林志強

(基伊埃工程技術(shù)(中國)有限公司,上海 201109)

金陵石化加熱爐智能控制技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用

林志強

(基伊埃工程技術(shù)(中國)有限公司,上海 201109)

經(jīng)對金陵石化加熱爐進行深入的了解和分析得知,加熱爐爐膛溫度大多采用手動控制,波動較大。在積累了大量歷史運行數(shù)據(jù)的情況下,對原加熱爐控制系統(tǒng)進行了升級改造。采用智能專家控制技術(shù),使爐膛溫度得到了有效控制,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了能耗,減少了排放,為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。由于節(jié)能降耗效果顯著,該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于石化企業(yè)的多個加熱爐中。

加熱爐 爐膛溫度 爐膛壓力 空燃比 自動尋優(yōu) 控制策略 PID控制 智能控制

0 引言

金陵石化第一聯(lián)合車間三套常減壓裝置目前加工能力為年產(chǎn)500萬t,其中常壓爐2臺,減壓爐1臺。燃料主要有油、高壓瓦斯和低壓瓦斯,因此燃燒方式也就有3種,即只燃燒油、只燃燒氣和油氣混合燃燒。裝置原控制系統(tǒng)是Honeywell公司的TDC-3000 DCS系統(tǒng),加熱爐的控制都較為簡單,基本上都是單回路控制。通過智能控制技術(shù)改造后,加熱爐不但在降低油耗方面非常顯著,并能減少煙塵,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 存在的問題和難點

1.1 控制策略與對象特性不相適應(yīng)

常規(guī)PID只適合于線性調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)工況、小偏差系統(tǒng),對于加熱爐這種時變和大偏差的特性就存在局限性,特別是加熱爐的非線性特性更難以適應(yīng)。PID的3個參數(shù)隨時需要重新整定,否則系統(tǒng)再投入自動時就很難適用,調(diào)節(jié)特性波動很大。交叉限幅控制雖能改善大偏差的調(diào)整,但對加熱爐頻繁波動的燃料發(fā)熱值、壓力以及爐子的非線性等仍然無能為力。

1.2 檢測的困難

在工業(yè)爐中,許多控制所需的物理量很難在線檢測,如控制最佳空燃配比就很難在線測出燃料的發(fā)熱值和爐子的熱效率,這給前饋控制帶來很大困難。而燃燒后的煙氣中的殘氧量的檢測也不盡人意,它對檢測環(huán)境要求高,滯后大,標定難,壽命短,精度低,成本高并且難以持久使用。這導(dǎo)致國內(nèi)許多性能良好的計算機系統(tǒng)因為要依靠殘氧量反饋進行閉環(huán)控制,而測氧探頭不好,難以投入使用。

1.3 建模的困難

計算機控制離不開數(shù)學(xué)模型,而要建立加熱爐的精確數(shù)學(xué)模型卻是非常困難的。爐內(nèi)的熱工狀態(tài)非常復(fù)雜,有熱輻射、熱傳導(dǎo),還有熱對流,加上工藝參數(shù)頻繁波動[1],干擾因素很多。因此,要建立精確的數(shù)學(xué)模型困難很大。

例如爐內(nèi)加熱物料,假定忽略熱傳導(dǎo)與熱對流,僅考慮熱輻射,輻射傳熱過程又包括火焰輻射、爐墻輻射、爐氣介質(zhì)輻射等過程。在此假設(shè)條件下,得出描述爐內(nèi)輻射換熱過程的數(shù)學(xué)模型為1個微分-積分方程[1],如式(1)、式(2)所示。

式中:iλ為輻射強度,W/(m2·sr);s為輻射射程,m;αλ為輻射吸收系數(shù);σsλ為輻射散射系數(shù);ωi為空間立體角,sr;Φ(λ,ω,ωi)為輻射相函數(shù);kλ為輻射衰減系數(shù),m-1;為虛擬輻射衰減系數(shù),m-1;λ為波長,μm。

求解這個方程的方法很多,但由于假設(shè)太多,實用起來誤差太大,所以真正能實際應(yīng)用推廣的卻并不多。

2 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

智能控制系統(tǒng)硬件主要由1臺西門子工控機和液晶顯示器組成。其中,西門子工控機是智能控制系統(tǒng)的核心,負責智能控制軟件的運行,實現(xiàn)智能控制。顯示器主要充當人機界面的作用,可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的智能控制器主要由數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機、學(xué)習環(huán)節(jié)、修正環(huán)節(jié)和黑板組成。

數(shù)據(jù)庫主要完成對系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)的收集并按一定的格式存儲,然后控制器會從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行自學(xué)習,并根據(jù)學(xué)習結(jié)果情況進行修正,學(xué)習的結(jié)果集合形成知識庫。

