加热炉先控方案详细设计解析.pdf

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中国石油化工股份有限公司塔河分公司
常压焦化装置加热炉优化控制系统
详细设计
XXXXX技术有限责任公司
XXXX年XX月XX日
目录
26:.
1优化控制技术方案...................................................................................................................4
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......................................................................................4
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2优化控制系统的原理...............................................................................................................6
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..........................................................................................................7
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3优化控制系统软硬件运行平台.............................................................................................10
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4工程实施方案.........................................................................................................................12
#装置常压加热炉F1001A/B控制器方案.........................................................12
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26:.
1优化控制技术方案

针对加热炉这一炼油厂的耗能大户,在现有的DCS之上开发一套基于预测控制思想、
吸收操作人员人工操作经验的先进控制软件,对其进行工艺参数的高精度控制,实现热效率
的在线优化,并对多个支路进行支路温度平衡控制为生产装置的安全平稳运行、节能降耗打
下基础。
实施先进控制及优化的加热炉包括1#装置常压加热炉和焦化加热炉,2#装置常压加热
炉和焦化加热炉,共计6台加热炉。应用加热炉先进控制与热效率优化技术和软件后,实现
炉出口温度的快速稳定控制,实现各支路炉管进料平衡控制,实现热效率优化,节约燃料,
并保障各后续单元的平稳运行。

APC:即先进控制,本文件指以预估控制等先进控制理论为基础的、与常规PID
控制、串级控制、比值控制等不同的高等过程控制。
CV:即被控变量,是指先进控制和优化的目标值。
MV:即操纵变量,是指先进控制和优化的调节手段。
DV:即干扰变量,是指对被控变量有影响,而在本控制系统内无法调节的变量。
软仪表:对装置生产过程中的一些难以用仪表在线测量的参数,通过数学模型的分析
以及生产过程的把握对其进行估算的专用软件,该软件运行的结果通常作为
先进控制系统的CV。
常规控制:本文件所称常规控制,指装置单元原有的控制回路或控制方法、控制策略,
包括PID控制、比值控制、串级控制等等。
无扰切换:若无特别说明,本文件中的无扰切换,指先进控制与常规控制的切换是无平
衡无扰动的。

针对上述目标,对加热炉的控制系统进行优化,确保被加热介质的控制指标平稳;同时,
还要使加热炉的热效率最高、空气污染最小、各支路出口温度平衡。具体地说,任务分为三
部分:
1)炉出口温度控制:基于预测控制和前馈控制,保证被加热介质的控制指标满足工艺
要求;
2)热效率优化:使加热炉能够根据工况的变化合理调节送风量的大小,实现加热炉热
效率的实时最优,最大限度的节省燃料量;
26:.
3)加热炉多个支路的温度平衡控制。


燃烧控制系统实现炉出口温度控制和热效率优化的功能。分为如下两个控制子系统:
▪炉出口温度控制子系统;
▪热效率自寻最优控制子系统。
1)炉出口温度控制子系统
采用预测控制,同时用前馈及时补偿负荷变化对被加热流体出口温度的影响,按照热负
荷平衡原则控制燃料流量,使加热炉达到热平衡,并保证被加热介质的控制指标。
2)热效率自寻最优控制子系统
采用热效率在线最优控制,采用自寻最优步进搜索法,在线寻找热效率的最大值来控制
过剩空气系数,用动态前馈补偿及时克服负荷变化和其它干扰对过剩空气系数的影响,保持
加热炉最佳燃烧状态。

采用基于热量平衡的解耦控制技术,建立支路平衡控制系统,使各路炉管受热均匀、各
路出口温度一致,防止局部过热。

在加热炉先进控制中使用的软件是由清华大学自动化系开发的“加热炉控制软件”。软
件主要有四部分组成,分别是:
▪在线控制软件
▪基于在线监控平台的工程师监控界面
▪实时数据库平台和通讯软件
▪加热炉控制组态软件
26:.
2优化控制系统的原理


