加热炉的控制

二蒸馏加热炉的优化控制

陈坤

（中石化北京燕山分公司炼油厂北京 102503）

摘要：在常减压装置的工艺流程里，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。加热炉出口温度的控制直接影响着该装置的各线的产品质量。本文就影响炉子出口温度变化的各种干扰进行了简单分析。炉子出口温度的变化对常减压各线产品有何影响进行剖析。然以霍尼韦尔的TDC3000为控制平台，从控制方案和控制操作等方面进行了优化，从而达到优化生产，提高效益的目的。

本文重点论述了控制方案的实施过程。例如在TDC3000系统里如何实现串级控制回路的主回路的单控，如何利用TDC3000提供的CL语言进行编程实现油/气燃料的自动切换的，如何实现简单操作和如何把控制操作简单明了地体现在流程图里。

关键词：串级控制 TDC3000 加热炉 CL语言

一．前言

在常减压装置里，炉子出口温度是决定汽化率，塔内各点温度以及热平衡的关键，对炉用空气预热温度，过热蒸汽温度及原油换热都有重要影响。要保持蒸馏塔的平稳操作，最重要的是要维持炉出口温度和原油流量的恒定。当处理量一定时，炉子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，产品质量也随之变轻，重油比例增大；相反，炉子出口温度偏高，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就因为减低出口调节阀内结焦严重造成该控制阀无法打开，一致导致装置停工一次。

目前，二蒸馏装置的原油性质变化较大，所掺外油比例有逐渐加大的趋势，原油轻组分较多，这样为防止大量轻油汽化造成雾沫夹带严重，要求炉子出口温度一定要控制稳定。另外，因为炉子负荷的增加，炉管表面热强度超高，引起炉管局部过热，甚至烧坏，所以炉子出口温度对该装置的安全高效长期运行十分重要。

现在由于降能节耗已成为考核各装置的一个重要指标，所以该经常会根据燃料的市场价格来决定是否用油还是用气作为燃料。控制上就要求油/气能自动切换，即如果将油作为燃料时，要求气路作为手动辅助调节，并且将油路投自动的同时将气路控制自动切换到手动控制。这样就可以避免控制紊乱，所以，对炉子的控制要求更加严格和复杂。

二．加热炉的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：

（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；

（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4。

（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1。

（4）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专门的调节回路保持稳定，以便把扰动因素减少到最低限度。从调节阀动作到温度T1改变，这中间需要相继通过炉膛，管壁和被加热油料所代表的热容积，因此反应很缓慢。工艺对出口温度T1要求很高，一般希望波动范围在±1～2%。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，然后在用出口温度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包括在副环之内，因此可以大大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，采用串级调节可可以收到一定的效果。串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被成为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证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，他们的作用不同。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，因为有个热传导过程，所以滞后大，如果在加一个副环，滞后更大。有时，工艺条件变化比较大，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，二蒸馏炉子控制使用串级控制，同时可以在必要时能主回路单控，这样更利于操作和应付以外情况的处理。

控制燃料的调节阀流量特性也很重要。如果选择直线性的调节阀，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；而在大开度时，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变，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，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。

现在由于提倡降能节耗，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，二蒸馏炉子燃料有燃料气和燃料油两种，工艺根据市场二者价格的高低选用何种燃料。但在控制中，就需要人为地去切换控制，当燃料油作为燃料

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，常常因为把其中油/气路控制投入自动，而忘记把气/油路控制切换到手动，这样就会造成两路都在自动控制，出现控制紊乱，出口温度波动比较大。如果能实现自动切换，就会避免因为人为粗忽而出现的控制紊乱局面。所以，实现油/气燃料的自动切换也是优化控制的重要部分。

二．优化控制的实现

优化控制实际上就是对炉子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油调节阀流量特性的修正。

不同的控制系统实现相同的功能可能难易程度有很大区别。本文就以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。它的操作都是基于类似于DCS命令，例如流程图就要输入命令进行线，点，圆等图形的绘制，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自己开发程序而自带的CL语言，用户可以利用它实现TDC3000标准控制功能无法实现的功能。

2.1炉子主回路单控的串级控制的实现

一般控制系统系统很容易实现炉子的串级控制，该系统也是如此。本文就以炉子的一路进料为例进行论述，其中TT-109是炉子出口温度；TT-105是炉膛温度，TV-105是燃料油调节阀。当炉子燃料为瓦斯气时，对应的控制位号分别是TT-109G，TT-105G，TV-105G。首先创建过程输入/输出点，分别是：TT-109，TT-105，TV-105；然后再创建3个PID点和1个开关，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TIC-105.OP连接到SWTIC-109.X1；把TIC-109P.OP连接到SWTIC-109.X1；把SWTIC-109.OP连接到TV-105.OP上。这样就可以通过选择SWTIC-109的X1和X2选择是投串级还是主回路单控。

