加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)

1、加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)一、開(kāi)發(fā)背景加熱爐是石化企業(yè)重要的生產(chǎn)工藝設(shè)備，也是企業(yè)消耗燃料的主要設(shè)備。煉油企 業(yè)的總能耗約占原油處理量的8%,其中，加熱爐的燃料能耗約占煉油廠總能耗 的30%50%。加熱爐的節(jié)能降耗是煉油廠節(jié)能工作的重要課題，提高加熱爐的 熱效率，對(duì)于降低煉油廠的能耗、降低煉油生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益是密切相關(guān) 的。加熱爐又是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其運(yùn)行熱效率受到諸多因素的影響。比如加熱 爐設(shè)計(jì)、設(shè)備狀況、燃燒調(diào)整、工藝操作、運(yùn)行負(fù)荷等。加強(qiáng)管理提高現(xiàn)場(chǎng)操作 技能，是提高熱效率重要途徑，但最后仍需要立足于新裝備、新技術(shù)、新工藝的 應(yīng)用，才能進(jìn)一步長(zhǎng)周期、比較穩(wěn)定的提高效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目

2、標(biāo)。加熱爐的操作，很大程度上依賴(lài)于現(xiàn)場(chǎng)管理和現(xiàn)場(chǎng)操作，比如燃燒器的調(diào)風(fēng)門(mén)、 霧化蒸汽調(diào)節(jié)、吹灰器的控制、自動(dòng)點(diǎn)火的控制等。能夠遠(yuǎn)程控制的，應(yīng)當(dāng)包括 介質(zhì)出口溫度的控制、氧含量的控制、負(fù)壓的控制。而目前真正能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 的，只有出口溫度與燃料閥位的閉環(huán)控制。這種依賴(lài)于個(gè)人操作技能的操作方式， 決定了加熱爐的運(yùn)行水平必然是參差不齊的，這樣的技術(shù)現(xiàn)狀與當(dāng)前提倡的節(jié)能 降耗、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求是有差距的。2002年，在濟(jì)南召開(kāi)的中國(guó)石化煉 化企業(yè)加熱爐工作會(huì)議上，與會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為：加熱爐熱效率有待于進(jìn)一步提高，加 強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用和自動(dòng)控制是提高加熱爐熱效率的重要途徑。近年來(lái)，人們加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代控制理論的研究

3、與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了自校正系統(tǒng)、自 適應(yīng)控制、模糊控制、智能控制等新型控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)高校、研究院和企業(yè)逐步 開(kāi)展加熱爐的數(shù)學(xué)模型與仿真研究，開(kāi)展模糊控制算法及智能控制系統(tǒng)的研究， 取得了一些成果并獲得很好的應(yīng)用，在冶金行業(yè)，加熱爐的優(yōu)化控制技術(shù)已研究 多年并正在逐步完善。石化生產(chǎn)裝置多采用集散控制系統(tǒng)，但真正實(shí)現(xiàn)加熱爐自 動(dòng)控制的并不多，只用作數(shù)據(jù)采集、出口溫度的單回路調(diào)節(jié)，模仿代替儀表PID 調(diào)節(jié)，無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能操作狀態(tài)。加熱爐節(jié)能技術(shù)，除了在工藝裝備上進(jìn)行 改進(jìn)外，通過(guò)對(duì)加熱爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。 加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)主要應(yīng)用于冶金、石化、陶瓷、水泥、玻璃

4、等行業(yè)加熱爐和 工業(yè)鍋爐的燃燒控制（燃料可為重油、氣或油氣混燒）。實(shí)例證明，本技術(shù)在冶 金行業(yè)加熱爐應(yīng)用可節(jié)約燃料5%10%，減少氧化燒損20%以上；在石化行業(yè) 加熱爐應(yīng)用可節(jié)約燃料2%以上。由于燃燒控制的優(yōu)化，除具有節(jié)能降耗、提高 產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等直接經(jīng)濟(jì)效益外，還能減少CO及煙塵排放，同時(shí)具有清潔生 產(chǎn)的環(huán)保效益。二、項(xiàng)目概況南京金煉科技有限公司，前身是南京煉油廠設(shè)備研究所，后來(lái)從中國(guó)石化金陵分 公司研究院改制分流設(shè)立的高科技公司。南京金煉科技有限公司長(zhǎng)期從事加熱爐 技術(shù)的研究，下設(shè)加熱爐技術(shù)部、加熱爐工程部、加熱爐測(cè)評(píng)中心，擁有多名加 熱爐知名專(zhuān)家，擁有耐火絕熱材料實(shí)驗(yàn)室、燃燒噴嘴冷態(tài)試

