中石油錦西分公司常減壓南蒸餾加熱爐優(yōu)化控制改造方案設計設計樂邦

1、中石油錦西石化分公司常減壓車間南蒸餾裝置加熱爐優(yōu)化控制改造方案洛陽樂邦石化設備有限公司二O二年三月中石油錦西石化分公司常減壓車間南蒸餾裝置加熱爐優(yōu)化控制改造方案1 .編制依據(jù)1.1洛陽樂邦石化設備有限公司（乙方）委派技術人員于 2012年2月24日 對中石油錦西石化分公司（甲方）常減壓車間進行了初步考察。甲方介紹了常 減壓車間南蒸餾和北蒸餾兩套裝置的基本情況，以及技術改造計劃，并陪同乙 方察看了生產現(xiàn)場的主要設備、中央操作控制室和DCS系統(tǒng)運行情況。雙方就“煉油管式加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)”開發(fā)與應用，進行了初步技術交流。1 . 2乙方在石化行業(yè)加熱爐的綜合節(jié)能技術改造中，重點推薦“高效燃燒器”和“

2、加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)”兩項最新科技成果。燃燒器是加熱爐的關鍵設備。 基于乙方已取得專利的高效燃燒器，具有能使燃料與助燃空氣以多種形式混合， 達到快速、完全燃燒的優(yōu)良特性，有效利用爐管的傳熱面積，大幅度提高了加 熱爐的熱負荷和熱效率。進一步采用加熱爐優(yōu)化控制的專有技術，對助燃空氣 進行有效的自動控制，使加熱爐在整個生產運行周期內工況穩(wěn)定，并趨向更合 理的配風量，有利于降低排煙廢氣中的氧含量，最終達到更好的節(jié)能效果。1 . 3加熱爐自動優(yōu)化控制系統(tǒng) 專有技術，從2003年已成功應用于中石化金 陵分公司三套800萬噸常減壓加熱爐，2010年8月，上海石油化工股份有限 公司（上海金山石化）800萬噸常減

3、壓裝置加熱爐自動優(yōu)化控制系統(tǒng)投運，至 今已經(jīng)正常運行一年以上，取得了比較明顯的節(jié)能效果。對該加熱爐優(yōu)化控制精彩文檔系統(tǒng)，用戶給予了較好的評介 1 . 4甲方提供常減壓車間南蒸餾裝置加熱爐工藝、設備和儀表、控制系統(tǒng)的 基本情況，以及南蒸餾裝置常壓爐、減壓爐的儀表位號等基礎資料。1.5本方案為甲方常減壓車間南蒸餾裝置采用 加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng) 而編制2 .主要功能2 . 1加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)控制目標：-被加熱介質出爐溫度穩(wěn)定在設定范圍（設定值士 2C）;自動控制達到輻射室頂部煙氣 02含量三3% ,煙氣CO含量三lOOPPm ; 輻射室頂部負壓目標值穩(wěn)定在-20Pa-30Pa范圍內；優(yōu)化加熱爐內燃料

4、的燃燒過程，在整個生產運行周期中，加熱爐工況趨向穩(wěn)定，降低消耗（節(jié)能幅度 0.5%2% ）。-提高煉油裝置的整體自動化水平，減輕一線操作人員的勞動強度。實現(xiàn)節(jié)能降耗，減少污染物排放，有利于環(huán)境保護。2 . 2加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)控制功能：2 . 2 . 1加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)主要用于控制加熱爐配風量，也可以說是通過合 理控制加熱爐的過?？諝庀禂?shù)，實現(xiàn)加熱爐內燃料的燃燒過程的優(yōu)化。加熱爐 自動優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)爐膛負壓的優(yōu)化控制、風機的優(yōu)化控制；同時也 可以在出口溫度控制方面進行多變量、多目標優(yōu)化，比常規(guī)PID做得更精確。2 . 2 . 2加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)采用多種優(yōu)化策略，能根據(jù)加熱爐工況的變

