北美燃燒器自動(dòng)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(xiàn)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(cè)的手段。隨著北美燃燒器PLC 的不斷升級(jí)完善，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)供汽聯(lián)合站轄區(qū)內(nèi)燃燒器控制器更替為美國(guó)Allen-Bradley 公司統(tǒng)一型號(hào)的L32E 型PLC。

北美燃燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)在多年運(yùn)行過程中主要出現(xiàn)以下問題。①儀表出現(xiàn)故障或接觸不良時(shí)，產(chǎn)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(xiàn)，導(dǎo)致未進(jìn)生預(yù)警而停爐，影響問題根源的判斷。②近幾年，油田公司對(duì)燃燒器運(yùn)行安全性要求提高，而現(xiàn)有程序缺少飽和蒸汽溫度顯示，按鍵反饋不靈敏，甚至燃?xì)鈾z漏程序不能正常工作。③伴隨多年的升級(jí)改造，鍋爐程序版本碎片化嚴(yán)重。

針對(duì)以上問題，需對(duì)現(xiàn)有北美燃燒器控制程序進(jìn)一步優(yōu)化完善，使北美燃燒器運(yùn)行更加可靠、穩(wěn)定，滿足公司生產(chǎn)需要。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)程序優(yōu)化內(nèi)容

2.1 跳變監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能優(yōu)化

通過研究鍋爐數(shù)據(jù)監(jiān)控記錄的模擬量跳變歷史發(fā)現(xiàn)，部分儀表在出現(xiàn)壽命到期、線路破損或PLC 采集通道損壞等嚴(yán)重故障之前，都具有一定跳變表現(xiàn)，所以需研發(fā)能提前發(fā)現(xiàn)跳變的程序就顯得極為必要。此功能塊主要依靠在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集模擬量信號(hào)，并判斷每次間隔時(shí)間內(nèi)是否存在不合理的數(shù)值變化，從而發(fā)現(xiàn)跳變并對(duì)其進(jìn)行報(bào)警。新設(shè)計(jì)的跳變監(jiān)測(cè)功能塊程序如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)的功能如下。①實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定模擬量通道值進(jìn)行斜率變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，過濾出異常跳變次數(shù)；②當(dāng)跳變次數(shù)到達(dá)設(shè)定最大值后進(jìn)行報(bào)警提示；③此程序可以根據(jù)需要對(duì)監(jiān)測(cè)通道數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)間隔、警告斜率值等數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義，滿足未來生產(chǎn)需求。

圖1 優(yōu)化后跳變監(jiān)測(cè)管壁溫度功能塊程序

2.2 優(yōu)化連續(xù)自動(dòng)按鍵功能模塊

通過對(duì)操作員工調(diào)研和對(duì)鍋爐實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原鍋爐調(diào)火調(diào)水增減按鈕反饋不清晰，經(jīng)常發(fā)生無反應(yīng)或反饋遲鈍的現(xiàn)象，經(jīng)過研究是原程序整體設(shè)計(jì)思路出現(xiàn)問題導(dǎo)致，表現(xiàn)如下。

原程序發(fā)出0.5 秒的脈沖，當(dāng)員工按下按鈕，如果按下的時(shí)間范圍被這個(gè)0.5 秒的脈沖掃描到，則進(jìn)行增加或減少操作，如果員工按下的時(shí)間范圍沒有被脈沖掃描上，則不進(jìn)行增減操作，導(dǎo)致如果操作太快，程序沒掃描到員工按下按鈕，則不進(jìn)行操作。優(yōu)化后的按鍵功能模塊如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)功能如下。①每按下一次增減按鈕能迅速地對(duì)操作對(duì)象進(jìn)行數(shù)值增減變化，不再檢查按下的瞬間是否在脈沖范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)即點(diǎn)即顯示結(jié)果的目的；②當(dāng)按下按鈕不放開，超過1 000 ms 后，每200 ms按鍵操作一次，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作對(duì)象的快速操作，相當(dāng)于1 秒增減5%；③通過該功能塊預(yù)留的可設(shè)定條件，能滿足未來對(duì)其他可能增加的操作環(huán)境需求（如引風(fēng)機(jī)頻率控制、煙氣預(yù)熱三通伺服電機(jī)的控制等）。

圖2 優(yōu)化后連續(xù)自動(dòng)按鍵功能模塊程序

2.3 優(yōu)化增加熱力性質(zhì)計(jì)算功能

根據(jù)目前重油開發(fā)公司對(duì)鍋爐安全和精細(xì)化管理的要求，需要加入對(duì)鍋爐是否過熱的判斷機(jī)制。但是原程序中未加入此類計(jì)算，急需建立一套根據(jù)當(dāng)前蒸汽出口壓力值換算當(dāng)前壓力的飽和蒸汽溫度的熱力性質(zhì)計(jì)算系統(tǒng)，并將是否過熱的信息在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋出來。

經(jīng)過研究，通過國(guó)際水和水蒸氣性質(zhì)協(xié)會(huì)1997 年發(fā)布的IAPWS-IF 1997 的計(jì)算公式，可以計(jì)算出飽和蒸汽溫度。IAPWS-IF 1997 公式具有計(jì)算簡(jiǎn)便、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn),其已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。具體公式如下：