另外,智能控制器也會從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù),并按一定規(guī)則進行推理,形成推理機,推理的結(jié)果將存入知識庫。

黑板是智能控制系統(tǒng)的高結(jié)構(gòu)化的問題求解模型,它能在最適當?shù)臅r機運用知識進行推理,其特點是能夠決定什么時候使用知識以及怎樣使用知識等[2]。

智能控制軟件的運行平臺為Windows XP,開發(fā)平臺為Visual C++,主要由以下模塊組成。

①HJ.DLL:應(yīng)用程序擴展文件,智能控制軟件包,主要作用是實現(xiàn)三套加熱爐的智能控制[3-5]。

②智能控制.EXE:可執(zhí)行文件,智能控制應(yīng)用程序,主要為人機界面監(jiān)控軟件,同時執(zhí)行智能控制其他功能模塊[6-7]。

③JLAPI.DLL:應(yīng)用程序擴展文件,Modbus通信軟件包,主要作用是負責智能控制,通過計算機串口和DCS的通信,完成兩個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換[8-9]。

3 智能控制的優(yōu)越性

智能控制是自動控制發(fā)展的高級階段,是人工智能、現(xiàn)代控制論與運籌學(xué)等多種學(xué)科的高度綜合與集成,是一門新興的交叉前沿學(xué)科。

智能控制是以改變控制策略去適應(yīng)對象的復(fù)雜性和不確定性。它具有自學(xué)習能力,具有適應(yīng)性、容錯性、魯棒性、組織功能、實時性和人機協(xié)作等功能。它不僅依靠數(shù)學(xué)模型,而且根據(jù)知識和經(jīng)驗進行在線推理,確定或優(yōu)選最佳的控制策略[5]。結(jié)合本加熱爐的實際情況,尤其在節(jié)能降耗方面主要采取了如下一些智能控制策略。

3.1 控制規(guī)律的在線自動選擇

在本加熱爐中,控制規(guī)律是隨著工況的變化而自動變換的。如在加熱爐的介質(zhì)油或燃料油發(fā)生變化時,系統(tǒng)會在很短的時間內(nèi)自動重新搜索出當前工況的最佳空燃比,也即空燃比自動尋優(yōu)。當介質(zhì)油的溫度或流量發(fā)生變化時,系統(tǒng)會提前自動調(diào)節(jié)燃料的供給量,以便及時、準確地控制介質(zhì)油的出口溫度。也就是說智能控制系統(tǒng)能根據(jù)工況的變化自動調(diào)整控制策略,以快速適應(yīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種干擾和工況的變化,確保介質(zhì)油的出口溫度牢牢控制在設(shè)定值的±2 K之內(nèi)。

3.2 工作參數(shù)的在線自動整定

以PID調(diào)節(jié)為例,其數(shù)學(xué)表達式為[10]:

式中:E=V0-V,過程變量的設(shè)定值與實際值的偏差;KP為比例系數(shù);KI為積分時間,s;KD為微分時間,s。

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PID調(diào)節(jié)中,則可根據(jù)偏差E和dE/dt來自動整定,即:

這樣,無論工況和擾動怎樣變化,系統(tǒng)都能自動保持最佳的工作參數(shù)和良好的調(diào)節(jié)品質(zhì),各個加熱爐的出口溫度調(diào)節(jié)穩(wěn)定精度始終在設(shè)定值的±2 K范圍之內(nèi)。

3.3 空燃比自動尋優(yōu)

在同樣的工況條件下,加熱爐熱效率的高低,燃燒效果的好差,最終可以歸結(jié)為一個量——空氣過剩系數(shù),而空氣過剩系數(shù)的大小取決于燃燒時所配風量的大小,即空燃比的大小。更為重要的是,不同的空氣過剩系數(shù)與節(jié)約燃料百分數(shù)有直接的關(guān)系,如表1所示。

表1 空氣過剩系數(shù)與節(jié)約燃料百分比關(guān)系Tab.1 Relationship between excess coefficient of air and percentage of fuel saving

在本系統(tǒng)中,根據(jù)當前燃料量的大小,經(jīng)過短時間的尋優(yōu)得出一個最佳的風量值,該值是隨著燃料量的變化而變化的,并且始終保持系統(tǒng)處于最佳燃燒狀態(tài)。這對于節(jié)約燃料的消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和排出煙氣的質(zhì)量都是非常有利的。實踐證明,系統(tǒng)投用兩個多月后,燃料消耗大大降低,煙囪基本沒有出現(xiàn)冒黑煙的情況。

