謝文奮

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司 獨(dú)山子分公司，新疆維吾爾自治區(qū) 克拉瑪依 833699）

0 引言

石油煉化企業(yè)加熱爐設(shè)備是高溫加熱工藝生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，是重要的工藝加工過(guò)程，通過(guò)對(duì)爐堂溫度控制、加熱爐進(jìn)料量控制及燃料氣流量或壓力控制，來(lái)控制燃燒過(guò)程，火焰燃燒的狀況直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和效率。加熱爐內(nèi)火焰燃燒情況、火焰燃燒的形狀等要素，長(zhǎng)期以來(lái)主要靠現(xiàn)場(chǎng)操作人員到現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)看火孔，依據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，直接觀察的方式來(lái)控制爐內(nèi)的運(yùn)行工況，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，效率低，風(fēng)險(xiǎn)大。目前，煉化企業(yè)加熱爐火焰觀測(cè)，逐步采用高溫工業(yè)電視監(jiān)控設(shè)備，用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)來(lái)替代“人眼看火”的落后工藝，使得操作人員在控制室內(nèi)就可以了解加熱爐內(nèi)部的工況，大大提高了工作效率，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了風(fēng)險(xiǎn)，有效地提高了設(shè)備的工藝控制水平。通常采用火焰監(jiān)測(cè)是內(nèi)窺式高溫視屏監(jiān)控系統(tǒng)。某煉化企業(yè)加熱爐使用多臺(tái)內(nèi)窺視高溫視屏監(jiān)控系統(tǒng)，可將攝像鏡頭直接伸至加熱爐爐體內(nèi)部進(jìn)行觀察，觀察加熱爐運(yùn)行狀況、管道結(jié)構(gòu)和火焰形狀等，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)的PLC邏輯控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)視屏監(jiān)控系統(tǒng)的控制。

1 內(nèi)窺式高溫視屏監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

內(nèi)窺式高溫視屏監(jiān)控系統(tǒng)由自動(dòng)退出裝置、高溫探頭、邏輯控制模塊、信號(hào)采集部分、智能顯示裝置5個(gè)部分組成。系統(tǒng)在自動(dòng)退出裝置探頭罩內(nèi)裝有超寬動(dòng)態(tài)高溫固化彩色攝像機(jī)及藍(lán)寶石耐高溫針孔鏡頭。彩色攝像機(jī)和高溫針孔鏡頭安裝在探頭罩內(nèi)，探頭伸至爐壁，通過(guò)針孔鏡頭攝取爐內(nèi)圖像，形成全電視信號(hào)，經(jīng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)接后送至彩色監(jiān)視器顯示圖像。系統(tǒng)采用針孔成像技術(shù)，解決了加熱爐內(nèi)高強(qiáng)度熱輻射和粉塵對(duì)攝像機(jī)鏡頭的影響。極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了系統(tǒng)的維護(hù)要求，基本達(dá)到了免維護(hù)的使用情況。

1.2 自動(dòng)保護(hù)

圖1 安裝示意圖Fig.1 Installation diagram

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.2 Field installation

控制系統(tǒng)采用PLC可編程控制器，提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性，利用PLC可編程控制器控制技術(shù)對(duì)攝像機(jī)和鏡頭部分的伸進(jìn)退出進(jìn)行自動(dòng)控制，系統(tǒng)電源、壓縮空氣供應(yīng)等出現(xiàn)的問(wèn)題以及探頭罩內(nèi)溫度超出范圍時(shí)，均可自動(dòng)將機(jī)構(gòu)退出爐膛，對(duì)設(shè)備起到自動(dòng)保護(hù)的作用。還可以根據(jù)需要，設(shè)置定時(shí)退出、退出狀態(tài)電源自動(dòng)切斷等措施來(lái)保護(hù)電器設(shè)備。3種保護(hù)功能的檢測(cè)元件分別為置于控制箱內(nèi)的壓力PLC可編程控制器、置于探頭罩內(nèi)層的溫度探頭、置于控制箱內(nèi)的電磁閥。

1.3 系統(tǒng)安裝組成

主要有現(xiàn)場(chǎng)部分和操作室部分，現(xiàn)場(chǎng)部分包括前端退出裝置和攝像設(shè)備、管纜、防爆控制箱、空氣罐、電纜，見(jiàn)圖1安裝示意圖。操作室由工業(yè)電視組成，監(jiān)測(cè)的火焰狀況在操作室工業(yè)電視上顯示。