表1 無因次飽和區(qū)方程29 到31 的系數(shù)值

式（1）中飽和溫度的計(jì)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(shù)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要，可通過公式轉(zhuǎn)換成一個(gè)專門熱力學(xué)計(jì)算的功能塊單元。

圖3 為實(shí)現(xiàn)功能的功能塊程序。程序中，Source 設(shè)定功能塊輸入源為當(dāng)前蒸汽出口壓力，單位為MPa；T 為通過計(jì)算得到的當(dāng)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(shí)現(xiàn)在611.213 Pa ≤p ≤22.064 MPa 壓力范圍內(nèi)的飽和蒸汽溫度的計(jì)算；②后期通過添加判斷，可實(shí)現(xiàn)過熱報(bào)警，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

圖3 優(yōu)化后熱力性質(zhì)計(jì)算功能塊

2.4 優(yōu)化修復(fù)鍋爐燃?xì)鈾z漏程序不工作的漏洞

經(jīng)多年的鍋爐使用發(fā)現(xiàn)，原鍋爐檢漏程序存在程序邏輯錯(cuò)誤的可能性，其表現(xiàn)形式為：當(dāng)點(diǎn)爐時(shí)，如只按下一次啟動(dòng)復(fù)位按鈕，有時(shí)會(huì)發(fā)生鍋爐不檢漏直接開始點(diǎn)爐的錯(cuò)誤行為。對(duì)原程序進(jìn)行解讀發(fā)現(xiàn)，造成這類情況的原因可能是程序中多個(gè)程序段掃描快慢不同。表現(xiàn)為當(dāng)需要采集的數(shù)據(jù)在本次掃描完成時(shí)，另一個(gè)程序沒有及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)問題，可通過錯(cuò)開各個(gè)程序開始運(yùn)行的時(shí)間，從而保證數(shù)據(jù)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(diǎn)爐啟動(dòng)按鈕不檢漏的問題，大大提高鍋爐運(yùn)行的安全性。

2.5 新增線路監(jiān)測(cè)功能

每個(gè)模擬量端口增加4 個(gè)線路監(jiān)測(cè)報(bào)警（上限、下限、斷線、跳變），在觸摸屏有專門界面進(jìn)行顯示，如圖5 所示，如出現(xiàn)任何問題，將以紅色報(bào)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(xiàn)階段單獨(dú)使用PLC 進(jìn)行鍋爐控制的臺(tái)數(shù)有53臺(tái)，使用PLC 和點(diǎn)火程序器同時(shí)進(jìn)行的鍋爐有39 臺(tái)，占鍋爐總數(shù)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(hù)的便利性。

圖4 優(yōu)化后北美燃燒器檢漏啟動(dòng)程序

圖5 新鍋爐觸摸屏程序儀表及線路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

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

其次，增加點(diǎn)火程序器控制所必要的程序段，當(dāng)點(diǎn)火程序器開關(guān)為打開時(shí)，前吹掃結(jié)束后發(fā)出點(diǎn)火程序啟動(dòng)信號(hào)，則PLC 第2 個(gè)單元第0 通道輸出為1，點(diǎn)火程序器接收到信號(hào)開始點(diǎn)爐，如圖,7 所示。再次，補(bǔ)充點(diǎn)火程序器全吹掃控制程序。當(dāng)?shù)? 單元第15 號(hào)通道接收到點(diǎn)火程序器發(fā)出的全力吹掃信號(hào)后，通過以下程序段讓風(fēng)門開度全開進(jìn)行吹掃，如圖8 所示。最后，補(bǔ)充點(diǎn)火程序器報(bào)警反饋程序段，當(dāng)?shù)? 單元第14 號(hào)通道接收到點(diǎn)火程序器的報(bào)警信號(hào)后，通過以下程序段發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(hù)的目的，實(shí)現(xiàn)PLC 程序的統(tǒng)一化。

圖6 新增點(diǎn)火程序器啟用開關(guān)程序段

圖7 新增啟動(dòng)點(diǎn)火程序器輸出程序段

圖8 新增點(diǎn)火程序器全吹掃控制程序段

圖9 新增點(diǎn)火程序器報(bào)警反饋程序段

3 結(jié)語

優(yōu)化北美燃燒器程序，增加跳變監(jiān)測(cè)報(bào)警、連續(xù)自動(dòng)按鍵反饋等功能塊，對(duì)北美燃燒器增加了更多的安全報(bào)警監(jiān)測(cè)保障。熱力性質(zhì)計(jì)算模塊的加入，能快速告知操作人員當(dāng)前鍋爐燃燒是否過熱，引導(dǎo)操作人員及時(shí)調(diào)節(jié)鍋爐工況，減少燃?xì)庀牡耐瑫r(shí)，對(duì)公司精細(xì)化管理提供理論依據(jù)。優(yōu)化燃?xì)鈾z漏程序，排除不檢漏的程序漏洞，可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)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(hù)，減少維護(hù)人員的維護(hù)難度。