球罐熱處理溫度監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

劉宏波

（大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司， 黑龍江 大慶 163416）

球罐在組焊、無損檢測等各項(xiàng)工作完成后，為了消除焊接殘余應(yīng)力，需要進(jìn)行整體熱處理[1]。目前球罐整體熱處理主要采用內(nèi)部噴射燃燒法對(duì)球殼進(jìn)行加熱，控制升溫速度、降溫速度、兩點(diǎn)溫差是球罐整體熱處理過程中的重點(diǎn)難點(diǎn)[2]。

本文以2000m3球罐為研究對(duì)象，著重研究了球罐測溫儀表的選擇，測溫點(diǎn)的布置，熱處理過程溫度的測量、記錄與控制，數(shù)據(jù)的采集，完成了PLC控制程序及上位監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了球罐熱處理的溫度采集、系統(tǒng)連鎖、數(shù)據(jù)分析、智能報(bào)警、報(bào)表打印等功能，同時(shí)進(jìn)行了工程應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 溫度測量儀表的選擇及布置

1.1 溫度測量儀表的選擇

溫度測量儀表對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制整個(gè)球罐熱處理工藝的過程，溫度測量儀表的選擇在球罐熱處理過程中起著至關(guān)重要的作用。通過對(duì)熱電阻及熱電偶進(jìn)行比較（見表1），熱電阻雖然在很多參數(shù)上要優(yōu)于熱電偶，但熱電偶的測量范圍要遠(yuǎn)大于熱電阻，根據(jù)測量溫度要求，溫度測量儀表選用接觸式熱電偶。

表1 熱電阻與熱電偶參數(shù)對(duì)比

1.2 溫度測量儀表的布置

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，測溫點(diǎn)應(yīng)均勻地布置在球罐的外表面，相鄰兩測溫點(diǎn)的距離不大于4.5m，且應(yīng)在距上、下人孔與球殼板環(huán)焊縫邊緣200mm范圍內(nèi)各設(shè)1個(gè)測溫點(diǎn)，每個(gè)產(chǎn)品焊接試件應(yīng)設(shè)1個(gè)測溫點(diǎn)，球罐的容積為2000m3，測溫點(diǎn)的布置不應(yīng)少于32個(gè)，同時(shí)3塊產(chǎn)品焊接試板共布3個(gè)測溫點(diǎn)，合計(jì)共布置測溫點(diǎn)35個(gè)，熱電偶的布置示意圖如圖1所示[3]。

圖1 熱電偶布置示意圖

熱電偶采用儲(chǔ)能焊將集熱塊固定于球殼外表面上，補(bǔ)償導(dǎo)線采用固定卡進(jìn)行固定，每隔兩米設(shè)置一個(gè)固定卡，通過點(diǎn)焊將固定卡固定在球殼的外表面上[4]。

2 球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)球罐溫度測量要求及控制系統(tǒng)的選擇，球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)構(gòu)成如下：工控機(jī)、熱電偶溫度檢測模塊（8點(diǎn)）、中央處理器模塊、打印機(jī)、機(jī)柜（含柜內(nèi)配件）、自動(dòng)監(jiān)測及管理軟件組成。安裝在球罐上的熱電偶通過電纜連接到機(jī)柜內(nèi)的熱電偶溫度檢測模塊上，中央處理器模塊對(duì)所有溫度檢測模塊進(jìn)行溫度采集、處理；安裝在工控機(jī)上的自動(dòng)監(jiān)測及管理軟件通過以太網(wǎng)的通訊方式與中央處理器進(jìn)行通訊，把所有的溫度信號(hào)采集到工控機(jī)。

2.2 自動(dòng)監(jiān)測及管理軟件功能設(shè)計(jì)

根據(jù)熱處理工藝需要采集的數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)自動(dòng)監(jiān)測及管理軟件功能如下：

（1）參數(shù)顯示：實(shí)時(shí)顯示球罐熱處理過程中需要檢測的40個(gè)點(diǎn)位溫度；

為了更加直觀顯示各個(gè)測溫點(diǎn)溫度數(shù)值，采用實(shí)物圖形的方式進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了顯示界面與實(shí)物圖形間的相互切換。

（2）量程設(shè)定及報(bào)警值設(shè)定：根據(jù)熱處理的工藝參數(shù)設(shè)置量程，同時(shí)對(duì)每個(gè)測溫點(diǎn)都設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)溫度高于或者低于熱處理要求溫度時(shí)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)球罐上任意兩點(diǎn)溫度值溫差大于120℃時(shí)報(bào)警。

圖2 球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)配置圖

圖3 球罐溫度界面顯示

圖4 球罐實(shí)物圖形界面顯示

（3）連鎖控制：球罐熱處理過程中通過燃油系統(tǒng)對(duì)球罐加熱，燃油系統(tǒng)選用霍克噴嘴燃燒器，燃燒器與球罐底部人孔進(jìn)行對(duì)接，采用0號(hào)柴油進(jìn)行燃燒。球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)與球罐熱處理測試系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，根據(jù)球罐內(nèi)溫度變化情況，對(duì)熱處理測試系統(tǒng)中的燃油系統(tǒng)及供油系統(tǒng)進(jìn)行控制。

