北美燃燒器自動控制系統(tǒng)優(yōu)化與研究

（新疆油田公司重油開發(fā)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

1 背景與現狀

目前，重油開發(fā)公司在用的濕蒸汽北美燃燒器均已使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主要程序控制和狀態(tài)監(jiān)測的手段。隨著北美燃燒器PLC 的不斷升級完善，已經實現供汽聯(lián)合站轄區(qū)內燃燒器控制器更替為美國Allen-Bradley 公司統(tǒng)一型號的L32E 型PLC。

北美燃燒器自動控制系統(tǒng)在多年運行過程中主要出現以下問題。①儀表出現故障或接觸不良時，產生跳變或斷線狀態(tài)，偶發(fā)性的故障在組態(tài)中很難發(fā)現，導致未進生預警而停爐，影響問題根源的判斷。②近幾年，油田公司對燃燒器運行安全性要求提高，而現有程序缺少飽和蒸汽溫度顯示，按鍵反饋不靈敏，甚至燃氣檢漏程序不能正常工作。③伴隨多年的升級改造，鍋爐程序版本碎片化嚴重。

針對以上問題，需對現有北美燃燒器控制程序進一步優(yōu)化完善，使北美燃燒器運行更加可靠、穩(wěn)定，滿足公司生產需要。

2 自動控制系統(tǒng)程序優(yōu)化內容

2.1 跳變監(jiān)測及報警功能優(yōu)化

通過研究鍋爐數據監(jiān)控記錄的模擬量跳變歷史發(fā)現，部分儀表在出現壽命到期、線路破損或PLC 采集通道損壞等嚴重故障之前，都具有一定跳變表現，所以需研發(fā)能提前發(fā)現跳變的程序就顯得極為必要。此功能塊主要依靠在短時間內連續(xù)采集模擬量信號，并判斷每次間隔時間內是否存在不合理的數值變化，從而發(fā)現跳變并對其進行報警。新設計的跳變監(jiān)測功能塊程序如圖1 所示，實現的功能如下。①實現對設定模擬量通道值進行斜率變化的實時監(jiān)控，過濾出異常跳變次數；②當跳變次數到達設定最大值后進行報警提示；③此程序可以根據需要對監(jiān)測通道數據的監(jiān)測間隔、警告斜率值等數據進行自定義，滿足未來生產需求。

圖1 優(yōu)化后跳變監(jiān)測管壁溫度功能塊程序

2.2 優(yōu)化連續(xù)自動按鍵功能模塊

通過對操作員工調研和對鍋爐實驗發(fā)現，原鍋爐調火調水增減按鈕反饋不清晰，經常發(fā)生無反應或反饋遲鈍的現象，經過研究是原程序整體設計思路出現問題導致，表現如下。

原程序發(fā)出0.5 秒的脈沖，當員工按下按鈕，如果按下的時間范圍被這個0.5 秒的脈沖掃描到，則進行增加或減少操作，如果員工按下的時間范圍沒有被脈沖掃描上，則不進行增減操作，導致如果操作太快，程序沒掃描到員工按下按鈕，則不進行操作。優(yōu)化后的按鍵功能模塊如圖2 所示，實現功能如下。①每按下一次增減按鈕能迅速地對操作對象進行數值增減變化，不再檢查按下的瞬間是否在脈沖范圍內，實現即點即顯示結果的目的；②當按下按鈕不放開，超過1 000 ms 后，每200 ms按鍵操作一次，實現對操作對象的快速操作，相當于1 秒增減5%；③通過該功能塊預留的可設定條件，能滿足未來對其他可能增加的操作環(huán)境需求（如引風機頻率控制、煙氣預熱三通伺服電機的控制等）。

圖2 優(yōu)化后連續(xù)自動按鍵功能模塊程序

2.3 優(yōu)化增加熱力性質計算功能

根據目前重油開發(fā)公司對鍋爐安全和精細化管理的要求，需要加入對鍋爐是否過熱的判斷機制。但是原程序中未加入此類計算，急需建立一套根據當前蒸汽出口壓力值換算當前壓力的飽和蒸汽溫度的熱力性質計算系統(tǒng)，并將是否過熱的信息在生產現場反饋出來。

經過研究，通過國際水和水蒸氣性質協(xié)會1997 年發(fā)布的IAPWS-IF 1997 的計算公式，可以計算出飽和蒸汽溫度。IAPWS-IF 1997 公式具有計算簡便、計算精度高等優(yōu)點,其已經成為國際標準。具體公式如下：

表1 無因次飽和區(qū)方程29 到31 的系數值

式（1）中飽和溫度的計算方法為：

其中T*=1K，并且D=2G/［-F-F(F2-4EG)0.5］，E=β2+n3β+n6；F=n1β2+n4β+n7G=n2β2+n5β+n8，β見式（1），式（2）的系數ni見表1。