进料温度进料量
燃料气理想阀燃料油
燃料油
位控制器调节阀燃气压力
...
出口温
度设定+出口温度
常压加热炉
预测控制燃气流量PID控制器调节阀燃气
F1001
-
...
燃气流量
炉膛温度
炉出口温度
图2-1出口温度控制器原理框图
如图2-1,加热炉出口温度控制器用于提高炉出口温度克服干扰的能力,加速对给定值
变化的响应速度,实现炉出口温度的高精度控制;在操作约束范围内,尽可能多烧燃料气,
节省燃油消耗。特点是:
▪基于状态空间模型的预测控制算法,通过模型预测,实现超前调节
▪对燃料气流量实行压力补偿,由PID回路稳定流量,克服燃料气压力带来的扰动,
采用防积分饱和措施,当阀位达到高低限时,避免继续增加或减小燃料流量给定
▪对进料流量和温度实行前馈补偿,减轻进料流量变化对出口温度的影响
▪通过缓慢调整燃料油的阀位,尽可能多烧燃料气。

预测控制技术,采用“模型预测、反馈校正、滚动优化”的控制算法,“根据对将来几
步的预测,决定走当前一步”,参见图2-2。而常规PID控制,是基于当前和过去偏差的控
制,即“走一步,看一步”。
图2-2预测控制的工作原理
实行预测控制需要建立相对准确的被控对象的模型。在本项目中利用设备尺寸数据和实
26:.
测数据建立了加热炉的机理数学模型。

假设:(1)传递给进料的热量与炉膛温度和出口温度的差成正比;(2)由于烟气预热器
回收烟气余热加热空气,忽略烟气带走的热量,只考虑传递给进料的有效热量;(3)进料的
比热是常数。
dT
VCoFC(TT)UA(TT)(1)
111dti1iolo
dT
VClUA(TT)KF(2)
222dtlo33
dF
T3FF(3)
dt33s
其中ρ,ρ分别是原料油密度和空气密度;V,V分别是炉管容积和常压炉炉膛容积;
1212
C,C分别是原料油比热和空气比热;T,T,T分别是常压炉入口温度、出口温度和炉膛
12iol
温度;K为单位燃料气燃烧传递给进料的有效热值;U为平均传热系数;A为总传热面积;
3
F是燃料气流量;F为燃料气流量设定值;T为一阶惯性环节时间常数。
33s

本系统的一个功能是实现多烧燃料气,以节省燃料油。其实现方法是为燃料气设置一个
理想的阀位区间,在可能的情况下,通过调整燃料油阀位,尽可能使燃料气工作在这个区间
内。

总流量设定
加热炉支路
平衡计算
FTFC
SPTT
FTFCTT
SP
TT
FTFC
SP
TTTT
FTFC
SPTC
FCFT
图2-3支路平衡控制原理框图
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给定总流量,按各支路流量比例自动改变各支路流量设定,最终使各支路流量之和等于
总流量。
设支路i流量占总流量的比例为K,总流量变化为G,则支路i的支路流量变化为:
i
KGQT(4)
ii
式中KG-支路i提降流量的变化值;
i
△Q-每执行周期改变的量
i
T-达到KG值所需要的执行周期数。
i
对所有支路,采取相同的执行周期数。并考虑各支路的最大允许变化速率。

通过调整各支路流量并保持总流量不变,使各路炉管受热均匀、各路出口温度一致,防
止局部过热。
加热炉的出口平均温度为:
(FT)
Tioi(5)
waF
i
设支路i所吸收的热量为Q,在燃料不变的情况下,将支路i出口温度由T调整到T
ioiwa
所需的流量变化为:
QFC(TT)(FF)C(TT)(6)
iioiiiiwai
TT
FoiwaF(7)
iTTi
wai
各支路的流量变化考虑最大允许变化速率。