5、驗(yàn)室、自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) 室，是中國(guó)石化加熱爐測(cè)評(píng)中心。測(cè)評(píng)中心具有加熱爐熱效率標(biāo)定，加熱爐故障 診斷分析、加熱爐節(jié)能技術(shù)評(píng)價(jià)等職能，承擔(dān)加熱爐測(cè)評(píng)、節(jié)能改造方案制訂工 作。在加強(qiáng)加熱爐管理和日常爐效監(jiān)測(cè)工作中，我們深切地體會(huì)到煉油企業(yè)加熱爐采 用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)的必要性和迫切性。煉油企業(yè)普遍存在原料品種來(lái)源多變， 加熱爐系統(tǒng)工況波動(dòng)頻繁，加上大多還沒(méi)有配備專(zhuān)職的司爐工，如果不采用更先 進(jìn)的技術(shù)手段，要真正做到保持加熱爐的長(zhǎng)周期高效率運(yùn)行幾乎是不可能的?，F(xiàn) 有控制條件下所能監(jiān)測(cè)到的熱效率，往往只是一個(gè)短期強(qiáng)化操作的結(jié)果，只能維 持一段有限時(shí)間，而整個(gè)加熱爐運(yùn)行周期中的平均熱效率，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到期望的目

6、標(biāo)。管式加熱爐是一個(gè)多目標(biāo)、多變量的控制對(duì)象：被加熱介質(zhì)的工藝參數(shù)變化，燃 料壓力、溫度及燃料品質(zhì)變化，燃燒器的適應(yīng)性，吹灰器的性能，煙道擋板及供 風(fēng)風(fēng)門(mén)的操作性能，以及其它影響加熱爐的復(fù)雜因素，都會(huì)對(duì)加熱爐的運(yùn)行、節(jié) 能、平穩(wěn)操作造成影響。采用一種先進(jìn)的控制系統(tǒng)，充分考慮各種變數(shù)的影響， 將加熱爐始終置于理想的控制狀態(tài)，優(yōu)化加熱爐燃料的燃燒過(guò)程，是我們所追求 的目標(biāo)。傳統(tǒng)控制是以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的常規(guī)PID控制，但實(shí)際的工業(yè)爐窯系統(tǒng) 由于其對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性，很難獲得精確的數(shù)學(xué)模型。而且，固定控制算 法的數(shù)學(xué)模型和常規(guī)PID控制也不能適應(yīng)爐窯多變的工況和非線性問(wèn)題。通過(guò)多年的努力和實(shí)

7、踐，我們避開(kāi)建立精確的數(shù)學(xué)模型、避開(kāi)難以檢測(cè)的操作參 數(shù)，開(kāi)發(fā)出了“在滿(mǎn)足出口溫度的前提下，以燃料消耗最低為控制目標(biāo)的加熱爐 燃燒優(yōu)化控制技術(shù)”?？梢詣?dòng)態(tài)地優(yōu)化加熱爐操作、尋找和記憶最佳路線和最優(yōu) 參數(shù)的組合，使加熱爐始終處于最佳控制狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)加熱爐的節(jié)能和高效運(yùn)行。 加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)，主要用于控制過(guò)?？諝庀禂?shù)，同時(shí)可以對(duì)出口溫度控制進(jìn) 行優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓的優(yōu)化控制、風(fēng)機(jī)的優(yōu)化控制、吹灰器的優(yōu)化控制、霧化 介質(zhì)的優(yōu)化控制等，對(duì)于不能自控的各種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，設(shè)備問(wèn)題、燃料系統(tǒng)問(wèn)題等， 優(yōu)化控制系統(tǒng)將會(huì)給出專(zhuān)家建議，指導(dǎo)解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。加熱爐的過(guò)?？諝鈨?yōu)化控制，將不以氧含量為控制目標(biāo)，而是以實(shí)現(xiàn)工

8、藝要求的 前提下燃料消耗最低作為控制目標(biāo)，以相關(guān)的壓力、流量、溫度等多因素作為檢 測(cè)和控制的對(duì)象，解決儀表檢測(cè)誤差和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不精確帶來(lái)的不利影響，設(shè)定多 項(xiàng)而非單一的控制策略，動(dòng)態(tài)地優(yōu)選、尋找、記憶最佳路線和最優(yōu)參數(shù)組合，使 加熱爐始終處于最佳燃燒狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加熱爐節(jié)能高效運(yùn)行。加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)是以改變控制策略去適應(yīng)爐窯的復(fù)雜性和不確定性，它具有 自學(xué)習(xí)能力，它不是僅依靠數(shù)學(xué)模型工作的，而是能夠根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線 推理和系統(tǒng)辨識(shí)，從而在眾多的應(yīng)對(duì)措施中優(yōu)選出一條能達(dá)到最大熱效率、最小 能耗的控制策略。同時(shí)，該優(yōu)選的控制策略也不是固定不變的，而是隨著爐子工 況的動(dòng)態(tài)變化而變化的。加熱爐優(yōu)化控

