油页岩循环瓦斯加热炉控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及石化行业技术领域，研宄的重点是对循环瓦斯加热，其工艺装备 是从冶金行业高炉热风炉工艺经技术改造后移植而来的。
[0002] 它是以热工工艺专业和自动控制专业为主体，设备、液压、仪表等多专业参加跨学 科联合研发的石化行业瓦斯气加热生产领域最新科技成果，属于瓦斯加热重大技术的原始 创新。
【背景技术】
[0003] 能源危机直接威胁着人类的现代生活，因此，探索开发新能源作为石油资源的替 代品势在必行。
[0004] 油页岩是一种重要的潜在能源，其开发价值巨大，综合利用前景广阔。在油页岩综 合开发项目中加热炉是干馏工艺成败的关键热工设备，目前国内采用较多的是管式循环干 馏气加热炉，其存在的主要问题是：（1)工艺技术落后，无法实现燃烧自动控制，影响换热 管束使用寿命。（2)生产操作以操作工手动操作为主，瓦斯气加热后的温度波动大，造成油 页岩干馏品质降低。（3)由于结焦等问题容易造成加热炉停炉，将影响整个油页岩循环工 艺，启动困难。
[0005] 循环瓦斯的加热瓶颈给化工企业的产品质量及生产效率带来很大的负面影响，因 此蓄热式加热炉技术在此背景下应运而生。从加热炉加热空气改为加热易爆炸性瓦斯气 体，不仅工艺装备需要改进，而且需要研发一套自动控制系统来实现加热炉的稳定生产，其 核心问题主要是解决自动燃烧、自动换炉及自动吹扫问题。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的提供一种油页岩循环瓦斯加热炉控制系统，该控制系统提供了 新型的控制系统硬件搭建结构，该硬件结构为解决冶金行业热风炉经技术改进后移植至石 化行业加热循环瓦斯气的控制问题提供了硬件系统支撑。提高了燃烧控制水平，保证了安 全换炉。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案实现：
[0008] 油页岩循环瓦斯加热炉控制系统，由服务器、PC客户机、冗余PLC构成基础自动化 及过程控制系统，其特征在于，所述油页岩循环瓦斯加热炉控制系统所搭建的的硬件配置 总体结构分为三级：
[0009] 第一级为现场级，现场级设备有电机控制单元、测量仪表、调节阀门、执行器、极限 开关及远程I/O站设备，现场级设备用于设备驱动、现场模拟信号、数字信号测量及对生产 过程中的工艺参数、阀门状态进行采集和处理；
[0010] 第二级为基础自动化控制级，由西门子PLC实现，采用冗余配置模式，包括数字 量、模拟量输入输出模块、以太网交换机、服务器及客户机，其中PLC控制器即CUP选择 S7-412,以满足生产过程中对现场所采集的信号状态、工艺参数的快速响应及大数据的深 加工处理；
[0011] 第三级为生产过程级，能够实时显示过程参数，上传加热炉状态及循环瓦斯加热 数据，管理报警及历史数据记录；预留三级接口，便于接收生产数据并实时上传加热炉相关 状态参数。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0013] 1、配合工艺更新，解决了原循环瓦斯管式加热炉系统的低效率、高成本及容易产 生积炭造成管道堵塞影响系统稳定等问题，满足了生产客户的需求。
[0014] 2、通过加热炉燃烧室温度监测及烟气含氧量跟踪来确定最佳空燃比；实现了对燃 烧瓦斯气体及助燃空气流量的自动化控制，抑制了人为干扰所引起的能源损耗和燃烧温度 波动。
[0015] 3、有利于优化工艺设备运行参数，提高加热炉及后续干馏生产效率。
[0016] 4、丰富和发展了全自动智能控制的内容，为解决复杂工业过程控制问题提供了一 种新的途经。
【附图说明】
[0017] 图1是油页岩循环瓦斯加热炉控制系统的硬件配置结构示意图。