5、化， 自動調整控制規(guī)律，適應系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種干擾和工況的變化，在實現(xiàn)工藝要 求前提下，以燃料消耗量最低作為控制目標，以相關的壓力、流量、溫度等多 因素作為檢測和控制的對象，解決儀表檢測誤差和執(zhí)行機構不精確帶來的諸多 不利影響，使加熱爐始終處于優(yōu)化的高效運行狀態(tài)。2 .2 .3 根據(jù)輻射室頂部氧含量和其它相關工藝參數(shù)，通過變頻調速或鼓風機 閥門開度調節(jié)，調節(jié)總風量和各風道蝶閥的開度，實現(xiàn)每臺加熱爐供風量的優(yōu) 化和均衡調整，加熱爐排煙中的氧含量控制在3%以下（主要燃料為瓦斯氣）2 . 2 . 4 根據(jù)加熱爐輻射室頂部負壓和其它相關工藝參數(shù)，通過變頻控制引風 機轉速，并結合對每臺加熱爐對流室出口的煙

6、道擋板的調節(jié)，使加熱爐輻射室 頂部負壓都控制在-20Pa-30Pa范圍內。2 . 2 . 5調試屏幕顯示加熱爐排煙中的氧含量，排煙溫度和熱效率；顯示多種 操作優(yōu)化控制數(shù)據(jù)的曲線；顯示現(xiàn)場氧含量儀表自動檢測的故障狀況提示。3.改造方案3 . 1加熱爐優(yōu)化控制基本原理加熱爐自動優(yōu)化控制系統(tǒng)是在實現(xiàn)工藝介質出口溫度穩(wěn)定的前提下，以工 藝介質壓力、流量、溫度、輻射室頂部負壓、燃料量、輻射室頂部煙氣02含量、（C0含量）和排煙溫度參數(shù)作為檢測和控制對象，設定多項控制策略，動態(tài)地 優(yōu)選、記憶最佳路線和最優(yōu)參數(shù)組合。根據(jù)加熱爐工況的變化，適應系統(tǒng)中出 現(xiàn)的各種干擾，自動調整控制規(guī)律，確保被加熱介質出口溫度穩(wěn)

7、定在工藝要求范圍內，并使加熱爐的燃料消耗量最低，實現(xiàn)持久連續(xù)的、高效率的運行。M海-.出口,<0彳憂<>也悵<3阱州由記屈 蔽據(jù)訪何引岡機-r_V?2/-圖1加熱爐優(yōu)化控制原理圖從圖1優(yōu)化控制原理圖可以看出，加熱爐自動優(yōu)化控制系統(tǒng)的最大特點, 克服了傳統(tǒng)方法很難突破的單一回路控制的局限性，實現(xiàn)多變量、多目標的協(xié) 同控制。包括以下幾個方面：出口油溫優(yōu)化控制，替代 DCS單回路常規(guī)的PID調節(jié)；空燃比的自動控制和優(yōu)化；多種控制策略在線自動選擇和組合；最佳氧含量控制目標值的設定和自動尋優(yōu)；熱風閥門、煙道擋板、鼓風機和引風機優(yōu)化控制； 建立操作數(shù)據(jù)庫，在線自學習;優(yōu)化過程參數(shù)在

8、線自動整定。3 . 2加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)架構加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)是由工業(yè)控制計算機，彩色顯示器、通訊服務器和自主開發(fā)的集成軟件所組成。加熱爐自動優(yōu)化控制系統(tǒng)與工廠現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)很好地整合在一起，實現(xiàn)原系統(tǒng)無法實現(xiàn)的多項控制功能，也可以說是相當于在 現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)中植入了創(chuàng)新的自動優(yōu)化控制芯片。加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)不直 接與現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構等發(fā)生關系，優(yōu)化控制系統(tǒng)所需的所有數(shù)據(jù)，全部通 過現(xiàn)有DCS系統(tǒng)獲得，其中絕大部分可利用現(xiàn)有儀表位號的信號。加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)從DCS中取得的相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、優(yōu)化和運算后 得出最佳的控制輸出，被傳送到 DCS系統(tǒng)中，然后由DCS送至現(xiàn)場執(zhí)行機構， 而不是