9、制技術(shù)具有如下特色：控制規(guī)律的在線自動(dòng)選擇；工作參數(shù)的在線自動(dòng)整定；空/燃配比的在線自動(dòng)尋優(yōu)；設(shè)定值的在線自動(dòng)修正；邏輯推理的在線自學(xué)習(xí)。中石化金陵分公司三套500萬(wàn)噸常減壓加熱爐在煉油企業(yè)中率先采用了加熱爐 優(yōu)化控制系統(tǒng)，2004年3月底完成調(diào)試后正式投運(yùn)，系統(tǒng)在正常生產(chǎn)條件下連 續(xù)運(yùn)行了兩個(gè)月。根據(jù)該系統(tǒng)投運(yùn)后2個(gè)月加工原油的燃料消耗平均值與投運(yùn)前 10個(gè)月的加權(quán)平均單耗相比，取得了明顯的效果。該裝置于2004年6月擴(kuò)建改 造。新增加1臺(tái)常壓爐，并把原有的3臺(tái)加熱爐分別改造為2臺(tái)公用對(duì)流室的淺 減壓爐和1臺(tái)深減壓爐，共4臺(tái)加熱爐，生產(chǎn)能力提高到800萬(wàn)噸。優(yōu)化控制系 統(tǒng)軟件也進(jìn)行了相應(yīng)修改

10、，2005年底改造后的系統(tǒng)完成調(diào)試投運(yùn)。上述控制系 統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的推廣奠定了基礎(chǔ)。為進(jìn)一步提高加熱爐熱效率，中國(guó)石油化工股份有限公司公司煉油事業(yè)部決定在 高橋分公司建設(shè)樣板爐工程，樣板爐采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)集成，改造后樣板爐熱效 率能達(dá)到92%以上，并能保持高效率長(zhǎng)周期運(yùn)行，為今后全面推廣作示范。通過(guò)招標(biāo)，南京金煉科技有限公司的加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，被選為中石化高橋分 公司800萬(wàn)噸常減壓裝置樣板加熱爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該優(yōu)化控制系統(tǒng)是在中石 化金陵分公司三套常減壓爐成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上推出的。主要功能和特點(diǎn)：在實(shí)現(xiàn) 工藝介質(zhì)出口溫度穩(wěn)定的前提下，以工藝介質(zhì)壓力、流量、溫度、輻射室

11、頂部負(fù) 壓、燃料量、輻射室頂部煙氣O2含量、CO含量和排煙溫度等多種參數(shù)作為檢 測(cè)和控制的對(duì)象，并設(shè)定多項(xiàng)控制策略，動(dòng)態(tài)地優(yōu)選、記憶最佳路線和最優(yōu)參數(shù) 組合，最終達(dá)到燃料消耗量最低的目標(biāo)。該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作從2007年12 月開(kāi)始，2008年春節(jié)前后投入試運(yùn)行，累計(jì)數(shù)據(jù)表明，在投用優(yōu)化控制系統(tǒng)后 兩臺(tái)加熱爐的瓦斯單耗：常壓爐的節(jié)能幅度為0.7998%，減壓爐的節(jié)能幅度為 1.1125%。高橋分公司的800萬(wàn)噸常減壓爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)試是成功的，已初 見(jiàn)成效。2008年6月，金陵分公司三套800萬(wàn)噸常減壓裝置在大修期間實(shí)施技術(shù)改造。 我們將高橋分公司樣板加熱爐的優(yōu)化控制系統(tǒng)調(diào)試中所取得的新鮮

12、經(jīng)驗(yàn)，完善后 移植到金陵分公司三套加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)中，調(diào)整和增加了部分儀表測(cè)點(diǎn)和通 訊變量，從根本上解決了 DCS系統(tǒng)CPU負(fù)荷高對(duì)數(shù)據(jù)通訊造成的不利影響，控 制回路也從原來(lái)的9個(gè)增加到14個(gè)，包括出口油溫控制、助燃風(fēng)控制和煙道擋 板調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)變頻控制和預(yù)熱器旁通閥調(diào)節(jié)回路，并將優(yōu)化控制系統(tǒng)工控機(jī)和彩 色顯示器等全部移至中控室內(nèi)。目前已完成了 DCS系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)兩個(gè)方 面相應(yīng)軟硬件的技術(shù)改造和銜接，正在穩(wěn)步進(jìn)行各個(gè)回路的精心調(diào)試和投運(yùn)工 作?？梢哉f(shuō)，加熱爐自動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是源于我們多年在加熱爐上經(jīng)驗(yàn)積累， 是適合石油化工企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)情況、貼合用戶(hù)需求的技術(shù)，是比較先進(jìn)的、實(shí)用的