[0018] 图2是油页岩循环瓦斯加热炉瓦斯燃烧控制系统原理图。
[0019] 图3是油页岩循环瓦斯加热炉瓦斯燃烧控制系统功能框图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本实用新型的具体技术内容作进一步的详细描述。
[0021] 油页岩循环瓦斯加热炉控制系统，该系统是基于西门子PLC的硬件系统和软件系 统来实现循环瓦斯加热炉的自动控制系统。
[0022] 硬件系统由一台PC服务器和三台PC客户机及西门子冗余PLC组成。
[0023] 硬件配置：
[0024] 一客户机：研华工控机；
[0025] 一控制系统：SIEMENS S7-400PLC。
[0026] 如图1所示，本实用新型油页岩循环瓦斯加热炉控制系统所搭建的的硬件配置总 体结构分为三级。
[0027] 第一级为现场级，现场级主要设备有电机控制单元、测量仪表、调节阀门、执行器、 极限开关及远程I/O站等设备，这些设备主要用于设备驱动、现场模拟信号、数字信号测量 及对生产过程中的工艺参数、阀门状态进行采集和处理。
[0028] 第二级为基础自动化控制级，由西门子PLC实现，采用冗余配置模式，包括数字 量、模拟量输入输出模块、以太网交换机、服务器及客户机等，其中PLC控制器即CUP选择 S7-412,以满足生产过程中对现场所采集的信号状态、工艺参数的快速响应及大数据的深 加工处理。实现燃烧系统的比值自动控制；实现燃烧、焖炉、通循环瓦斯即换炉的自动控制； 实现通循环瓦斯后加热炉内含氧检测及置换的安全连锁自动控制。
[0029] 第三级为生产过程级，能够实时显示过程参数，上传加热炉状态及循环瓦斯加热 数据，管理报警及历史数据记录。本系统预留三级接口，便于接收生产数据并实时上传加热 炉相关状态参数。
[0030] 开发软件主要借助于西门子的编程及监控软件。
[0031] 软件配置：
[0032] -编程软件：step7 V5. 4 ;
[0033] 一监控软件：Wincc 6. 2 ;
[0034] 本控制系统开发围绕以下关键环节展开：
[0035] 1.加热炉的燃烧介质变化，由煤气与空气的混对燃烧变为瓦斯气与空气的混对燃 烧，需要根据瓦斯气成分及热值对自动燃烧系统进行改进开发。
[0036] 2.加热炉的加热对象发生变化，由加热空气变为加热循环瓦斯气，防爆成为技术 攻关的难点，需要引进换炉过程中自动置换吹扫控制系统，利用燃烧后的废气将助燃空气 管道末端的剩余空气吹至炉内燃烧室充分燃烧，确保加热瓦斯气体前炉内氧含量低于控 制标准。
[0037] 3.合理的选择和配置循环瓦斯气3s切断装置，以便在加热炉紧急情况下切断气 源。在解决关键技术难题基础上循环瓦斯加热炉控制系统最终完成以下功能：
[0038] 1.对生产过程中的工艺参数进行采集和处理；
[0039] 2.实现燃烧系统的比值自动控制；
[0040] 3.实现燃烧、焖炉、通循环瓦斯即换炉的自动控制。
[0041] 4.实现通循环瓦斯后加热炉内含氧检测及置换的安全连锁自动控制；
[0042] 5.报警及历史数据记录管理、画面管理。
[0043] 如图2所示，为本实用新型油页岩循环瓦斯加热炉瓦斯燃烧控制系统原理图。图 中TRC2301为温度控制器；TE2301为热电偶；PR2204为空气压力记录仪；PT2204为助燃空 气压力变送器；FRC2210为助燃空气调节阀门开度控制器（简称助燃空气控制器）；FT2210 为助燃空气流量变送器；FRC2213为燃烧瓦斯调节阀门开度控制器（简称瓦斯控制器）； FT2213为燃烧瓦斯流量变送器；PE-2204为助燃空气压力计；FV-2210为助燃空气调节阀； FE-2210为助燃空气流量计；PE-2207为燃烧瓦斯气压力计；FV-2213为燃烧瓦斯调节阀； FE-2213为燃烧瓦斯流量计。
