SMPT-1000加热炉控制系统设计

第24卷 第11期2017年11月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
EIC Vol.24
2017 No.11
SMPT-1000加热炉控制系统设计
王美刚
（山西大学 自动化系，太原 030013）
摘要：加热炉是石化企业的重要设备，运行情况直接关系到后一工序的操作工况和产品质量。

文章以强制通风式加热炉作为研究对象，在分析对象工艺流程和工作特性的基础上，进行了加热炉综合控制系统的设计。

利用西门子PCS7过程控制系统和SMPT-1000对系统进行实施，结果表明该方案设计合理，运行稳定可靠。

关键词：加热炉；SMPT-1000；PCS7
中图分类号：TP273 文献标志码：A
Design of SMPT-1000 Heating Furnace Control System
Wang Meigang
(Department of Automation, Shanxi University, Taiyuan, 030013, China)
Abstract：The heating furnace is the important equipment of petrochemical enterprises, and the running running state is directly related to the operation conditions and product quality of the latter process. In this paper, the design of the integrated control system for heating furnace is carried out on the basis of analyzing the process flow and working characteristics of the forced ventilation heating furnace.The system was implemented using Siemens PCS7 process control system and SMPT-1000,and the application of the actual production shows that the design of heating furnace control system is reasonable, reliable and it meets the technological requirements.
Key words：furnace； SMPT-1000；PCS7
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2017.11.002
文章编号：1671-1041(2017)11-0006-05
收稿日期：2017-08-01
作者简介：王美刚（1977-），男，太原人，硕士，讲师，研究方向：过程控制。

0 引言
加热炉广泛应用于工业生产中，它是用燃料燃烧产生的炽热火焰与烟气去加热炉管中流动的介质，使其达到规定的温度，供给下一步工序分馏、裂解和反应等过程中需要的热量，保证生产的正常进行[1]。

加热炉对象比较复杂，惯性大、滞后大、耦合性强、不容易直接建模，控制有一定的难度。

笔者以SMPT-1000加热炉作为研究对象，该系统流程直观、易于理解、通用性强。

在了解其工艺流程基础上，设计了温度为主要被控量的串级控制系统，选用西门子PCS7过程控制系统进行了实施，控制效果满足要求[2]。

1 工艺流程分析
被控对象是SMPT-1000强制通风式加热炉如图1所示，冷物料从上料泵出去，经过管路阀门，流入换热器预热，
同时对热物料的温度进行调节，从换热器管路出去的物料进入加热炉的对流段。

对流段管路众多，炉膛产生的高温烟气穿过管间，与管中物料换热，物料吸收烟气中的热量进一步预热。

从对流段流出后，物料全部到达加热炉辐射段，在那里受到燃烧器火焰热辐射变成高温热物料。

从辐射段出去的高温热物料，又进入换热器，与开始的冷物料换热后，达到指定的温度输送给下一道工序[3]。

2 控制方案
加热炉属于传热设备，又是火力加热设备，燃料燃烧产生的炽热火焰与烟气去加热炉管，再由炉管加热其中流动的介质。

换热对象有3个部分：炉膛对流段、辐射段、换热器，属于多级换热，3个部分相互关联，准确把握好各部分之间的耦合关系，才能实现良好的控制效果。

加热炉对象复杂、内部机理繁杂、直接建模比较困难，控制有难度。

王美刚·SMPT-1000加热炉控制系统设计
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图1 加热炉工艺流程
Fig.1 Process flow of heating furnace
在分析了对象工艺流程和工作特性后，笔者设计了如下控制系统：物料单回路控制；物料出口温度—炉对流段入口温度串级控制；烟气含氧量—风量串级控制；炉膛负压控制系统。

2.1 物料流量单回路控制
作为加热炉负荷的物料，其流量波动会引起燃料量和空气量的变化，影响加热炉的正常运行。

物料流量受到的干扰比较少，所以采用单回路即可满足要求。

控制方框图如图2所示。

图2 物料流量单回路控制
Fig.2 Material flow single loop control block diagram
2.2 物料出口温度–炉对流段入口温度串级控制系统
最终被控量是从换热器出去的热物料温度，对加热炉而言，物料出口温度控制指标的要求相当严格，而加热炉的干扰因素比较多，除进料流量、进料温度外，其它干扰因素最后都反映在炉膛温度上，物料出口温度由于热传递滞后，反应比炉膛温度要慢得多。

如果用加热炉物料出口温度作为被调量，燃料量作为操纵量构成单回路控制系统。

这种控制方案比较简单，但有缺点：当燃料压力波动时会引起物料出口温度的明显变化，再加上传热滞后和测量变送环节滞后都比较大，会使控制不及时，加热炉出口温度有很大波动，达不到工艺生产的要求。

因此，简单控制系统仅仅适用于以下一些情况：工艺对出口温度要求不严格；外来干扰缓慢而且比较小、不频繁；炉膛容量小，其滞后不大。

为改善控制品质，满足生产的需要，在物料出口温度单回路控制基础上增加一个温度控制量，改用物料出口温度与对流段入口温度串级控制系统，控制框图如图3所示。

采用串级控制系统后，当燃料侧扰动作用于系统时，首先使炉膛温度发生变化，物料出口温度还没有来得及变化，这时主控制器输出不变，炉膛温度测量值发生变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变燃料阀的开度，改变燃料量，最终使得炉膛温度趋于稳定；同时炉膛温度的变化也会引起管壁温度的变化，进而影响物料出口温度的变化，使主控制器的输出发生变化，由于主控制器的输出是副控制器的给定。