13、技術(shù)。南京金煉科技股份有限公司的加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，正在步入石化行業(yè)加 熱爐節(jié)能綜合改造中被用戶(hù)首選的、得到逐步推廣和擴(kuò)大應(yīng)用范圍的實(shí)質(zhì)性發(fā)展 階段。三、技術(shù)指標(biāo)主要控制指標(biāo)：控制被加熱介質(zhì)出爐溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍（設(shè)定值土 2C）。自動(dòng)控制達(dá)到輻射室頂部煙氣O2含量蘭3%。煙氣CO含量M100PPm。輻射室頂部負(fù)壓穩(wěn)定在-10Pa-20Pa范圍內(nèi)。加熱爐自動(dòng)優(yōu)化控制系統(tǒng)能根據(jù)加熱爐工況變化，自動(dòng)調(diào)整控制規(guī)律，適應(yīng) 系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種干擾和工況的變化，確保被加熱介質(zhì)出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值的 2C以?xún)?nèi)。加熱爐被加熱介質(zhì)出爐溫度與爐膛溫度串級(jí)調(diào)節(jié)燃料量。加熱爐使用液體和 氣體兩種燃料。當(dāng)加熱爐以氣體燃料

14、為主，液體燃料為輔時(shí)，自動(dòng)優(yōu)化控制系統(tǒng) 可對(duì)氣體燃料進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制；相反，當(dāng)加熱爐以液體燃料為主，氣體燃料為輔 時(shí)，自動(dòng)優(yōu)化控制系統(tǒng)可對(duì)液體燃料進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。兩臺(tái)加熱爐的運(yùn)行方式仍 由DCS系統(tǒng)控制和切換。樣板爐改造中增加了裝置在空氣預(yù)熱器煙氣出口處的O2和CO在線分析儀， 測(cè)定排煙中的O2和CO含量。優(yōu)化控制系統(tǒng)由DCS系統(tǒng)得到O2和CO在線分 析數(shù)據(jù)信號(hào)，以及其他工藝參數(shù)：輻射室頂部負(fù)壓、爐管溫度、燃料量變化等， 經(jīng)過(guò)參數(shù)分析和尋優(yōu)得出最佳風(fēng)量值，通過(guò)變頻調(diào)速器改變供風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 實(shí)現(xiàn)常壓爐和減壓爐總供風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制。通過(guò)輻射室頂部O2分析儀測(cè)得煙氣 氧含量，調(diào)節(jié)熱風(fēng)分配蝶閥的開(kāi)度，

15、實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)加熱爐的供風(fēng)調(diào)整。爐膛壓力大小直接影響爐膛內(nèi)的氣氛，影響爐膛內(nèi)熱量的傳遞，最終影響加 熱爐的熱效率，爐膛負(fù)壓還是加熱爐安全的重要參數(shù)。加熱爐輻射室頂部負(fù)壓控 制，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并結(jié)合煙氣溫度、爐膛溫度和含氧量等諸多工 藝參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)每臺(tái)爐子出口的煙道擋板，使常壓爐和減壓爐輻射室頂部負(fù)壓 控制在-10Pa-20Pa范圍內(nèi)。優(yōu)化控制系統(tǒng)在對(duì)加熱爐以供風(fēng)為主的控制過(guò)程中，還要求同時(shí)替代DCS系 統(tǒng)對(duì)出口油溫，以及與加熱爐有關(guān)的其它參數(shù)實(shí)施協(xié)調(diào)一致的控制，以取得最佳 的控制效果。四、系統(tǒng)構(gòu)成加熱爐優(yōu)化控制是以DCS為基礎(chǔ)，另外配置工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)） 一套、通訊轉(zhuǎn)換

16、器等，組成優(yōu)化控制系統(tǒng)的硬件。優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟件安裝在工 控機(jī)硬盤(pán)上。工控機(jī)通過(guò)通訊線纜，與DCS的通訊接口連接，實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù) 交換。優(yōu)化控制系統(tǒng)工控機(jī)安裝在中控室，DCS增加用于通訊的兩個(gè)串行接口，在DCS 遠(yuǎn)程站和中控室之間，通過(guò)通訊電纜建立與優(yōu)化控制專(zhuān)用工控機(jī)的連接。DCS 通過(guò)組態(tài)設(shè)計(jì)和修改，增加用于運(yùn)行狀態(tài)切換的畫(huà)面，以實(shí)現(xiàn)加熱爐優(yōu)化控制投 運(yùn)切換。全系統(tǒng)的硬件概略構(gòu)成如圖1所示：在實(shí)施改造時(shí)，按照加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)需要，在DCS中開(kāi)辟一個(gè)用于通訊變 量存儲(chǔ)的臨時(shí)區(qū)域，包括各主控回路溫度、壓力、流量和閥位信號(hào)，控制變量、 狀態(tài)識(shí)別信號(hào)和報(bào)警聯(lián)絡(luò)信號(hào)等。根據(jù)控制對(duì)象加熱爐的不同特點(diǎn)，

