油/气混合燃烧热媒加热炉的自动控制

娄敏虹(南京龙源环保有限公司，江苏南京210012)

油/气混合燃烧热媒加热炉的自动控制

娄敏虹(南京龙源环保有限公司，江苏南京210012)

本文以扬子-伊士曼C5石油树脂装置的热媒加热炉为例，结合单一的或任意比例燃料油/气混合燃烧控制的技术要求，介绍了该系统自动控制的特点。

热媒炉;控制系统;油/气混烧;任意比例;无扰动;燃料切换

1 工艺流程简介

扬子-伊士曼C5石油树脂装置依据美国伊士曼化学公司的C5石油树脂生产工艺技术，主要以单键和双键的C5混合物流为原料，通过原料的预处理、催化聚合和树脂加氢等工艺过程，生产用途广泛的C5石油树脂产品。该工艺的催化聚合反应需要在一定的温度下进行，且为了保证产品质量，温度控制精度要求很高，为此设有一套热媒加热炉系统。

该热媒加热炉系统采用导热油Therminol 66作为载热体，采用燃料油及乙烷气为燃料。由于作为燃料的粗燃料油为树脂工段分离出的重组分混合物，因此在装置开车时只能先以乙烷气为燃料。待装置生产正常后逐渐切换为以燃料油为主燃料，以乙烷气为辅燃料。在正常情况下，当负荷发生变化时，控制系统将调整燃料油流量以适应负荷的变化。然而由于树脂工段分离出的燃料油量不稳定，有时会不满足燃烧热负荷要求或当燃料油系统出现故障时，则需自动将燃料气切换为主燃料。本系统带控制点工艺流程简图见图1。

2 热媒加热炉系统控制要求

根据以上工艺特点，对该热媒加热炉系统的燃烧控制系统有如下的技术要求：

l要求燃料油/气可以任意比例平稳切换。可以在单一的或任意燃料油/气比例下实现安全稳定而完全的燃烧。任何情况下切换时，必须保证系统在不同工况下的安全、稳定运行，运行热效率始终保持在≥85%以上、过剩空气系数≤20%，即尽量减小排烟热损失及化学不完全燃烧损失。

l保证油/气燃料切换过程中热媒的出口温度波动在±3°C以内。

l自动启，停——确保加热炉点火、关机按预定程序进行，提高可靠性。

l自动调节热负荷——确保加热炉运行不用人工干预。

l完整的安全联锁系统，报警时有屏幕显示及音响——确保加热炉运行可靠。

3 控制方案

该热媒炉的主要控制指标是热媒的出口温度，即通过自动调节燃气量、燃油量和助燃风量，并采用热媒出口温度与燃料流量的串级控制，来保持热媒出炉温度稳定。为了保证实现安全稳定和完全的燃烧，需保持空气流量与燃料流量恰当的比值，因此，在正常的热负荷调节情况下，采用热媒出口温度与“空气/燃料”比的串级比值双交叉限幅控制系统，同时将烟气残氧信号引入燃烧控制系统，有效地控制热媒炉实现“低氧燃烧”。采用氧量分析仪，对烟气中的氧含量进行在线分析，经过非线性调节器修正空气/燃料比，将实测空气量修正为标定含氧量之空气量，保证系统处于最佳燃烧状态，以达到提高热效率的目的，控制原理详见图2。

通过仔细分析工艺特点，并考虑操作控制的可行性，采取的控制方案如下：首先判断燃料油的供给状况，依此确定操作控制三种基本模式。工程实施时，燃料油的供给状况用燃料油罐的液位来判断，根据液位情况分为三个工况：

第一种工况：当液位处于高位H到中位M之间时，燃料系统只有油路通，此时加热炉只烧燃料油。

第二种工况：当液位处于中位M和低位L之间时，加热炉处于油气混烧阶段。分二种情况：第一种情况是液位从高于中位M进入此区间，此时燃料油仍为主燃料，参与串级调节，燃料气为辅燃料，用定值调节；第二种情况是液位从低于低位L进入此区间，此时燃料气为主燃料，参与串级调节，燃料油为辅燃料，用定值调节。