9、由優(yōu)化控制系統(tǒng)直接控制現(xiàn)場執(zhí)行機構，這樣既安全又可靠。加熱爐優(yōu) 化控制系統(tǒng)的投入完全不影響現(xiàn)有 DCS系統(tǒng)運行，除要求配備2個串行通訊接 口外，不需要在現(xiàn)有裝置上再增加儀表測點、執(zhí)行機構和其他輸入輸出接口。加熱爐自動控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)是既有聯(lián)系又相對獨立的兩個系統(tǒng)。無論 在調試時或是投運后，在出現(xiàn)任何異常波動時，通過簡單的切換操作，就可以 很方便快速地切換回到原 DCS系統(tǒng)控制的狀態(tài)運行，保證非正常工藝狀況下生 產的連續(xù)進行，確保不會出現(xiàn)任何意外問題。在實施改造時，對原DCS系統(tǒng)所作相應修改的工作量也是最少的，安裝和調試可以在不停車的條件下進行。執(zhí)訓行1）第實紜新眉DCS氐嶇A *DCSDC

10、ST自娜圖2加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)結構示意圖系統(tǒng)硬件構成如圖2所示，圖中切換開關為“軟開關”，相當于DCS界面 的操作“按鈕”。實施改造后，只需要通過簡單的組態(tài)修改就能實現(xiàn)。在DCS操作屏上點擊各回路投運優(yōu)化控制的切換開關，就可以方便地投入或退出優(yōu)化控制運行狀態(tài)。此架構確保了本方案的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。3 . 3與DCS系統(tǒng)的通訊方式優(yōu)化控制系統(tǒng)與現(xiàn)有裝置 DCS系統(tǒng)之間，需要通過專用的通訊接口來實現(xiàn) 雙向數(shù)據(jù)交換。本方案以 Modbus通訊方式，并采用最新研發(fā)的更為安全、可 靠和適用的通訊服務器模式，優(yōu)化控制系統(tǒng)之H型最新產品的硬件和軟件組成。按照優(yōu)化控制系統(tǒng)要求，包括甲方常減壓車間南蒸餾裝

11、置兩臺加熱爐各控制回路的溫度、壓力、流量和閥位信號，控制變量、狀態(tài)識別信號和報警聯(lián)絡信號等。這些信號可劃分為若干個區(qū)段，DCS系統(tǒng)發(fā)送給優(yōu)化控制系統(tǒng)的加熱 爐相關位號輸入變量和控制信號，加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)送給DCS系統(tǒng)的控制閥開度輸出信號、報警信號和通訊狀態(tài)識別信號。根據(jù)雙方最終確定“通訊變量清單”，建立可靠的雙向數(shù)據(jù)交換。DCS為主站，優(yōu)化控制系統(tǒng)為從站。 數(shù)據(jù)總量：DCS系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)少于100個；接收數(shù)少于20個； 數(shù)據(jù)刷新率：要求不大于2秒，考慮DCS系統(tǒng)負荷通過調試確定。根據(jù)初步考察，甲方常減壓車間南蒸餾裝置 DCS系統(tǒng)中，現(xiàn)有1塊串行通 訊卡，其中包含的4個COM接口中目前只占用了

12、 1個。如果空余COM接口 中還能提供2個COM接口，并滿足加熱爐優(yōu)化控制所涉及位號的雙向通訊數(shù) 據(jù)，能在CP7071和CP7072控制器的本區(qū)段內組態(tài)連接數(shù)據(jù)通訊，就不需要 再增加通訊卡組件?？鐓^(qū)段的數(shù)據(jù)通訊會增加 CPU負荷，因此優(yōu)化控制所涉及 通訊變量盡可能不要跨越 CPU區(qū)段，就不會增加現(xiàn)有DCS系統(tǒng)CPU負荷。如 果需要另外增加一套 MODBUS通訊卡組件。建議采用FBM224通訊卡，同時 外加現(xiàn)場總線隔離器的硬件改造方案。FBM224通訊卡、安裝底板、配套電纜， 現(xiàn)場總線隔離器及配套附件，均可放置在現(xiàn)有DCS機柜的剩余空間。請甲方與DCS運行維護管理部門或者FOXBORO公司技術部