17、以及優(yōu)化控 制過(guò)程的需要，因地制宜，確定工控機(jī)與DCS雙向通訊的信號(hào)清單通訊變量 表和控制回路一覽表。圖中切換開(kāi)關(guān)為“軟開(kāi)關(guān)”，相當(dāng)于DCS界面的 操作“按鈕”。接收數(shù)據(jù)：工控機(jī)不直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等發(fā)生關(guān)系，自動(dòng)優(yōu)化控制系統(tǒng) 所需的所有數(shù)據(jù)，全部通過(guò)DCS獲得。其中絕大部分可利用現(xiàn)有儀表位號(hào)的信 號(hào)，如果還缺少個(gè)別優(yōu)化過(guò)程所需要的重要變量，則應(yīng)考慮增加。發(fā)送數(shù)據(jù)：加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)從DCS中取得的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析、優(yōu)化和 運(yùn)算后，得出最佳閥位值送到DCS中的通訊區(qū)域，然后由DCS作出判斷，再?zèng)Q 定是否從通訊區(qū)域取出，送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而不是由工控機(jī)直接控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)。圖1自動(dòng)優(yōu)化

18、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖必須在DCS系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)工控機(jī)之間建立可靠的雙向通訊，是實(shí)現(xiàn)加熱 爐自動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)的核心之一。我們可以把加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)看作是DCS 上掛接的一個(gè)加熱爐優(yōu)化芯片，加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的所有輸入、輸出數(shù)據(jù)都是 通過(guò)現(xiàn)有DCS系統(tǒng)取得和送出去的。當(dāng)系統(tǒng)在原DCS狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為加 熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)不存在，也絲毫不會(huì)影響DCS的運(yùn)行。無(wú)論在調(diào)試時(shí)或是投 運(yùn)后，在出現(xiàn)任何異常波動(dòng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作都可以隨時(shí)快速地切換回到原DCS系 統(tǒng)控制狀態(tài)運(yùn)行，保證非正常工藝狀況下生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，確保不會(huì)出現(xiàn)任何意 外問(wèn)題。在實(shí)施改造時(shí)對(duì)原DCS系統(tǒng)軟硬件兩個(gè)方面所要求修改的工作量也是 最少

19、的。在DCS操作屏上點(diǎn)擊各回路投運(yùn)優(yōu)化控制用的切換開(kāi)關(guān)，就可以方便 地投入或退出優(yōu)化控制運(yùn)行狀態(tài)。上述兩個(gè)系統(tǒng)的連接的架構(gòu)，確保了本方案可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性按照加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)要求，在DCS中開(kāi)辟一個(gè)內(nèi)部地址不超過(guò)40000 40255范圍的保持繼電器，作為雙方通訊變量的存儲(chǔ)區(qū)域。其中包括各主控回路 的溫度、壓力、流量和閥位信號(hào)，控制變量、狀態(tài)識(shí)別信號(hào)和報(bào)警聯(lián)絡(luò)信號(hào)等。 考慮到編程方便和實(shí)際效果，這些信號(hào)被分為若干區(qū)段，DCS系統(tǒng)發(fā)送給加熱 爐優(yōu)化控制系統(tǒng)的變量和控制信號(hào)，加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)送給DCS系統(tǒng)的閥 位信號(hào)、報(bào)警信號(hào)和通訊狀態(tài)識(shí)別信號(hào)等。在DCS系統(tǒng)的組態(tài)修改中，還要求 實(shí)現(xiàn)如

20、下新增功能：新增串行通訊接口，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與DCS之間雙向數(shù)據(jù)交換。新增優(yōu)化控制所涉及的各回路的投運(yùn)“切換操作畫(huà)面”。新增與工控機(jī)通訊狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。如出現(xiàn)DCS與工控機(jī)通訊故障，DCS “切 換操作畫(huà)面”中接收的閥位數(shù)據(jù)應(yīng)呈報(bào)警色，同時(shí)有系統(tǒng)報(bào)警。加熱爐優(yōu)化控制投運(yùn)后，DCS “切換操作畫(huà)面”將顯示來(lái)自工控機(jī)、并已傳送至 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)變化著的閥位數(shù)據(jù)，同時(shí)該畫(huà)面中“控制狀態(tài)”欄目中的顯示也要相應(yīng)改變。DCS “切換操作畫(huà)面”上，退出優(yōu)化控制后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊顯示現(xiàn)場(chǎng)閥位的數(shù)字目 標(biāo)，將直接彈出DCS原有各回路操作功能塊畫(huà)面，便于操作者進(jìn)行DCS “自動(dòng) 手動(dòng)”切換，快速修正閥位和