在氧含量分析仪可靠的前提下,将氧含量控制在给定值,以保持高的热效率。对燃料量
的波动实现前馈调节,并保证安全。
系统无风量测量和控制。
燃料油燃料气
前馈控制
氧含量设定
氧含量
+鼓风机变频常压加热炉
预测控制
或入口蝶阀F1001炉膛
-
图2-4氧含量控制原理框图
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如图2-5,计算热效率,由加热炉热效率自寻优来通过调整氧含量的给定值使热效率保
持在最高水平附近,使加热炉长期运行在优化工况下。
燃料油燃料气
前馈控制
氧含量设定
氧含量
+鼓风机变频常压加热炉
预测控制
或入口蝶阀F1001炉膛
-
原料油流量、
出入口温度
氧含量自寻最
热效率计算
优计算
燃料油、气
图2-5热效率优化原理框图
热效率与过剩空气系数之间的关系是一条有单峰极值的曲线,曲线最高点是过
剩空气系数的最佳点,即热效率最优点,也是我们寻优的最终目标。若加热炉的当
前工作点是A,那么自动寻优的任务是调节寻优变量使工作点逐步由A过渡到最
11
佳工作点O。烟气中O的含量是过剩空气系数α大小的直接体现,因此可以用氧含量作为
2
优化的操纵变量。
在每个寻优周期中,在过程接***稳的情况下,从燃烧过程当前的工作点出发,先给氧
含量一任意方向的变化,使系统工作点移位,如果变化的方向正确,计算得到的加热炉热效
率将增加;否则,将减小。于是,自寻最优控制根据热效率增量的大小和正负,决定燃烧空
气流量增量的大小和调整方向,从而逐步达到热效率的最优点。
26:.
3优化控制系统软硬件运行平台

加热炉优化控制系统的硬件平台以及与DCS的互连方案如图3-1所示。其中“先控与
优化运行平台”为本项目专门配置的DELL服务器(以下称为APC服务器)。
图3-1加热炉优化控制系统的硬件平台以及与DCS的互连方案
APC服务器运行的操作系统为WindowsServer2008R2中文版。实时数据库与监控软件
平台、优化控制软件运行在该服务器上。
APC服务器通过以太网与DCS的OPC服务器相连,实现实时数据通讯,即实现:将
先进控制计算和软测量计算所需要的控制站实时数据库中的实时数据采集上来,将先进控制
器输出结果输送到DCS控制站,用以改变中间控制器的给定值或输出值,以达到对生产过
程进行先进控制的目的。1#装置的OPC服务器为其中一台操作站,2#装置的OPC服务器为
专用的一台计算机。

优化控制系统由以下几个部分组成:实时数据库系统RTDB软件,实时数据通讯系统
DCSLinker软件,工程师监控和优化控制软件管理平台软件、优化控制软件组态软件,优化
控制在线运行软件。
26:.
控制器组态软件优化控制运行软件监控与管理平台
实时数据库
实时数据通讯与采集
DCS控制系统
生产装置
图3-2加热炉优化控制系统服务器端的软件和配置
26:.
4工程实施方案
针对各个加热炉现有的DCS状况和常规控制方案,按照先控初步方案的要求,设计了
一系列加热炉控制器方案。其中1#装置采用横河CentumCS3000,2#装置采用浙大中控
ECS-700。
控制器切换方案设计用于实现WatchDog通讯监控,以及投用信号的三级投用操作,即
软件运行、软件控制投用、DCS操作投用三级开关,前一级不投用则后一级不能投用,前
一级投用后后一级才能进行投用和切除的操作。该方案在使用后,能够实现先控系统的正常
投用、切除时的状态切换操作。在CS3000系统上,采用顺控表实现;在ECS-700系统上,
采用模块框图实现。

1#装置常压加热炉的温度和烟风系统流程图如图4-1所示。
26:.
图4-11#装置常压加热炉温度和烟风系统流程图

表4-11#装置常压加热炉控制器控制方案
被控变量(CV)操作变量(MV)干扰变量(DV)







投用F1001APC投用F1001APC

MV/CV名称上限/设定当前值下限当前步幅回路状态
F1001MVF1001MVF1001MVPIC8503A

F1001MVF1001MVF1001MVPIC8503B

F1001MVF1001MVF1001MVPIC8540

F1001CV

F1001CV

26:.
F1001CV

投用F1001OPT投用F1001OPT

MV/CV名称上限当前值下限当前步幅回路状态
F1001MVF1001MVF1001MVARC8501

F1001MVF1001MVF1001MVPRC8501

F1001CVF1001CV

F1001CVF1001CV


图4-21#装置常压加热炉先控操作员界面组态

切换逻辑主要通过顺控表实现,设计如下:







C07



C11









26:.
A07



A11



**********






C07


C10