第三种工况：当液位处于低位L以下时，自动控制油路断开，加热炉被切换为纯烧燃料气。

上述三种工况的燃料切换自动完成，从而实现在单一的或任意燃料油/气比例下安全稳定而完全的燃烧。在正常的油气混烧阶段，燃料油和燃料气只有一种燃料的调节器可以切换为串级调节状态，以适应热负荷的变化，而另一种燃料为定值调节。当燃料油为串级调节状态时，燃料油流量调节器FIC-102给定值根据式（1）求出。当燃料气为串级调节状态时，燃料气流量调节器FIC-103给定值根据式（2）求出。由此实现任意燃料油/气比例混烧时安全稳定而完全的燃烧。

f油(x)=f热(x)-f(x1)Eg/Eo(1)

f气(x)=f热(x)Eo/Eg-f(x2)Eo/Eg(2)

f热(x)——主回路（TIC-101）校正后热负荷下燃料的流量设定值

f油(x)——油气混烧时燃料油的流量设定值(燃料油为串级调节)

f气(x)——油气混烧时燃料气的流量设定值(燃料气为串级调节)

f(x1)——经热负荷转化后燃料气流量（燃料气为定值调节）

f(x2)——经热负荷转化后燃料油流量（燃料油为定值调节）

Eo——燃料油热值

Eg——燃料气热值

4 燃烧控制系统无扰动切换

该加热炉不同操作控制模式间实现无扰动切换，并保证切换过程中导热油加热炉出口温度严格地控制在±3°C以下，也是对控制系统的基本要求。根据图2可知，燃料油/气流量和空气流量既可以独立调节，又可以组成串级比值双交叉限幅调节。在正常的热负荷调节情况下，燃料油和燃料气只有一种燃料的调节器可以切换为串级调节状态，以适应热负荷的变化，而另一种燃料为定值调节。在油气混烧时，若用于热负荷调节的燃料供应系统出现故障时，此燃料的调节器将自动切换为手动状态“M”（MANAUL），另一种燃料的调节器将自动切换为串级状态“C”（CASCADE）以适应热负荷的变化。这种主、辅燃料的切换对热媒加热炉的热负荷来说是无扰动的。

在手动状态时，采用过程变量跟踪，即调节器的设定值跟踪过程值。在自动状态“A”（AUTO）时，采用设定值跟踪，主调节器的输出跟踪副调节器的设定值，这样保证了“M”、“A”、“C”各状态间的无扰动切换。

5 控制器

热媒加热炉系统的自动控制系统采用德国西门子公司生产的SIMATIC SF300可编程序控制器（PLC）并配备人机接口OP37触摸式操作面板。SIMATIC SF300是一种性能价格比较高的一体化式PLC，可采用梯形图逻辑方法和级式语言对控制系统进行设计开发。SIMATIC SF300具有模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于安装维护，易于升级扩展等特点。OP37触摸式操作面板可以指示系统的参数、流程以及报警，联锁等，使过程状态和过程控制实现可视化。该PLC通过通讯电缆与全厂DCS相连，可将部分重要参数输出到DCS显示，并可接收自DCS来的紧急停车信号。

6 结语

扬子-伊士曼C5石油树脂装置投产以来，本套热媒炉系统工作稳定。在稳定工作状态，热媒出口温度波动不超过±1°C。燃料切换平稳简单，燃料切换时热媒出口温度波动不超过±3°C。助燃风量与燃料流量配比合理，氧量控制准确，点炉及运行状态均无冒烟现象。设计热负荷及运行热负荷下其热效率超过了85%的指标。

[1]陆德民.石油化工自动控制设计手册（第三册）.北京：化学工业出版社，2000.1.

[2]潭希宙.热媒炉的燃烧控制系统.石油化工自动化.1999（6）:30-33.

[3]周俊.热风炉燃烧控制中的单交叉限幅.自动化与仪器仪表.2000（5）:54-55.

[4]扬子-伊士曼C5石油树脂装置热媒炉操作手册.

娄敏虹（1973-），女，汉族,浙江天台人，大学本科，工程师，研究方向为油/气混合燃烧热媒加热炉的自动控制。