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摘 要：热媒间接式加热炉（简称热媒炉）主要完成原油输送、炼化生产过程中的加热任务。热媒炉的最大特点是控制参数多，是大延时纯滞后系统，控制回路复杂，原一直采用模拟时序逻辑控制器，不易达到理想的效果，可编程控制器在热媒炉自控系统中的应用，通过内部程序的运算，实现了热媒炉的最优化运行。降低了系统复杂程度，提高了热媒炉效率和解决了环境污染问题。
关键词：可编程控制器；热媒炉；控制系统
中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-130-2
0 引言
热媒炉是原油长输管道、炼化生产的重要设备之一，主要完成原油输送、炼化生产过程中的加热任务。热媒炉的最大特点是控制参数多，是大延时纯滞后系统，控制回路复杂，不易达到理想的控制效果。但如果控制理想的话，节能效果明显，经济效益和社会效益均很显著。
1 热媒炉自控系统的控制要求
根据热媒炉的工艺特点及控制要求，结合热媒炉检修规程，制定热媒炉控制系统的技术要求如下：
①热媒炉运行稳定，自控设备抗干扰性强，质量可靠。②系统的性能应在原炉的基础上有所提高，控制可靠、量值传递准确。③系统的运行操作应简单、方便，显示界面设置合理，参数读取直观，监视、维修方便。④燃料油压力实现自整定。在燃料油管线上安装了两台自力式压力调节阀，通过修改定值达到了稳定燃料油进炉压力的目的。⑤燃料油系统配备三级电加热器，并通过炉控机实现自动温度控制。⑥简化启停炉操作。在燃料油系统运行正常的情况下，一键启炉，启炉后PLC检测“大小火开关”的状态，当其处于“小火”位时，加热炉维持在最低负荷状态运行；当其处于“大火”位时，加热炉将进入自动调节状态。任何时刻可以手动停炉。⑦完善的加热炉运行安全保护系统。对于参数超限或仪表故障等情况能自动停炉，同时产生声光报警，并且在炉控机上有详细的信息显示。
2 PLC控制器的硬件组成及功能
本次热媒炉改造工程，经过技术和市场调研，选用了Siemens公司的314型可编程序控制器，做为热媒炉的控制核心（炉控机）。
①控制器的核心是以Intel 80486为基础的314型CPU模块。它完成全部的控制、运算任务，并监控其余功能模块的工作状态。②存储模块。是用户程序或检测、控制信息的存放载体。③通讯模块，用于实现与上位机或编程器的信息交流。还可以与其他的PLC连接构成网络，实现更复杂的控制任务。因上位机及其通讯协议未确定，所以该模块及相关通讯软件暂未安装。④I/O模块。用于开关量、数字量或RTD、热电偶、直流电压、电流的输入检测及开关信号或直流标准电压、电流信号的输出。
3 控制系统软件介绍
根据热媒炉的控制要求，PLC控制程序采用模块化结构，由主程序和若干子程序构成。用STEP 7编程软件支持的梯形图逻辑语言编写。
该程序是以原热媒炉自控系统的动作条件和逻辑为基础，结合实际运行经验，在保证热媒炉运行安全的前提下编制而成。
本系统的燃烧控制采用“油风流量比值仿真”调节，既由人工根据热媒炉的负荷百分比，调节燃料油流量，然后根据热媒炉的烟气含氧量显示，调整助燃风流量。由此采集一组数据，既建立“阀特性匹配模型”。以此对应某一工况下热媒炉的不同负荷，燃料油的流量是相对固定的，人工调整助燃风的流量，同时保证烟气含氧量处于4%～6%范围内，这一组参数就是该炉的最佳阀特性匹配参数，既该炉在某一确定工况下的最佳燃烧油风比例。
4 热媒炉自动化控制系统
4.1 I/O量分布
①11个AI量。即热媒入炉温度、出炉温度、原油温度、燃料油温度、烟气出炉温度、排烟温度、助燃风流量、燃料油流量、热媒流量、烟气含氧量和三通阀阀位。②10个DI量。即大小火转换开关、复位按钮、启炉按钮、停炉按钮、燃料油压力开关、助燃风压力开关、雾化风压力开关、火焰故障、热媒罐位低开关和热媒罐位高开关。③3个AO量。即燃料油调节阀开度、助燃风调节阀开度和三通调节阀开度。④5个DO量。即一为开助燃风机、雾化风机和吹扫电磁阀，之二为副火电磁阀和点火电极带电，之三为开主燃料油电磁阀，之四为关覆盖电磁阀、开灭火电磁阀、停热媒循环泵、雾化风机和助燃风机，之五为产生报警状态信号。（如图1）
4.2 热媒炉辅助控制系统及部分参数设定
4.2.1 热媒温度调节系统（PID程序）
监控热媒出炉温度，根据热媒温度外设值调节输出，范围 0-100%，为反作用调节。
4.2.2 原油温度调节系统（PID程序）
检测原油出炉温度，根据原油温度外设值调节输出，范围0-100%（负荷），为反作用调节。