上述功能虽然实现啦，但操作员监控是很困难的，因为要想知道现在是单控还是串级，必须要经过键盘把点SWTIC-109的细目调出来，然后查看该点开关位置来确定。这样会大大增加操作时间，而且还要记住X1和X2连接的是串级还是单控，为了便于操作员操作与监控，可以把图3作为1幅流程图，当点击流程图上的阀TV-105时会自动调出图3，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：

图3 上线1，2，3，4，5分别添加属性

控制连线添加脚本语言

1 IF TIC-105.MODE=CAS THEN S W F ELSE S BLACK F

2 IF SWTIC-109.SELXINP=X2 THEN S W F ELSE S BLACK F

3 IF SWTIC-109.SELXINP=X1 THEN S W F ELSE S BLACK F

4 IF SWTIC-109.SELXINP=X1 THEN S W F ELSE S BLACK F

5 IF SWTIC-109.SELXINP=X2 THEN S W F ELSE S BLACK F

在控制连接线上加上如上脚本时，就会在操作时，流程图会显示与实际操作完全一致的控制流程图，这样就让控制更加简单明了，便于操作与监控。

2）. 实现操作切换

要在该图上实现对开关的操作，同样需要编编程实现。可以在文本X1，X2，EXEC和BACK 上分别添加如下表的动作属性，在操作切换时，只要先用触屏点击一下文本X1，然后再点击文本EXEC，这样就完成了对开关的切换工作，把开关切换到了串级。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，点击文本BLACK，流程图就会返回上一页。

文本添加动作脚本语言

X1 S-VAR（VAR04，SWTIC-109.SELXINP）；S-STR（STRING01，“SELECTX1”）；UPDATE（0，0）X2 S-VAR（VAR04，SWTIC-109.SELXINP）；S-STR（STRING01，“SELECTX2”）；UPDATE（0，0）EXEC SS-ENM（G-VAR（VAR04），G-STR（STRING01））；S-STR（STRING01，“”；UPDATE（0，0）BACK QUE-KEY（PRR-DISP）

对于用燃料气控制炉子出口温度，其控制实现方法与上述方法一样。

2.2 炉子油/气燃料控制的自动切换

有时炉子用渣油作为燃料，利用炉子出口温度去自动控制渣油进炉调节阀的开度，有时当控制温度滞后较大时，工艺要求可以用瓦斯作为辅助燃料去提高炉子出口温度，这时瓦斯调节阀就要求操作人员可以人为地调节，即DCS里该阀只能作为手操作器使用，这样我们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的控制系统得实际情况，可以利用切换开关实现油/气路的切换。

油路控制时串级/单控的切换开关是SWTIC-109，气路控制时串级/单控的切换开关是SWTIC-109G。要摘除油路自动控制，而作为手动控制可以把SWTIC-109的控制模式改为MAN，这样串级和单控输出无法达到控制阀，可以人为地修改SWTIC-109的输出而达到调节油路控制阀的目的；如果投自动，可以把SWTIC-109的控制模式改为CAS，这样可以利用串级或者单控实现控制。同样，气路也可以利用SWTIC-109P实现对气路调节阀的自动和手动的切换。

总上所述，要实现油/气路的自动切换其实就是两个开关控制模式的自动切换，即SWTIC-109.MODE=CAS时，必须实现SWTIC-109P.MODE=MAN；当SWTIC-109.MODE=CAS时，必须实现SWTIC-109P.MODE=MAN；。在TDC3000控制系统里，如果要用常规的系统功能根本无法实现两个开关的自动切换。而该系统为用户提供了一个CL编程语言，用户可以根据实际需要进行编程来实现一些特殊的控制功能。所以，本文就是通过CL语言来实现油/气路自动切换的。

CL编程，必须在APM里创建一个PM点，本文创建PM点为SW109P，CL程序名为SW109。具体源程序如下：

SEQUENCE SW109（APM；POINT SW109P）

EXTERNAL SWTIC-109，SWTIC-109P

LOCAL SWTIC-109M ：LOGICAL AT FL（01）

LOCAL SWTIC-109GM ：LOGICAL ATFL（02）

PHASE A1

STEP A1

SET SWTIC-109M，SWTIC-109GM=OFF；

IF SWTIC-109.MODE=MAN THEN (

& SET SWTIC-109M=ON）

IF SWTIC-109G.MODE=MAN THEN (

& SET SWTIC-109GM=ON）

STEP S2

L1: IF SWTIC-109M AND SWTIC-109.MODE =CAS THEN

& ( SET SWTIC-109G.MODETTR=PROGRAM ;

& SET SWTIC-109G.MODE=MAN ;

& SET SWTIC-109G.MODATTR=OPERATOR ;

& SET SWTIC-109M=OFF )