2 使用狀況

圖3 溫度顯示控制儀Fig.3 Temperature display controller

圖4 電接點(diǎn)壓力Fig.4 Contact pressure

1）火焰監(jiān)測(cè)視屏現(xiàn)場(chǎng)多次出現(xiàn)故障，問(wèn)題分析過(guò)于繁瑣，參數(shù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)無(wú)實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)歷史趨勢(shì)、斷風(fēng)、超溫現(xiàn)象無(wú)法預(yù)知，給設(shè)備正常運(yùn)行帶來(lái)隱患?，F(xiàn)場(chǎng)儀表安裝情況見(jiàn)圖2。

2）現(xiàn)場(chǎng)溫度控制采用溫度數(shù)字顯表，溫度數(shù)字顯表內(nèi)可預(yù)先設(shè)置溫控的上下限，進(jìn)行顯示和超溫報(bào)警。

3）具有空氣壓力低退出功能，當(dāng)空氣壓力低于0.3Mpa時(shí)，電接點(diǎn)壓力表觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，該動(dòng)作信號(hào)經(jīng)控制線反饋給電器控制箱內(nèi)的PLC，經(jīng)處理后由PLC邏輯控制器控制探頭罩退出，該動(dòng)作處理的時(shí)間延時(shí)小于5ms。

4）探頭溫度超溫退出功能，當(dāng)探頭罩內(nèi)前端溫度大于55℃，置于探頭罩前端的熱電偶溫度探頭完成對(duì)溫度參考量的采樣，由傳感線送至控制箱內(nèi)的溫度顯示儀，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至面板顯示。當(dāng)探頭罩內(nèi)前端溫度大于55℃，顯示儀內(nèi)部開(kāi)關(guān)繼電器斷開(kāi)，該動(dòng)作信號(hào)經(jīng)控制線反饋給電器控制箱內(nèi)的PLC邏輯控制器，經(jīng)處理后由PLC邏輯控制器控制探頭罩退出，該動(dòng)作處理的時(shí)間延時(shí)小于10ms。

圖5 供電系統(tǒng)Fig.5 Power supply system

圖6 兩位五通電磁閥Fig.6 Two five-way solenoid valves

圖7 控制信號(hào)框圖Fig.7 Control signal frame diagram

5）系統(tǒng)停電自動(dòng)退出功能，供電系統(tǒng)失電后，接觸器斷開(kāi)，使置于儲(chǔ)氣罐尾端電磁閥掉電，控制設(shè)備的伸進(jìn)及退出。電磁閥通電時(shí)，設(shè)備將探頭向前伸，此時(shí)可觀察爐內(nèi)的工作情況；電磁閥掉電時(shí)，設(shè)備將探頭向后退，此時(shí)爐門(mén)關(guān)閉，處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，整個(gè)控制電路失去電源，電磁閥處于掉電狀態(tài)，探頭退離爐壁口。該動(dòng)作處理的時(shí)間延時(shí)小于5ms。

6）控制探頭退出電磁閥狀況。運(yùn)作控制探頭退出是一臺(tái)兩位五通電磁閥。電磁閥通電時(shí)（見(jiàn)圖5），設(shè)備將探頭向前伸進(jìn)加熱爐內(nèi)，此時(shí)可觀察爐內(nèi)的工作情況；電磁閥掉電時(shí)，設(shè)備將探頭向后退，此時(shí)爐門(mén)關(guān)閉，處于停止工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，整個(gè)控制電路失去電源，電磁閥處于掉電狀態(tài)，探頭退離爐壁口。該動(dòng)作處理的時(shí)間延時(shí)小于5ms。采用UPS電源時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)停電退出功能，此時(shí)由UPS對(duì)本設(shè)備供電，市電僅起到反映是否停電的作用。

7）儀表信號(hào)控制信號(hào)通過(guò)超溫報(bào)警、超溫探頭退出、空氣壓力低探頭退出、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)按鈕退出探頭、系統(tǒng)掉電探頭退出實(shí)現(xiàn)保護(hù)攝像頭，控制過(guò)程均在現(xiàn)場(chǎng)儀表控制箱，監(jiān)測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)均未進(jìn)行DCS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，使用過(guò)程無(wú)法對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在設(shè)備隱患。控制信號(hào)框圖見(jiàn)圖7。