P = 10；I = 0.5；D = 0.05。
4.2.3 氧量微调解系统（PID程序）
当该回路置为自动时起作用。它检测烟气中的含氧量，与给定值比较，运算后输出 -10% — +10%，叠加到风量调节回路，为反作用调节。
P = 5；I = 0.5。
4.2.4 燃料油调节系统（PID程序）
在启炉进行0s时，输出 0（负荷）；在150s时，输出0.15（负荷）；在第179s后，检测燃料油流量，根据燃料油内给定值输出，范围0 — 100%，调节燃料油调节阀。调节作用为反作用。
P = 4；I = 0.1。
4.2.5 报警信息锁存系统
当停炉条件发生时，产生停炉报警信息，供操作人员检查越限的工艺参数。
4.2.6 上位机通讯系统
炉控机上传的信息分别有原油出炉温度、加热炉启/停状态、停炉信息。站控机下传的信息是炉控机控制参数的修改、炉控机程序的修改等。
5 效益分析
5.1 经济效益分析
①热媒炉控制系统改造前后，仅烟气含氧量及合理的负荷调整两项，经委托能源测试中心实际测试，提高炉效2.7%，按企业原有10台热媒炉年实际耗油量23467吨计算，原油价格按4300元/吨计，则每台炉年节省燃料油费用为：
0.43×23467×2.7%/10=27.25（万元）
②热媒炉控制系统改造前，每台炉每年的仪表维护费用大约需要5万元。改造后，系统的各种表计实现了统一的标准化，此项费用约可节省3万元。
单台炉合计年节省费用约30.25万元。
年节约费用30.25×10=302.5万元。
5.2 社会效益分析
①改善了困扰各站多年的环境污染问题。热媒炉控制系统改造后，油风配比良好，炉子燃烧充分，从根本上解决了热媒炉的烟尘污染。②降低了维护人员的劳动强度。旧的自控系统，设备表计陈旧、系统结构复杂，加之系统超期服役，导致仪表维护人员的劳动强度很大。
6 结束语
要保证热媒炉的高效安全运行，自控系统十分重要。本次热媒炉改造工程，通过应用新技术、新理论，实现了热媒炉的优化运行，取得了一定的经济和社会效益。同时提高了维护、运行员工的技术水平。热媒炉的优化运行机理是非常复杂的，要完全实现这一目标，还有很多工作要做。
参 考 文 献
[1] 朱善君，翁章，邓丽曼，周卓伦.可编程控制系统原理应用维护[M].清华大学出版社，1992：43-229.
[2] 李树雄.可编程控制器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2003：44-258.
[3] 王毅.过程装备控制技术及应用[M].化学工业出版社，2001：109-227.
关键词：可编程控制器；热媒炉；控制系统
中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-130-2
0 引言
热媒炉是原油长输管道、炼化生产的重要设备之一，主要完成原油输送、炼化生产过程中的加热任务。热媒炉的最大特点是控制参数多，是大延时纯滞后系统，控制回路复杂，不易达到理想的控制效果。但如果控制理想的话，节能效果明显，经济效益和社会效益均很显著。
1 热媒炉自控系统的控制要求
根据热媒炉的工艺特点及控制要求，结合热媒炉检修规程，制定热媒炉控制系统的技术要求如下：
①热媒炉运行稳定，自控设备抗干扰性强，质量可靠。②系统的性能应在原炉的基础上有所提高，控制可靠、量值传递准确。③系统的运行操作应简单、方便，显示界面设置合理，参数读取直观，监视、维修方便。④燃料油压力实现自整定。在燃料油管线上安装了两台自力式压力调节阀，通过修改定值达到了稳定燃料油进炉压力的目的。⑤燃料油系统配备三级电加热器，并通过炉控机实现自动温度控制。⑥简化启停炉操作。在燃料油系统运行正常的情况下，一键启炉，启炉后PLC检测“大小火开关”的状态，当其处于“小火”位时，加热炉维持在最低负荷状态运行；当其处于“大火”位时，加热炉将进入自动调节状态。任何时刻可以手动停炉。⑦完善的加热炉运行安全保护系统。对于参数超限或仪表故障等情况能自动停炉，同时产生声光报警，并且在炉控机上有详细的信息显示。
2 PLC控制器的硬件组成及功能
本次热媒炉改造工程，经过技术和市场调研，选用了Siemens公司的314型可编程序控制器，做为热媒炉的控制核心（炉控机）。
①控制器的核心是以Intel 80486为基础的314型CPU模块。它完成全部的控制、运算任务，并监控其余功能模块的工作状态。②存储模块。是用户程序或检测、控制信息的存放载体。③通讯模块，用于实现与上位机或编程器的信息交流。还可以与其他的PLC连接构成网络，实现更复杂的控制任务。因上位机及其通讯协议未确定，所以该模块及相关通讯软件暂未安装。④I/O模块。用于开关量、数字量或RTD、热电偶、直流电压、电流的输入检测及开关信号或直流标准电压、电流信号的输出。