因此，副控制器的给定和测量值将同时变化，进一步加速了控制系统克服燃料侧扰动的调节过程，使主被控量物料出口温度恢复到设定值。

当负荷侧扰动作用于系统时，主控制器通过外回路及时调节副控制器的设定，使炉膛温度变化，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时根据炉膛温度的测量值的变化进行调节，使炉膛温度根据物料温度及时调整，
使原料的出口温度迅速回复到设定值。

内回路的存在使相
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图3 物料出口温度控制框图
Fig.3 Material export temperature control block diagram
图4 烟气含氧量控制框图
Fig.4 The flue gas oxygen content control block diagram
位滞后明显减小，外回路的动态品质得到了提高。

因此，对负荷侧扰动的抑制能力也有提高。

副回路入口温度的超前作用，可以克服物料出口温度的滞后。

当有干扰反映到炉膛温度时，能提前起到一定的控制作用，使得控制质量得到明显改善。

该方案需要注意的是必须找出反应快且能代表炉膛情况的测温点，且测温元件及保护管道必须能够耐高温。

2.3 风量-烟气含氧量闭环控制
加热炉燃烧系统的目的是燃烧所产生的热量适应负荷的需要，所以要使燃料与空气量保持一定的比值，确保经济燃烧，提高加热炉的燃烧效率，但由于燃料成分可能变化等因素，不同工况下两个量的最佳比值是不同的，固定的空燃比会影响到炉子的燃烧效率，降低炉子的热效率，所以为保证经济燃烧，可以采用烟气含氧量来修正燃料流量和空气流量的比值，组成变比值控制系统。

总体上可以看作是一个串级系统，主回路是烟气含氧量控制回路，燃料流量与空气量比值控制回路作为副回路，控制框图如图4所示。

2.4 炉膛负压单回路控制
加热炉的燃烧工况最早反应在炉膛负压，随后才会波及到火检、火焰的变化。

炉膛负压常处于波动状态，波动剧烈时，还有可能会产生灭火，必须对炉膛负压进行控制和监控，以保证燃烧稳定。

分析炉膛负压影响因素，由于空气量已经随燃料量变化，所以影响炉膛负压因素只能选烟气排放量，用烟气排放量作为操纵变量，够成单回路控制系统如图5所示。

图5 炉膛负压控制框图
Fig.5 Furnace pressure control diagram
3 系统实现
3.1 产品选型[4]
本加热炉控制系统选用全集成自动化思想的西门子PCS7过程控制系统，CPU选择412-3，通信模块选择以太网模件CP443-1, 输入输出模块选择分布式I/O ET200M、AI模
块SM331、AO模块SM332、DI模块SM321、DO模块SM322。

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3.2 系统设计和调试
利用PCS7 SIMATIC Manager进行AS组态、OS组态、网络组态，利用模块化的编程工具CFC编制上述各个控制回路，SFC编制自动开车程序、编译所有程序、进行硬件下载和软件下载，完成控制系统的调试和投运，包括控制器的参数整定[5]。

3.3 响应曲线及性能分析
加热炉装置很复杂，滞后大、惯性大、耦合性强。

因此，本系统针对不同的被控量采用不同的控制方案，如流量、压力等无惯性和延迟的控制量，采用单回路就可以达到控制目标；但像温度这种有惯性、有延迟特性的对象，采用简单的单回路根本无法达到控制要求，所以本系统采用串级控制回路来控制物料的出口温度。

图6所示为开车过程响应曲线图，从图中可以看出，提升负荷至31kg/s后，物料流量按要求提升到指定产量31kg/s ±0.5kg/s范围内；物料出口温度到达稳态的时间短，温度值稳定在240℃±1℃范围内，超调小、动态性能优良、在到达稳态后很平稳；烟气含氧量稳定在1%~3%范围内，稳态保持时间不小于5min。

图7所示为加入温度设定干扰的响应曲线，设定值改变后，燃料量和空气量都有波动，烟气含氧量有所降低，但仍然维持在1%~3%范围内；对流段出口温度由原先的141℃升至151℃左右，辐射段出口温度由原先的272℃升至292℃左右，物料出口温度由原先的240℃升至259℃左右，曲线很平稳。

图8所示为加入物料流量扰动的响应曲线，从图中可以
图6 开车过程
Fig.6 Startup procedure
图7 温度设定干扰响应
Fig.7 Disturbance response due to temperature setting
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仪器仪表用户INSTRUMENTATION 看出，在加入扰动后，系统反应灵敏，通过调整燃料量和空气量，很快就使得各参数都稳定在各自指定范围内。

4 结束语
以SMPT-1000加热炉为研究对象，分析了系统的工艺流程和控制需求，设计了相关控制回路，并利用西门子全集成过程控制系统PCS７完成了系统整体设计，实现了热物料出口温度的控制，各项指标都达到要求。

结果表明控制方案设计合理、系统运行安全稳定、控制效果较好，具有很强的抗干扰能力。

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图8 物料流量扰动的响应
Fig.8 Disturbance response due to material flow。