21、溫控目標(biāo)設(shè)定值。五、控制過(guò)程加熱爐自動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)是以改變控制策略，去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性。 它具有自學(xué)習(xí)能力，具有適應(yīng)性、容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和人機(jī)協(xié)同的特征。它不是簡(jiǎn) 單地依靠數(shù)學(xué)模型，而且能夠根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累，進(jìn)行在線推理和系統(tǒng)辨識(shí)， 在線整定和優(yōu)選最佳的控制路線?？杖急茸詣?dòng)優(yōu)化 過(guò)剩系數(shù)系數(shù)大小取決于燃燒時(shí)所配風(fēng)量的大小，即空燃比的 大小?？杖急鹊膬?yōu)劣，直接關(guān)系到是否節(jié)約燃料。自控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)儀表檢測(cè)的多 種參數(shù)進(jìn)行綜合分析判斷，在實(shí)現(xiàn)工藝介質(zhì)出口溫度要求的前提下，以燃料消耗 量最低為主要控制目標(biāo)，以相關(guān)的溫度、流量和壓力作為檢測(cè)控制對(duì)象，以減少 儀表檢測(cè)誤差和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不精確帶來(lái)的

22、不利影響，在工況頻繁變動(dòng)的條件下， 使加熱爐始終處于最佳燃燒狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)加熱爐的節(jié)能和持續(xù)的高效率運(yùn)行。多種控制規(guī)律在線自動(dòng)選擇加熱爐的控制規(guī)律是隨著工況變化而自動(dòng)變換的。 在加熱爐介質(zhì)或燃料發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)重新搜索出當(dāng)前工況 的最佳空燃比，也即空燃比的自動(dòng)尋優(yōu)；當(dāng)介質(zhì)的溫度或流量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng) 會(huì)提前自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料供給量，以便及時(shí)準(zhǔn)確地控制介質(zhì)的溫度。在確保介質(zhì)溫度 控制在設(shè)定值的范圍以?xún)?nèi)的同時(shí)，能夠自動(dòng)地找到最佳配風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能燃 燒。建立操作數(shù)據(jù)庫(kù)在線自學(xué)習(xí)隨著控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)、 經(jīng)驗(yàn)會(huì)更加豐富，系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性會(huì)得到進(jìn)一步加強(qiáng)。工作參數(shù)在

23、線自動(dòng)整定無(wú)論工況變化和外部擾動(dòng)，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)保持最佳的工 作參數(shù)和良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，調(diào)節(jié)精度能始終保持在工藝要求的范圍之內(nèi)。以增強(qiáng)型的PID調(diào)節(jié)過(guò)程為例，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：V=KPxE+KljEdt+KDxdE/dt式中：E=V。V在常規(guī)PID中，KP、KI、KD都是由人工整定的，一旦整定好就固定不變，而 在本系統(tǒng)的優(yōu)化PID調(diào)節(jié)中，可根據(jù)偏差E和dE / dt來(lái)自動(dòng)整定。也即：KP=f (E , dE / dt)KI=f (E , dE / dt)KD=f (E , dE / dt)六、系統(tǒng)安全優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不影響現(xiàn)有DCS的正常工作，并且要在不影響正常生產(chǎn)的 條件下進(jìn)行調(diào)試，優(yōu)化控制系統(tǒng)

24、除了在內(nèi)部作控制優(yōu)化運(yùn)算以外，不作其他人為 操作，沒(méi)有不同模式的人機(jī)交互。優(yōu)化控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了如下安全因 素：.數(shù)據(jù)交換的安全設(shè)計(jì)MODBUS通訊規(guī)約是一個(gè)完全可靠的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化控制系統(tǒng)接收DCS的數(shù) 據(jù)可靠，從系統(tǒng)安全性考慮，優(yōu)化控制系統(tǒng)輸出的閥位控制信號(hào)，不是直接送達(dá) 現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是由DCS系統(tǒng)界面中新增的該回路切換按鈕所決定，調(diào)試 時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)出現(xiàn)任何問(wèn)題，可以隨時(shí)切換回到DCS系統(tǒng)，調(diào)試時(shí)是可以確 保安全的。.系統(tǒng)無(wú)擾動(dòng)切換設(shè)計(jì)：當(dāng)系統(tǒng)在DCS控制下運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化控制的設(shè)定值始終跟蹤過(guò)程值；優(yōu)化控制的 輸出也始終跟蹤DCS的實(shí)際輸出。當(dāng)系統(tǒng)從DCS切換到優(yōu)化控制時(shí)，