此公式有效范圍為611.213 Pa ≤p ≤22.064 MPa，足以滿足生產現場的需要，可通過公式轉換成一個專門熱力學計算的功能塊單元。

圖3 為實現功能的功能塊程序。程序中，Source 設定功能塊輸入源為當前蒸汽出口壓力，單位為MPa；T 為通過計算得到的當前壓力飽和蒸汽溫度值，單位為攝氏度。該功能塊的功能如下：①實現在611.213 Pa ≤p ≤22.064 MPa 壓力范圍內的飽和蒸汽溫度的計算；②后期通過添加判斷，可實現過熱報警，達到安全生產的目的。

圖3 優(yōu)化后熱力性質計算功能塊

2.4 優(yōu)化修復鍋爐燃氣檢漏程序不工作的漏洞

經多年的鍋爐使用發(fā)現，原鍋爐檢漏程序存在程序邏輯錯誤的可能性，其表現形式為：當點爐時，如只按下一次啟動復位按鈕，有時會發(fā)生鍋爐不檢漏直接開始點爐的錯誤行為。對原程序進行解讀發(fā)現，造成這類情況的原因可能是程序中多個程序段掃描快慢不同。表現為當需要采集的數據在本次掃描完成時，另一個程序沒有及時對數據進行修改，從而沒有采取正確的行為，這屬于硬件和程序自身的設計問題，可通過錯開各個程序開始運行的時間，從而保證數據的正確性來解決此問題。

優(yōu)化后新版北美燃燒器程序如圖4 所示。通過采用新程序，可以杜絕原鍋爐程序按下點爐啟動按鈕不檢漏的問題，大大提高鍋爐運行的安全性。

2.5 新增線路監(jiān)測功能

每個模擬量端口增加4 個線路監(jiān)測報警（上限、下限、斷線、跳變），在觸摸屏有專門界面進行顯示，如圖5 所示，如出現任何問題，將以紅色報警方塊表示。

2.6 開發(fā)不同類型鍋爐程序的統(tǒng)一化程序

由于公司現階段單獨使用PLC 進行鍋爐控制的臺數有53臺，使用PLC 和點火程序器同時進行的鍋爐有39 臺，占鍋爐總數的42.4%，將這兩種類型鍋爐程序統(tǒng)一化為一種通用程序是十分必要的，將極大提高程序維護的便利性。

圖4 優(yōu)化后北美燃燒器檢漏啟動程序

圖5 新鍋爐觸摸屏程序儀表及線路狀態(tài)實時監(jiān)測界面

首先，通過修改鍋爐程序，在單獨使用PLC 作為控制的鍋爐程序中新增點火程序器是否啟用的控制開關,如圖6 所示，并可通過觸摸屏選擇是否在當前鍋爐使用點火程序器。

其次，增加點火程序器控制所必要的程序段，當點火程序器開關為打開時，前吹掃結束后發(fā)出點火程序啟動信號，則PLC 第2 個單元第0 通道輸出為1，點火程序器接收到信號開始點爐，如圖,7 所示。再次，補充點火程序器全吹掃控制程序。當第1 單元第15 號通道接收到點火程序器發(fā)出的全力吹掃信號后，通過以下程序段讓風門開度全開進行吹掃，如圖8 所示。最后，補充點火程序器報警反饋程序段，當第1 單元第14 號通道接收到點火程序器的報警信號后，通過以下程序段發(fā)出報警信號，斷開聯(lián)鎖停爐，如圖9 所示。

程序優(yōu)化完成后完成兩類鍋爐使用同一PLC 程序維護的目的，實現PLC 程序的統(tǒng)一化。

圖6 新增點火程序器啟用開關程序段

圖7 新增啟動點火程序器輸出程序段

圖8 新增點火程序器全吹掃控制程序段

圖9 新增點火程序器報警反饋程序段

3 結語

優(yōu)化北美燃燒器程序，增加跳變監(jiān)測報警、連續(xù)自動按鍵反饋等功能塊，對北美燃燒器增加了更多的安全報警監(jiān)測保障。熱力性質計算模塊的加入，能快速告知操作人員當前鍋爐燃燒是否過熱，引導操作人員及時調節(jié)鍋爐工況，減少燃氣消耗的同時，對公司精細化管理提供理論依據。優(yōu)化燃氣檢漏程序，排除不檢漏的程序漏洞，可以滿足生產現場安全生產的目的。通過統(tǒng)一使用程控器和不使用程控器兩種控制方式的鍋爐PLC程序，減少程序的碎片化問題，方便程序維護，減少維護人員的維護難度。