13、門聯(lián)系，予以確認或修改此 解決方案。4 . 4在DCS系統(tǒng)的組態(tài)修改中，要求實現(xiàn)如下新增功能：-新增串行通訊功能，實現(xiàn)優(yōu)化控制系統(tǒng)工控機與DCS的雙向數(shù)據(jù)交換;優(yōu)化控制所涉及的各回路投運和退出的“切換開關”； DCS系統(tǒng)實時曲線和歷史曲線，也應能記錄優(yōu)化控制的閥位輸出；-DCS系統(tǒng)與工控機通訊狀態(tài)的監(jiān)測和報警功能。加熱爐優(yōu)化控制投運后，DCS畫面中顯示來自優(yōu)化控制系統(tǒng)、并已傳送至現(xiàn)場執(zhí)行機構的輸出信號，其位號和數(shù)據(jù)的顯示顏色，應當與原DCS系統(tǒng)顯示的顏色有所區(qū)別，或添加標志圖形。如果出現(xiàn)DCS與工控機之間的通訊故障，DCS畫面顯示來自優(yōu)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，應呈現(xiàn)特定的報警顏色，同時還要有 系統(tǒng)的

14、聲響報警，及時提醒操作人員，采取必要的措施。上述有關的細節(jié)，將在優(yōu)化控制系統(tǒng)改造的實施過程中，分階段提供。4 . 5裝置運行情況根據(jù)甲方提供常減壓車間南蒸餾裝置加熱爐的基本情況，經(jīng)過對現(xiàn)場的初步考察，目前裝置的運行情況，簡單描述如下：甲方常減壓車間南蒸餾裝置共有 2臺加熱爐。F-1為常壓爐，F(xiàn)-2為減壓爐，其中常壓爐為雙爐膛，對流室雙煙道；減壓爐為單爐膛，對流室單煙道。常壓爐3個煙道擋板、減壓爐1個煙道擋板，都沒有自控和遙控。常壓爐和減壓爐風道閥門的型號、規(guī)格不詳。均無電動執(zhí)行機構，只能現(xiàn)場手動操作。本套裝置的最大特點，常壓爐和減壓爐的空氣預熱器，都是獨立的熱管式預熱器；并且，常壓爐和減壓爐，

15、共有 4臺風機都已采用變頻調速控制。常壓爐鼓風機K-1，型號G4-73-11，變頻器VFP7-4900P , 90kW ;常壓爐引風機 K-3，型號 Y4-73NO.11D，變頻器 VFP7-4132KP , 132kW。減壓爐鼓風機K-2，型號G4-73-11，變頻器VFP7-4450P , 45kW ;減壓爐引風機 K-4，型號 Y4-73NO.116D，變頻器 VFP7-4750P , 75kW。常壓爐以高壓瓦斯和燃料油為主，并少量使用低壓瓦斯。常壓爐熱煙氣進熱管空氣預熱器，溫度為 285 C;出預熱器排放煙氣溫度約 168 C。減壓爐熱 煙氣進熱管空氣預熱器，溫度為 320 C;出預熱

16、器排放煙氣溫度約178 CDCS溫控回路為爐膛溫度串級自動控制。常壓爐東爐膛副回路 TRC3104A （瓦斯），TRC3104B （燃料油）；西爐膛副回路TRC3102A （瓦斯）；TRC3102B （燃料油）。減壓爐爐膛副回路：TRC4102A （瓦斯），TRC4102B （燃料油）。對流室負壓表配置使用情況：常壓爐對流室下部，東西兩側各有一個測點； 減壓爐對流室下部一個測點，使用情況良好。氧含量表配置使用情況：常壓爐 和減壓爐氧含量表位于輻射室頂部，使用情況良好。沒有一氧化碳檢測儀表。進爐加工物料和燃料流量檢測儀表配置使用情況：常壓爐和減壓爐均有進 料量計量，高壓瓦斯有計量表、燃料油為齒輪

17、表，低壓瓦斯無計量表。測量儀 表使用情況較差，不能反映加熱爐實時燃料消耗量與燃料消耗總量。4 . 6優(yōu)化控制回路由于本裝置2臺加熱爐的空氣預熱器是獨立的，而且全部 4臺風機也都已 采用變頻調速，因此控制常壓爐和減壓爐各自鼓風機和引風機的轉速，就能非 常準確地控制常壓爐和減壓爐的熱風鼓風量和爐頂負壓，而不必涉及熱風道閥 門和煙道擋板的控制。優(yōu)化系統(tǒng)的外部控制較為簡單，初步擬定共有4個回路。表1加熱爐優(yōu)化控制回路一覽表（初稿）序號爐別爐號控制回路輸出控制控制方式1常壓爐F-1鼓風機變頻調速手動一自動（優(yōu)化）2常壓爐F-1引風機變頻調速手動一自動（優(yōu)化）3減壓爐F-2鼓風機變頻調速手動一自動（優(yōu)化）

