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二蒸馏加热炉的优化控制

供稿:霍尼韦尔中国 2007/11/6 9:46:00

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  1. 关键词: 串级控制 TDC3000(控制系统) 加热炉
  2. 摘要:在常减压装置工艺流程里,加热炉出口温度是影响该装置各线产品质量的重要因素,是决定汽化率、塔内各点温度和热平衡的关键。本文对影响加热炉出口温度变化的各种干扰进行了简单分析,重点论述了控制方案的实施过程,其中包括串级控制的实现,燃料油/气的自动切换和燃料调节阀流量特性的修正等内容。通过对加热炉的优化控制,装置的能耗得到了进一步降低,达到了优化生产,提高效益的目的。
1 前言
常/减压装置加热炉出口温度是决定汽化率、塔内各点温度和热平衡的关键,是炉用空气预热温度、过热蒸汽温度及原油换热的重要影响因素。要保持蒸馏塔的平稳操作,关键是维持加热炉出口温度和原油流量的恒定。当处理量为恒定时,加热炉出口温度如果偏低直接影响进塔油料的汽化量和带入的热量,相应地塔顶和侧线温度都要降低,轻组分比例减小,重油比例增大。相反,加热炉出口温度偏高,会造成轻组分比例增大,重组分容易焦化、结焦。二蒸馏减压塔在2004年就因为减压塔底出口调节阀结焦严重造成了该阀无法打开,影响了正常生产。

目前,二蒸馏装置的原油性质变化较大,所掺外油比例有逐年增大的趋势,原油中的轻组分较多,为防止大量轻油汽化和夹带雾沫,要求炉子出口温度一定要控制稳定。外油比例的增大也会相应地增加炉子负荷,如果加热炉出口温度控制不好,炉管表面热强度就会超高,引起炉管局部过热,甚至烧坏,所以加热炉出口温度对该装置的安全、高效、长期运行十分重要。
当前节能降耗已成为考核各装置的一个重要指标,因此常减压装置经常会根据燃料市场价格来决定是否用渣油还是用瓦斯作为燃料。根据工艺需要,燃料(渣油/瓦斯)就要求能自动切换控制,即如果将渣油作为主要燃料,瓦斯就必须作为辅助燃料调节。控制上要求油路投自动的同时,气路能自动把控制状态由自动切换到手动模式,这样就可以避免控制紊乱。因此对加热炉的控制要求更加严格和复杂。

2 加热炉优化控制方案的设计
管式加热炉的主要任务是把原油或重油加热到一定温度,以保证下一道工序的顺利进行。加热炉的工艺流程图如1图所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧,被加热油料流过炉膛后,就被加热到出口温度T1。在燃料油管道上安装一个调节阀,用它来控制燃料油流量以达到调节温度的目的。引起温度T1改变的扰动因素很多,主要有:
  A、燃料油的扰动D2(组分和阀前的油压)。
  B、喷油用过热蒸汽压力波动D4。
  C、被加热油料的扰动D1(流量和入口温度)。
  D、配风、炉膛漏风和大气温度的扰动D3。


其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用简单的调节回路保持稳定,这样可以把扰动因素减少到最低限度。从调节阀动作到温度T1改变,这中间热量需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料的热容积,因此反应比较缓慢。工艺对出口温度T1要求很高,一般希望波动范围在±2℃。实践证明,采用简单的控制系统无法达到要求。

采用串级控制系统可以大大提高调节品质。在这个控制系统中,用炉膛T2来控制调节阀,然后用出口温度T1来修正炉膛温度的给定值Tr2。控制系统的方框图如图2所示。调节对象中包括炉膛、管壁和油料等三个容积。而诸扰动D1、D2、D3和D4则作用于不同地点。从图中可见,扰动因素D2、D3和D4包含在副环之内,因此可以减少这些扰动对出口油温T1的影响。对于被加热油料方面的扰动D1,采用串级调节可以收到一定的效果。串级系统和简单系统的显著区别在于其结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面,被称为副环或者副回路,它在控制过程中起着“粗调”的作用。另一个环在外面,被称为主环或主回路,用来完成“细调”任务,保证最终被调量满足工艺要求。无论主环还是副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节PID。应该指出系统中尽管有两个调节器,但它们的作用不同。主调节器具有自己独立的设定值,它的输出作为副调节器的设定值,而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。比较串级系统和简单系统,前者只是比后者多了一个测量变送元件和一个调节器,增加的仪表投资并不多,但控制效果却有显著的提高。


串级控制虽然克服了干扰,提高了调节品质,但因为是温度调节,有个热传导过程,所以滞后大。如果再加一个副环,滞后更大。工艺条件变化比较大时,需要立即改变出口油的温度,这时使用主回路单控,可能效果更明显。

总上所述,二蒸馏加热炉使用串级控制,同时可以在必要时能切换到主回路单控,这样更利于操作和应付意外情况的发生。

控制燃料调节阀流量特性也很重要。如果选择流量特性为直线性的调节阀,在小开度工作时,流量相对变化大,调节作用太强,易产生超调,引起震荡。在大开度时,流量相对变化小,调节太弱,不够及时。为了解决上述问题,希望在任意开度下的流量相度变化不大,可以选用对数特性的调节阀。由于对数特性的放大系数K随着开度增加而增加,因此有利于系统调节。这样在小开度时,流量小,流量的变化也小,调节阀放大系数小,调节平稳缓和,在大开度时,流量大,流量变化也大,调节阀放大系数大,调节灵敏有效。在二蒸馏实际生产运行中,由于调节阀前后压差总是变化的,当流量介质是瓦斯时,对阀体和阀芯冲刷和腐蚀随着时间的推移而日益严重,这样调节阀就会关不严,出现漏量,流量特性就会向线性过渡,在控制过程中就会引起振荡。所以要求在实际控制中要对燃料控制阀的流量特性进行修正。