3.4 爐膛壓力的智能控制策略

爐膛壓力的大小,雖然與加熱爐的能耗和熱效率沒有直接的關(guān)系,但是它會直接影響爐膛內(nèi)的氣氛,從而影響爐膛內(nèi)熱量的傳導(dǎo)速率、熱量的擴散速率和熱量的輻射效率。這些因素都是最終影響加熱爐熱效率的關(guān)鍵,所以控制好爐膛壓力也是非常重要的。

在常規(guī)控制中,一般都是單變量單回路的定值控制策略。采用智能控制技術(shù)后,可以結(jié)合煙氣溫度、爐膛溫度和含氧量等諸多工藝參數(shù)來自動修正爐膛壓力設(shè)定值,從而間接降低加熱爐的能耗,提高加熱爐的熱效率。

總之,智能控制是以改變控制策略去適應(yīng)對象的復(fù)雜性和不確定性。它具有自學(xué)習、自適應(yīng)性、容錯性、魯棒性、自組織功能、實時性和人機協(xié)作等功能。它不僅依靠數(shù)學(xué)模型,而且根據(jù)知識和經(jīng)驗進行在線推理,確定或優(yōu)選最佳的控制策略。

3.5 智能控制系統(tǒng)投用后的效果

3.5.1 節(jié)能降耗效果顯著——社會效益突出

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快,對能源的需求也越來越大。而我國目前可利用的能源總量又日趨緊張,所以如何合理利用好現(xiàn)有的資源就顯得非常重要,其中節(jié)能降耗就是合理利用現(xiàn)有資源的有利措施之一。智能控制系統(tǒng)正是朝著這一目標去努力的,系統(tǒng)于2012年3月底調(diào)試全部結(jié)束,4月初全部正式投入運行,系統(tǒng)在正常生產(chǎn)條件下運行的能耗統(tǒng)計如表2所示。

表2 智能控制月加工量與燃料消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of the data of monthly processing capacity and fuel consumption under intelligent control

根據(jù)金陵石化公司生產(chǎn)部提供的智能控制系統(tǒng)投入運行前10個月的能耗數(shù)據(jù),通過計算可知,平均單耗為9.466 9 kg標油。而智能控制系統(tǒng)投入運行后,以表2中前10個月的數(shù)據(jù)為準,加權(quán)平均單耗為8.590 9 kg標油,則節(jié)油率為(9.466 9-8.590 9)/9.466 9=9.25%。

3.5.2 煙氣質(zhì)量明顯提高——環(huán)保效益突出

智能控制系統(tǒng)投入運行前,供風量基本上是靠人工操作,所以經(jīng)常會出現(xiàn)空燃配比不合理的現(xiàn)象,導(dǎo)致不完全燃燒或過燒,煙氣的有害物質(zhì)成分相應(yīng)增加。這樣不但增加了燃料消耗,并且與當前的環(huán)保高要求是不相匹配的。

智能控制系統(tǒng)投用后,空燃配比合理,燃燒充分,煙氣中的有害物質(zhì)成分相應(yīng)減少。

4 結(jié)束語

智能控制系統(tǒng)投入運行后,除了取得可計算的直接經(jīng)濟效益外,還帶來了其他很多無法估量的間接經(jīng)濟效益:爐溫控制平穩(wěn),耐火材料燒損減少,產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提高;系統(tǒng)運行平穩(wěn),加工量得到明顯提高;實現(xiàn)智能控制后,一線工人勞動強度大大降低,石化加熱爐的自動化技術(shù)水平得到明顯提高。

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Development and Application of the Intelligent Control Technology for Heating Furnace in Jinling Petrochemicals

Through in-depth study,investigation and analysis of the heating furnace in Jinling Petrochemicals,it is learnt that the hearth temperature of the heating furnace is basically controlled manually with big fluctuations.In accordance with huge amount of the historical operating data accumulated,the original control system of the furnace has been upgraded and revamped.By adopting intelligent expert control technology,the hearth temperature is effectively controlled and the quality of products is improved.In addition,the energy consumption and emission are decreased;thus excellent economical and social benefits are created for the enterprise.Due to the obvious effects of energy saving and emission reduction,the system has been widely applied in multiple heating furnaces in petrochemical enterprises.

Heating furnace Hearth temperature Hearth pressure Air-fuel ratio Auto-optimization Control strategy PID control Intelligent control

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修改稿收到日期:2014-04-27。

作者林志強(1974-),男,1999年畢業(yè)于華東理工大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位,工程師;主要從事國際及國內(nèi)化工、食品飲料等行業(yè)項目的電氣自動化研究、設(shè)計等工作。