（4）溫度歷史趨勢顯示：在系統(tǒng)中可以顯示每個(gè)溫度測量點(diǎn)位的溫度變化及趨勢，并進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)。

（5）報(bào)表打印：對(duì)每個(gè)測溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行存儲(chǔ)，并以報(bào)表的方式進(jìn)行打印。

（6）數(shù)據(jù)分析：通過采集的溫度數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)點(diǎn)位的溫度變化進(jìn)行分析、比對(duì)，達(dá)到指導(dǎo)熱處理溫度控制的目的。

3 溫度測量儀表及控制系統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)

3.1 溫度測量儀表的外部接線設(shè)計(jì)

在球罐外側(cè)設(shè)置普通防水儀表接線箱一面，K分度鎧裝熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線敷設(shè)至球罐外側(cè)指定位置后進(jìn)行固定，固定處用保護(hù)帽進(jìn)行保護(hù)，補(bǔ)償導(dǎo)線出保護(hù)帽后用蛇皮管進(jìn)行保護(hù)，直接進(jìn)入儀表接線箱內(nèi)端子排進(jìn)行接線。

3.2 控制系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)

在監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置PLC機(jī)柜一面，并根據(jù)系統(tǒng)要求及需要測量的點(diǎn)位對(duì)機(jī)柜進(jìn)行布置，柜內(nèi)元件采取模塊化的形式進(jìn)行安裝，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。機(jī)柜安裝完畢后，從現(xiàn)場防水接線箱引出4條20芯控制電纜敷設(shè)至PLC機(jī)柜內(nèi)進(jìn)行接線，多芯控制電纜出儀表接線箱進(jìn)入機(jī)柜，并與機(jī)柜內(nèi)端子排進(jìn)行連接。

4 球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)調(diào)試

儀表安裝及系統(tǒng)接線工作全部結(jié)束后，要對(duì)儀表系統(tǒng)及回路進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試前要求檢查儀表全部安裝正確；電氣回路已進(jìn)行校驗(yàn)及絕緣檢查，接線正確，端子牢固，接觸良好；接地系統(tǒng)良好；熱電偶已檢定合格，精確度應(yīng)達(dá)到±1%。

調(diào)試時(shí)，首先將控制系統(tǒng)接通電源，利用毫伏信號(hào)發(fā)生器在系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生端輸入模擬信號(hào)，通過“三點(diǎn)法”檢查系統(tǒng)誤差。然后在控制系統(tǒng)中輸入報(bào)警值，對(duì)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。最后通過邏輯關(guān)系對(duì)連鎖保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)試合格后該系統(tǒng)即可投入使用。

5 工程應(yīng)用

該系統(tǒng)在某工程200立方米球罐整體熱處理上進(jìn)行應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果，為今后球罐整體熱處理提供了借鑒。

圖5 熱處理系統(tǒng)圖

本次應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)主要是確定工藝參數(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制溫升。球罐自動(dòng)測溫管理系統(tǒng)按照確定后的工藝參數(shù)在球罐殼體上共設(shè)13個(gè)測溫點(diǎn)，通過K型熱電偶進(jìn)行溫度測量并將信號(hào)傳遞到控制、記錄室進(jìn)行記錄、分析，并根據(jù)分析結(jié)果控制燃油系統(tǒng)燃燒及供油系統(tǒng)供油，圓滿完成了200立方米球罐的熱處理任務(wù)。

5 結(jié)論

圖6 200立方米球罐熱處理工程應(yīng)用

該球罐溫度自動(dòng)監(jiān)測管理系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)監(jiān)測、可擴(kuò)展強(qiáng)、操作簡單的特點(diǎn)，系統(tǒng)安裝完畢后，只要把電纜按照接線圖連接到機(jī)柜的端子上，打開工控機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集、系統(tǒng)連鎖、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、報(bào)表打印等功能。通過工程實(shí)踐，各測溫點(diǎn)實(shí)際熱處理曲線符合標(biāo)準(zhǔn)要求，本系統(tǒng)對(duì)于提高球罐整體熱處理質(zhì)量具有重要意義。

圖7 各測溫點(diǎn)實(shí)際熱處理曲線

◆參考文獻(xiàn)

[1] 黃熾東. 球罐內(nèi)燃法整體熱處理工藝的應(yīng)用[J].廣東化工，2006，33(10)：81-83.

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[3] 陳志華，涂善東，王正東. 反射板對(duì)球罐整體熱處理內(nèi)部流場的影響[J].石油化工設(shè)備，2004，33(6)：13-16.

[4] 王春英，王明巖. 6000m3球罐的整球熱處理和局部輔助技術(shù)[J].中國化工設(shè)備，2018，(6)：27-30.