由于提倡节能降耗,能耗的多少已经成为各单位考核业绩的一个主要指标,而且燃料油的价格也越来越高。为了节能,二蒸馏加热炉燃料分燃料气和燃料油两种。工艺车间根据市场二者价格的高低选用低廉燃料。在实际操作中,就需要人为地去切换控制,当渣油作为燃料时,就要求把油路控制投入自动,而同时人为地把气路作为辅助调节而切换到手动。反之,同样需要人为去切换。在实际过程中,常常因为把油(气)路控制由手动模式切换到自动模式的同时而疏忽了把气(油)路控制由自动模式切换到手动模式,这样就会造成油/气两路燃料都在自动控制模式下,出现控制紊乱,造成加热炉出口温度波动比较大。如果能实现控制模式的自动切换,就会避免因人为疏忽而出现控制紊乱的局面,因此实现油/气燃料的自动切换也是优化控制的重要部分。

3 优化控制的实现
优化控制实际上就是对加热炉出口温度和炉膛温度实行串级控制,在紧急情况下能实现主回路单控。另外就是实现油/气控制的自动切换和燃料调节阀流量特性的修正。

不同控制系统实现相同的功能难易程度有很大区别。二蒸馏装置就是Honeywell的TDC3000控制系统。下面就以Honeywell的TDC3000控制系统为例,详细深刻地对实现过程进行论述。TDC3000组态软件是Honeywell公司在UNIX系统上开发出来的,它不是现在我们通用的桌面式操作系统。该系统是基于类似DCS的命令式操作,例如绘制流程图就要输入点、线、圆等图形命令,所以在该系统上实现上述功能是十分困难的事。特别是油/气燃料的自动切换,就要用到该系统为用户提供的CL语言,用户可以利用该语言实现TDC3000标准控制功能块无法实现的功能。

3.1 炉子主回路单控和串级控制的实现
所有控制系统都很容易实现加热炉的串级控制,该系统也是如此。下面就以加热炉其中一路进料为例进行论述。其中TT-109是炉子出口温度测量点,TT-105是炉膛温度测量点,TV-105是加热炉燃料(渣油)调节阀。当加热炉的燃料为瓦斯气时,对应的控制测量点位号分别是TT-109G,TT-105G,TV-105G。

在实现过程中首先创建过程输入/输出点,分别是:TT-109,TT-105,TV-105。再创建3个PID控制点和1个切换开关,分别是:TIC-109,TIC-105,TIC109P,SWTIC-109。控制示意图如下示:


在组态的过程中,把渣油控制回路的输出(TIC-105.OP)连接到切换开关SWTIC-109.X1上;把把主回路单控输出(TIC-109P.OP)连接到切换开关SWTIC-109.X2;把SWTIC-109.OP连接到加热炉渣油调节阀TV-105.OP上。这样就可以通过开关切换(SWTIC-109)选择是投串级还是主回路单控。

串级控制带主回路单控虽然实现了,但操作员切换操作很困难。在实际操作过程中操作员要想知道是单控还是串级,必须要经过键盘把切换开关SWTIC-109的控制面板细目调出来,然后查看该点开关位置才能确定。这样会大大增加操作时间,而且还要记住切换开关的X1和X2连接是串级还是单控。为了便于操作员操作与监控,可以把图3作为一幅流程图,当点击加热炉流程图上的调节阀TV-105时会自动调出图3这幅流程图,在该流程图上可以简单明了地实现控制操作。具体实现方法如下:
  3.1.1在图3里分别对1,2,3,4,5条线添加属性


在图3连接线上添加以上脚本,在操作时,流程图会显示与实际操作完全一致的控制流程。实际操作就变的更加简单明,更便于操作与监控。

3.1.2实现切换操作
要在该图上实现对开关的操作,同样需要编程实现。当在文本X1、X2、EXEC和BACK上分别添加如下列动作属性时,只要用触屏点击一下文本X1(即切换到串级控制),然后再点击文本EXEC(对切换动作进行确认),这样就完成了开关的切换工作,即开关切换到了串级。当切换完成后,控制连线2和5就会从流程图上消失,即TIC-109P的控制输出断开。当开关操作完成后,点击返回文本BLACK,流程图就会返回上一级流程画面。


对于燃料是瓦斯气时,其控制实现与上述方法一样。

3.2 炉子油/气燃料控制的自动切换
当渣油作为燃料时,可以利用加热炉出口温度去控制渣油的流量。但有时控制温度滞后较大,工艺要求用瓦斯作为辅助燃料去提高加热炉出口温度,这时瓦斯调节阀就要求手动调节,即DCS里该阀只能作为手操器使用。这样就要求气路控制摘除自动,切换到手动状态。反之,当气路在自动控制时,油路也必须自动切换到手动位置。根据TDC3000控制系统的配置,可<
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