25、由于設(shè)定 值和輸出都是跟蹤切換前的實(shí)際值，顯然是無(wú)擾動(dòng)的。同樣，系統(tǒng)在優(yōu)化控制下 運(yùn)行后，再切回到DCS時(shí)，DCS已經(jīng)處于手動(dòng)狀態(tài)，DCS設(shè)定值也始終跟蹤現(xiàn) 場(chǎng)閥位。所以系統(tǒng)無(wú)論如何切換，都是無(wú)擾動(dòng)的切換。3.調(diào)試時(shí)正常生產(chǎn)保障：優(yōu)化控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)是既有聯(lián)系，又相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)。在調(diào)試時(shí)出現(xiàn) 一些波動(dòng)，任何時(shí)刻都還可以切換到DCS運(yùn)行，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。調(diào)試初 期，DCS系統(tǒng)技術(shù)人員保駕，如有涉及DCS系統(tǒng)的問(wèn)題，可迅速處理。整個(gè)調(diào) 試期間優(yōu)化控制(金煉公司)技術(shù)人員全程跟蹤，正式投運(yùn)后繼續(xù)保駕運(yùn)行一段 時(shí)間。4 .優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件的不斷優(yōu)化：系統(tǒng)控制軟件中增強(qiáng)了優(yōu)化分析和邏輯判斷的

26、有關(guān)功能。對(duì)優(yōu)化控制輸出值，采 取“軟限位”和“硬限位”兩種方法，以確?？刂戚敵鲋档目煽啃院头€(wěn)定性。5.監(jiān)測(cè)報(bào)警優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件的安裝已經(jīng)和DCS操作臺(tái)整合，當(dāng)切到優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， DCS和優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件都有通訊狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)任何通訊異常，DCS 操作畫(huà)面上都會(huì)有報(bào)警提示。如何處置完全由DCS系統(tǒng)操作人員決定。七、應(yīng)用效果高橋分公司優(yōu)化控制系統(tǒng)于2008年1月完成現(xiàn)場(chǎng)第一階段調(diào)試后進(jìn)入試運(yùn) 行，每天白班8時(shí)至16時(shí)投運(yùn)優(yōu)化控制，夜班仍恢復(fù)DCS控制。隨后優(yōu)化控制 運(yùn)行延長(zhǎng)至每天20時(shí)，夜班恢復(fù)DCS控制。2008年2月下旬，優(yōu)化控制24小 時(shí)連續(xù)運(yùn)行。.溫控回路控制特性?xún)?yōu)化控制系統(tǒng)

27、在控制策略和軟件編程中十分強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定，特別是針對(duì)加熱爐 這樣一個(gè)具有明顯“熱慣性”滯后特征的系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)上要求在以穩(wěn)為主。在生 產(chǎn)需要改變出口油溫設(shè)定時(shí)，能在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)。在高壓瓦斯波動(dòng)時(shí)及時(shí) 跟蹤調(diào)節(jié)燃料量，保證出口油溫能控制在設(shè)定目標(biāo)值的2C以?xún)?nèi)。在加熱爐工況較穩(wěn)定的條件下，出口油溫能控制得相當(dāng)平穩(wěn)，瓦斯閥的調(diào)節(jié)幅度 也較小，控制特性穩(wěn)定。圖2是在穩(wěn)態(tài)條件下減壓爐北爐膛的溫控曲線。優(yōu)化控制系統(tǒng)主回路溫控的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。在改變給定目標(biāo)值22.5C擾動(dòng)下， 大約在需要經(jīng)過(guò)url= 8 /url10mj1分鐘出口油溫達(dá)到新的目標(biāo)值，反應(yīng)時(shí)間比DCS遲緩一些，但基本上沒(méi)有明顯 的過(guò)調(diào)現(xiàn)象

28、，整個(gè)控制過(guò)程比較穩(wěn)定（見(jiàn)圖3）。如果適當(dāng)改變PID控制參數(shù)，從給出擾動(dòng)到達(dá)到改變后的新目標(biāo)值，所需要響 應(yīng)時(shí)間可明顯縮短，動(dòng)態(tài)特性得到改善，但瓦斯調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)量較大，引起 爐膛溫度變化也較大，出口油溫也會(huì)稍有過(guò)調(diào)現(xiàn)象（見(jiàn)圖4）。選取不同的PID 參數(shù)組合，得到不同的控制特性，就能兼顧各方面的因素，使控制特性進(jìn)一步得 到優(yōu)化。在加熱爐運(yùn)行過(guò)程中最常見(jiàn)的擾動(dòng)是瓦斯壓力波動(dòng)，當(dāng)然，這種情況是可遇而不 可求的，在調(diào)試和試運(yùn)行過(guò)程中，記錄到兩組溫控曲線。在瓦斯壓力比較緩慢波 動(dòng)上下幅度0.05MPa的情況下，出口油溫控制在目標(biāo)值的1C以?xún)?nèi)，從圖5中 可以看到溫控偏差在大部分時(shí)間能保持在土0.5C以