[0044] 控制系统以燃烧室温度为主被控对象，瓦斯流量为副被控对象，通过监测加热炉 燃烧室温度及烟气含氧量跟踪来确定最佳空燃比K，实现燃烧系统的瓦斯流量和空气流量 比值的自动控制；包括以下硬件结构：
[0045] 1)温度控制器TRC2301 ;采集加热炉温度的热电偶TE2301 ;
[0046] 2)助燃空气控制器FRC2210 ;助燃空气流量变送器FT2210 ;助燃空气流量计 FE-2210 ;助燃空气调节阀FV-2210 ;阀门电动执行器FZ-2210 ;空气压力记录仪PR2204 ; PT2204为助燃空气压力变送器；助燃空气压力计PE-2204 ;
[0047] 3)瓦斯控制器FRC2213 ;燃烧瓦斯流量变送器FT2213 ;燃烧瓦斯流量计FE-2213 ; 燃烧瓦斯调节阀FV-2213 ;阀门电动执行器FZ-2213 ;燃烧瓦斯气压力计PE-2207 ;燃烧瓦 斯气变送器PT-2207。
[0048] 当循环瓦斯加热炉燃烧室检测温度值低于设定温度时，温度控制器TRC2301输出 增加，从而送入至瓦斯控制器FRC2213及助燃空气控制器FRC2210设定值增加，并且助燃空 气控制器的设定值根据比值系数增加（即瓦斯调节器设定值乘以系数K后作为助燃空气 调节器设定值），瓦斯调节阀及空气调节阀开度增大，至加热炉燃烧室的瓦斯量及空气量增 加，从而温度增加，温度逐渐达到设定值，完成控制要求。
[0049] 如图3所示，为本实用新型油页岩循环瓦斯加热炉瓦斯燃烧控制系统功能框图。 其控制策略如图2所示，以燃烧室温度为主被控对象，瓦斯流量为副被控对象，主被控参数 的信号送往主控制器控制瓦斯切断阀的开度，同时副被控参数的检测信号乘以系数（此系 数引入了烟气氧含量反馈信号）作为比值调节器基准，其输出值作为助燃空气流量给定， 控制助燃空气流量调节阀门的开度，实现瓦斯量和空气量的比值控制，以上内容均通过西 门子step7软件所提供的PID功能块实现。最佳空燃比参数通过加热炉燃烧室温度及烟气 含氧量跟踪来确定，具体详见下表。
[0050]
【主权项】
1.油页岩循环瓦斯加热炉控制系统，由服务器、PC客户机、冗余PLC构成基础自动化及 过程控制系统，其特征在于，所述油页岩循环瓦斯加热炉控制系统所搭建的的硬件配置总 体结构分为三级： 第一级为现场级，现场级设备有电机控制单元、测量仪表、调节阀门、执行器、极限开关 及远程I/O站设备，现场级设备用于设备驱动、现场模拟信号、数字信号测量及对生产过程 中的工艺参数、阀门状态进行采集和处理； 第二级为基础自动化控制级，由西门子PLC实现，采用冗余配置模式，包括数字量、模 拟量输入输出模块、以太网交换机、服务器及客户机，其中PLC控制器即CUP选择S7-412， 以满足生产过程中对现场所采集的信号状态、工艺参数的快速响应及大数据的深加工处 理； 第三级为生产过程级，能够实时显示过程参数，上传加热炉状态及循环瓦斯加热数据， 管理报警及历史数据记录；预留三级接口，便于接收生产数据并实时上传加热炉相关状态 参数。
【专利摘要】油页岩循环瓦斯加热炉控制系统，由服务器、PC客户机、冗余PLC构成基础自动化及过程控制系统，加热的气体为易爆炸性瓦斯气体，其特征在于，所述的加热炉控制系统的控制策略是：以燃烧室温度为主被控对象，瓦斯流量为副被控对象，通过监测加热炉燃烧室温度及烟气含氧量跟踪来确定最佳空燃比K，实现燃烧系统的瓦斯流量和空气流量比值的自动控制；该控制系统能够解决冶金行业热风炉经技术改进后移植至石化行业加热循环瓦斯气的控制问题。提高了燃烧控制水平，保证了安全换炉。
【IPC分类】G05B19-05
【公开号】CN204360169
【申请号】CN201420838300
【发明人】王骏鹏, 李涌泽
【申请人】鞍钢集团工程技术有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月24日