18、4減壓爐F-2引風機變頻調速手動一自動（優(yōu)化）5 .改造內容5 . 1 DCS系統(tǒng)硬件改造要求常減壓車間南蒸餾裝置 DCS控制系統(tǒng)，能提供兩個可用于 MODBUS 通訊的RS-485/ RS-422串行端口，為此，需要在主控制系統(tǒng)中增加安裝一組， 或者至少可提供2個空余能與第三方建立數(shù)據(jù)交換的串行通訊 COM接口一支 持MODBUS通訊協(xié)議的FBM224通訊卡組件，包括安裝底板、配套電纜，現(xiàn) 場總線隔離器及配套附件。具體方案待與 DCS運行維護部門商定后落實。在設計和施工時應注意：系統(tǒng)接地應符合RS-485/RS-422串行端口的正常 通訊要求，避免因為共模電壓超過 3V產生干擾和EMI干擾的

19、問題。5 . 2優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件安裝方案一：在中控室增加一個加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)專用的操作臺，可供安裝19吋標準工業(yè)機箱的工業(yè)計算機和液晶顯示器，該操作臺應安裝在主控制系統(tǒng) 的主操作站旁。操作臺內提供單相220V交流電源，要求該電源為不間斷、其穩(wěn)定性和可靠性與主控制系統(tǒng)供電達到同一個級別。在操作臺和主控制系統(tǒng)安 裝Modbus通訊卡件的控制柜之間，敷設2根帶獨立屏蔽層的雙絞線通訊電纜。方案二：采用專用小型化的嵌入式工業(yè)計算機和通訊服務器，優(yōu)化控制系 統(tǒng)硬件，全部安裝在DCS控制系統(tǒng)機內。改造只需要能提供一排長安裝導軌的 空間即可，并與DCS系統(tǒng)共用220V交流電源和24V直流電源。調試時接入輸

20、入和顯示設備；優(yōu)化控制系統(tǒng)正常投運后，日常由用戶修改和設定的少數(shù)幾個控制參數(shù)，均通過DCS操作界面輸入。優(yōu)化控制系統(tǒng)，完全嵌入 DCS系統(tǒng)5 . 3工藝設備改造和完善5 . 3. 1現(xiàn)有空氣預熱器的鼓風機和引風機，均已改為變頻調速控制，并接入 DCS系統(tǒng)，在DCS操作界面上，能實現(xiàn)鼓風機和引風機變頻的遙控操作。5 . 3 . 2重點檢查輻射室頂部負壓表和煙氣氧含量表，校驗進加熱爐的物料、 高壓瓦斯和燃料油等各品種燃料流量計，要求安裝位置合理，計量結果穩(wěn)定。5 . 3 . 3有條件時可考慮在空氣預熱器出口增加煙氣 02和CO測量儀表。6.工程服務6 . 1項目管理乙方將在項目執(zhí)行期間，提供最優(yōu)良的項目管理服務，及時聯(lián)系、協(xié)調和處理有關事宜，負責改造項目的工程質量和實施進度。表2優(yōu)化控制改造項目組成員姓名職稱職務專業(yè)和分工郭樹強高級工程師項目組長加熱爐工藝和現(xiàn)場調試馬俊高級工程師首席技術顧冋加熱爐工藝和現(xiàn)場調試孫振華高級工程師項目設計師硬件、軟件編程和現(xiàn)場調試顧在明高級工程師專業(yè)工程師加熱爐工藝和現(xiàn)場調試濮毅德工程師專業(yè)工程師現(xiàn)場調試劉玉環(huán)工程師專業(yè)工程師現(xiàn)場調試乙方將提供相關的培訓服務和現(xiàn)場指導，用戶技術人員將能夠熟練掌握組 態(tài)技術，以及系統(tǒng)的運行和維護工作，一線操作人員將能