29、內(nèi)，仍能達(dá)到較高的精度。在 瓦斯壓力出現(xiàn)大幅 度并且是屬于比較顯著的突變時(shí)，（上下波動(dòng)幅 度為 0.24MPa0.36MPa，4分鐘內(nèi)從0.30MPa上升到0.36MPa），影響到出口油溫也 造成了明顯的波動(dòng)，但還能控制在加熱爐工藝要求的2C以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖6）。優(yōu)化 控制系統(tǒng)主回路溫控特性良好。優(yōu)化控制系統(tǒng)在的溫控回路中，由于在常規(guī)PID的基礎(chǔ)上引進(jìn)了多變量，自動(dòng) 變參數(shù)的調(diào)節(jié)過(guò)程，精心調(diào)試后的溫控精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性均優(yōu)于DCS控制。.助燃風(fēng)回路控制效果助燃風(fēng)控制是優(yōu)化系統(tǒng)的核心。在優(yōu)化前助燃風(fēng)閥位基本上是固定不動(dòng)的，操作 人員只是在處理量改變或爐況有大的變化時(shí)才進(jìn)行遙控操作。常壓爐助燃風(fēng)閥門(mén) 開(kāi)

30、度HC8206 一般固定在55%，減壓爐助燃風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度HC8205 一般固定在29%。 圖7為優(yōu)化控制投運(yùn)前，助燃風(fēng)閥固定不變，當(dāng)時(shí)進(jìn)常壓爐的瓦斯流量變化也不 算大，但氧含量的波動(dòng)幅度還是將近達(dá)到1%，平均值也偏高，約在2.85%左右。 從調(diào)試和試運(yùn)行期間的綜合情況看，優(yōu)化控制系統(tǒng)助燃風(fēng)回路投運(yùn)后，助燃風(fēng)閥 位受優(yōu)化控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，常壓爐助燃風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度在45%60%之間變化，減 壓爐助燃風(fēng)閥門(mén)開(kāi)度在18%32%之間變化，經(jīng)常性調(diào)節(jié)范圍常壓爐在48% 54%之間，減壓爐在20%27%之間，平均都比優(yōu)化控制投運(yùn)前關(guān)小了一些。助燃風(fēng)閥門(mén)的開(kāi)度，是綜合考慮加熱爐的處理量，即根據(jù)其負(fù)荷強(qiáng)度，參考瞬時(shí)

31、瓦斯流量和氧含量大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖8為優(yōu)化控制投運(yùn)后，助燃風(fēng)閥在多參數(shù) 模糊調(diào)節(jié)模式下自動(dòng)尋優(yōu)，氧含量趨向于控制在較低的更合理的水平之上，加熱 爐工況穩(wěn)定，熱效率有所提高。圖9圖10是瓦斯流量明顯波動(dòng)之下的氧含量 曲線。圖11為風(fēng)回路優(yōu)化控制全部投運(yùn)后，兩臺(tái)加熱爐和排煙總氧含量曲線圖。圖12為金陵分公司三套常減壓加熱爐在本次改造后，2008年9月常壓爐助燃風(fēng) 回路調(diào)試曲線。在優(yōu)化控制投運(yùn)前，該常壓爐的助燃風(fēng)閥位開(kāi)度固定30%，對(duì)流 室氧含量較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在5%以上；優(yōu)化控制投運(yùn)后，助燃風(fēng)的閥位開(kāi)度逐步 地減小到22%左右，對(duì)流室氧含量也隨之降低到3.5%以下。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定 但趨勢(shì)明顯。.節(jié)約能耗的初步統(tǒng)計(jì)為便于對(duì)照分析優(yōu)化控制系統(tǒng)投運(yùn)后，對(duì)加熱爐節(jié)約能耗方面所作的貢獻(xiàn)，在系 統(tǒng)程序中加入了單耗統(tǒng)計(jì)記錄功能，分別累計(jì)和記錄優(yōu)化控制投運(yùn)和不投運(yùn)時(shí)， 常壓爐和減壓爐的加工處理量、加熱溫差、瓦斯流量和累計(jì)時(shí)間，并進(jìn)行單耗計(jì) 算。瓦斯累積量（立方米）單耗=（立方米瓦斯/噸進(jìn)料七）累積進(jìn)料量（噸）乂平均溫差（C）式中：瓦斯累積量：常壓爐FD8123，減壓爐FD8138；累積進(jìn)料量：常壓爐FD8120，減壓爐FD8126；平均溫差：常壓爐（TC8018ASP+TC8018BSP