3 控制系统软件介绍
根据热媒炉的控制要求，PLC控制程序采用模块化结构，由主程序和若干子程序构成。用STEP 7编程软件支持的梯形图逻辑语言编写。
该程序是以原热媒炉自控系统的动作条件和逻辑为基础，结合实际运行经验，在保证热媒炉运行安全的前提下编制而成。
本系统的燃烧控制采用“油风流量比值仿真”调节，既由人工根据热媒炉的负荷百分比，调节燃料油流量，然后根据热媒炉的烟气含氧量显示，调整助燃风流量。由此采集一组数据，既建立“阀特性匹配模型”。以此对应某一工况下热媒炉的不同负荷，燃料油的流量是相对固定的，人工调整助燃风的流量，同时保证烟气含氧量处于4%～6%范围内，这一组参数就是该炉的最佳阀特性匹配参数，既该炉在某一确定工况下的最佳燃烧油风比例。
4 热媒炉自动化控制系统
4.1 I/O量分布
①11个AI量。即热媒入炉温度、出炉温度、原油温度、燃料油温度、烟气出炉温度、排烟温度、助燃风流量、燃料油流量、热媒流量、烟气含氧量和三通阀阀位。②10个DI量。即大小火转换开关、复位按钮、启炉按钮、停炉按钮、燃料油压力开关、助燃风压力开关、雾化风压力开关、火焰故障、热媒罐位低开关和热媒罐位高开关。③3个AO量。即燃料油调节阀开度、助燃风调节阀开度和三通调节阀开度。④5个DO量。即一为开助燃风机、雾化风机和吹扫电磁阀，之二为副火电磁阀和点火电极带电，之三为开主燃料油电磁阀，之四为关覆盖电磁阀、开灭火电磁阀、停热媒循环泵、雾化风机和助燃风机，之五为产生报警状态信号。（如图1）
4.2 热媒炉辅助控制系统及部分参数设定
4.2.1 热媒温度调节系统（PID程序）
监控热媒出炉温度，根据热媒温度外设值调节输出，范围 0-100%，为反作用调节。
4.2.2 原油温度调节系统（PID程序）
检测原油出炉温度，根据原油温度外设值调节输出，范围0-100%（负荷），为反作用调节。
P = 10；I = 0.5；D = 0.05。
4.2.3 氧量微调解系统（PID程序）
当该回路置为自动时起作用。它检测烟气中的含氧量，与给定值比较，运算后输出 -10% — +10%，叠加到风量调节回路，为反作用调节。
P = 5；I = 0.5。
4.2.4 燃料油调节系统（PID程序）
在启炉进行0s时，输出 0（负荷）；在150s时，输出0.15（负荷）；在第179s后，检测燃料油流量，根据燃料油内给定值输出，范围0 — 100%，调节燃料油调节阀。调节作用为反作用。
P = 4；I = 0.1。
4.2.5 报警信息锁存系统
当停炉条件发生时，产生停炉报警信息，供操作人员检查越限的工艺参数。
4.2.6 上位机通讯系统
炉控机上传的信息分别有原油出炉温度、加热炉启/停状态、停炉信息。站控机下传的信息是炉控机控制参数的修改、炉控机程序的修改等。
5 效益分析
5.1 经济效益分析
①热媒炉控制系统改造前后，仅烟气含氧量及合理的负荷调整两项，经委托能源测试中心实际测试，提高炉效2.7%，按企业原有10台热媒炉年实际耗油量23467吨计算，原油价格按4300元/吨计，则每台炉年节省燃料油费用为：
0.43×23467×2.7%/10=27.25（万元）
②热媒炉控制系统改造前，每台炉每年的仪表维护费用大约需要5万元。改造后，系统的各种表计实现了统一的标准化，此项费用约可节省3万元。
单台炉合计年节省费用约30.25万元。
年节约费用30.25×10=302.5万元。
5.2 社会效益分析
①改善了困扰各站多年的环境污染问题。热媒炉控制系统改造后，油风配比良好，炉子燃烧充分，从根本上解决了热媒炉的烟尘污染。②降低了维护人员的劳动强度。旧的自控系统，设备表计陈旧、系统结构复杂，加之系统超期服役，导致仪表维护人员的劳动强度很大。
6 结束语
要保证热媒炉的高效安全运行，自控系统十分重要。本次热媒炉改造工程，通过应用新技术、新理论，实现了热媒炉的优化运行，取得了一定的经济和社会效益。同时提高了维护、运行员工的技术水平。热媒炉的优化运行机理是非常复杂的，要完全实现这一目标，还有很多工作要做。
参 考 文 献
[1] 朱善君，翁章，邓丽曼，周卓伦.可编程控制系统原理应用维护[M].清华大学出版社，1992：43-229.
[2] 李树雄.可编程控制器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2003：44-258.
[3] 王毅.过程装备控制技术及应用[M].化学工业出版社，2001：109-227.