常压炉和减压炉风道阀门的型号、规格不详。均无电动执行机构，只能现场手动操作。本套装置的最大特点，常压炉和减压炉的空气预热器，都是独立的热管式预热器；并且，常压炉和减压炉，共有4台风机都已采用变频调速控制。常压炉鼓风机K-1，型号G4-73-11，变频器VFP7-4900P，90kW；常压炉引风机K-3，型号Y4-73No.11D，变频器VFP7-4132KP，132kW。减压炉鼓风机K-2，型号G4-73-11，变频器VFP7-4450P，45kW；减压炉引风机K-4，型号Y4-73No.116D，变频器VFP7-4750P，75kW。常压炉以高压瓦斯和燃料油为主，并少量使用低压瓦斯。常压炉热烟气进热管空气预热器，温度为285℃；出预热器排放烟气温度约168℃。减压炉热烟气进热管空气预热器，温度为320℃；出预热器排放烟气温度约178℃。DCS温控回路为炉膛温度串级自动控制。常压炉东炉膛副回路TRC3104A（瓦斯），TRC3104B（燃料油）；西炉膛副回路TRC3102A（瓦斯）；TRC3102B（燃料油）。减压炉炉膛副回路：TRC4102A（瓦斯），TRC4102B（燃料油）。对流室负压表配置使用情况：常压炉对流室下部，东西两侧各有一个测点；减压炉对流室下部一个测点，使用情况良好。氧含量表配置使用情况：常压炉和减压炉氧含量表位于辐射室顶部，使用情况良好。没有一氧化碳检测仪表。进炉加工物料和燃料流量检测仪表配置使用情况：常压炉和减压炉均有进料量计量，高压瓦斯有计量表、燃料油为齿轮表，低压瓦斯无计量表。测量仪表使用情况较差，不能反映加热炉实时燃料消耗量与燃料消耗总量。4．6优化控制回路由于本装置2台加热炉的空气预热器是独立的，而且全部4台风机也都已采用变频调速，因此控制常压炉和减压炉各自鼓风机和引风机的转速，就能非常准确地控制常压炉和减压炉的热风鼓风量和炉顶负压，而不必涉及热风道阀门和烟道挡板的控制。优化系统的外部控制较为简单，初步拟定共有4个回路。洛洛阳阳乐乐邦邦石石化化设设备备有有限限公公司司8表1加热炉优化控制回路一览表（初稿）序号炉别炉号控