IF NOT (SWTIC-109M) AND SWTIC-109.MODE=MAN

THEN

& ( SET SWTIC-109G.MODATTR=PROGRAM ;

& SET SWTIC-109G.MODE=CAS ;

& SET SWTIC-109G.MODATTR=OPERATOR ;

& SET SWTIC-109M=ON )

IF SWTIC-109GM AND SWTIC-109G.MODE =CAS THEN

& ( SET SWTIC-109.MODETTR=PROGRAM ;

& SET SWTIC-109.MODE=MAN ;

& SET SWTIC-109.MODATTR=OPERATOR ;

& SET SWTIC-109GM=OFF )

IF NOT (SWTIC-109GM) AND SWTIC-109G.MODE=MAN

THEN

& ( SET SWTIC-109.MODATTR=PROGRAM ;

& SET SWTIC-109.MODE=CAS ;

& SET SWTIC-109.MODATTR=OPERATOR ;

& SET SWTIC-109GM=ON )

GOTO L1

END SW109

以上CL程序分为两步实现其功能。STEP/A1是用两个局部变量来表示两个开关（SWTIC-109，SWTIC-109P）的控制模式，如果SWTIC-109的模式为MAN，就把SWTIC109M 值为ON；如果SWTIC-109P的模式为MAN，就把SWTIC109GM值为ON。STEP/A2是判断其中油/气路有一个在自动控制下，就把另一路气/油的控制模式设定为程序控制，然后用程序把它值为手动，然后还要把控制模式的切换权交给操作员。本程序经过编译存盘后，成功地实现了油/气燃料的自动切换控制。

2.3. 调节阀流量特性的修正

前面已经阐述了燃料调节阀流量特性对控制稳定性的影响，我们一般都选用对数特性的调节阀，操作比较平稳。但在二蒸馏实际运行中，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，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。

本文就以渣油作为燃料来分析修正调节阀的特性。常炉的燃料调节阀的流量特性是对数

特性。根据该阀说明书上所述，该阀的理想状态下的阀开度特性和实际开度对照表如表1所示。

表1：阀开度特性和实际开度对照表

DCS输出0% 20% 40% 60% 80% 100%

阀的开度0% 7% 15% 28.5% 50% 100% 阀的实际开度0% 10% 20% 38% 60% 100%

注：该阀为正作用

我们从阀的输入和输出对照表可以看出：随着使用年限的增加，阀的流量特性会发生变化，并且趋向线性。这是因为在长期的使用过程中，由于阀前后存在压差，并且是含硫燃料，所以燃料油对阀芯的腐蚀和冲蚀比较大，这样就会改变阀的流量特性。为了调节平稳缓和，提高调节灵敏度，有必要对该阀的流量特性进行修正。

在TDC3000系统里，模拟量的输出可以进行分段线性化，也就可以最多设定6个对应点。例如当PID输出为20%时，可以人为地定义对应的输出到阀的开度为7%。这样我们可以根据上表实际对应关系，对输出进行修正。根据实际测量绘出的流量特性曲线，在燃料调节阀TV-105的组态里，对输出进行6个点的休整，对应关系如表2所示。

表2：模拟量输出修正表

PID输出0% 20% 40% 60% 80% 100%

AO实际输出0% 17% 33% 49% 73% 100%

修正前后的流量特性曲线示意图如图4所示。从曲线上可以看出，经过休整后的特性曲线更接近对数曲线，在小开度时，流量小，流量变化也小，调节阀放大系数小，调节平稳缓和；在大开度时，流量大，流量变化大，调节阀放大系数大，调节灵敏有效。以同样的方法完成了其它7路燃料调节阀的流量特性的修正工作。

三．结论

二蒸馏装置自2005年4月底开工以来，炉子出口温度的稳定性有了很大提高，使各个侧线的产品产量更加便于控制，产品合格率，装置综合能耗等各项指标均达到了历史最好水平。

经过对炉子的优化控制，炉子的能耗进一步降低，据工艺统计，节省燃料油0.03吨/

小时；燃料气0.01吨/小时；蒸汽0.01吨/小时；轻质油收率提高了0.1%。以市场价计算,燃料油为1810.92元/吨；燃料气2018元/吨；蒸汽160元/吨。这样每年就可以节省能耗66.7万元。另外，也大大降低了重油的结焦概率。装置开工一年来，没有一起调节阀因结焦而无法控制的情况发生。

参考文献:

[1] 《过程控制》清华大学出版社 1993.4

[2] 《调节阀计算选型使用》成都科技大学出版社 1999.3

[3] 《二常减压蒸馏装置工艺技术规程岗位操作法》 1999

[4] 《TDC3000 System site planning》 Honeywell 1993.8

[5] 《TDC3000 培训教材》燕山仿真培训中心 1995.4