3 存在的問(wèn)題

加熱爐是裝置的重要生產(chǎn)單元，加熱爐火焰燃燒的狀態(tài)，直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)保問(wèn)題。設(shè)備使用地處西北地區(qū)，冬季寒冷，空氣易凝結(jié)成冰，且設(shè)備安裝位置在小平臺(tái)上位置偏高，作業(yè)空間狹小，不方便每日的巡回檢查，且存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)；加熱爐火焰視屏監(jiān)測(cè)儀表控制系統(tǒng)部分，采用的是現(xiàn)場(chǎng)PLC邏輯控制器，設(shè)備參數(shù)監(jiān)測(cè)未實(shí)現(xiàn)過(guò)程監(jiān)控；現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)的儀表設(shè)備（電接點(diǎn)壓力表、溫度信號(hào)、溫度控制儀、電源、端子、電磁閥、繼電器）和PLC邏輯控制器間接線混亂，接線端子間無(wú)信號(hào)標(biāo)示。設(shè)備自安裝后故障頻發(fā)，年平均次數(shù)11次，主要有溫度控制儀設(shè)置參數(shù)丟失、內(nèi)部接線松動(dòng)、電接點(diǎn)壓力表設(shè)置偏差、電磁閥掉電、空氣壓過(guò)濾器內(nèi)含水造成壓力低、PLC邏輯控制器死機(jī)等現(xiàn)象，給加熱爐火焰監(jiān)測(cè)和安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。

4 措施及辦法

1）拆除現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)溫度顯示控制儀，增加一臺(tái)溫度變送器，測(cè)溫?zé)犭娕驾敵鲂盘?hào)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)一體化溫度變送器，轉(zhuǎn)換成4mA～20mA信號(hào)輸出，遠(yuǎn)傳至DCS系統(tǒng)，進(jìn)行顯示報(bào)警記錄，通過(guò)DCS邏輯組態(tài)控制輸出，實(shí)現(xiàn)超溫探頭退出保護(hù)。

圖8 DCS系統(tǒng)控制信號(hào)框圖Fig.8 DCS system control signal frame

2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量空氣壓力的電接點(diǎn)壓力表，更換為壓力變送器，滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆要求；測(cè)量位置由管線安裝改為空氣罐壓力測(cè)量，提高測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的空氣壓力監(jiān)測(cè)；壓力變送器輸出4mA～20mA信號(hào)輸出，遠(yuǎn)傳至DCS系統(tǒng)，進(jìn)行空氣壓力顯示報(bào)警記錄，通過(guò)DCS邏輯組態(tài)控制輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空氣壓力低探頭退出保護(hù)。

3）現(xiàn)場(chǎng)火焰檢測(cè)系統(tǒng)控制箱內(nèi)供電為市電，未通過(guò)UPS供電，將供電方式改為UPS供電，在機(jī)柜間PTP電源柜上取一回路為火焰檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)供電，通過(guò)控制箱內(nèi)接觸器將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)引入DCS系統(tǒng)，進(jìn)行電源供電狀態(tài)顯示，并參與DCS邏輯組態(tài)控制輸出；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掉電探頭退出保護(hù)。

4）取消控制箱內(nèi)的PLC可編程控制器，采用裝置已有的橫河VP系統(tǒng)，通過(guò)DCS的邏輯組態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。滿足保護(hù)條件時(shí)，DCS系統(tǒng)經(jīng)邏輯判斷，輸出的控制信號(hào)到機(jī)柜間繼電器，繼電器輸出信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)控制兩位五通電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭退出的保護(hù)；現(xiàn)場(chǎng)控制箱上手動(dòng)探頭退出信號(hào)保持不變；系統(tǒng)控制信號(hào)框圖連接見(jiàn)圖8。

5 結(jié)束語(yǔ)

取消現(xiàn)場(chǎng)PLC可編程控制器，借助于DCS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，通過(guò)DCS系統(tǒng)的歷史趨勢(shì)預(yù)先判斷故障出現(xiàn)的原因，并及時(shí)處理；既保證生產(chǎn)安全，改善工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還便于實(shí)現(xiàn)集中調(diào)度和操作。同時(shí)，消除設(shè)備存在隱患，降低了日常設(shè)備故障率。優(yōu)化控制方案后，控制環(huán)節(jié)更加可靠，性能更加穩(wěn)定；利用PRM系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和管理，提高了自動(dòng)控制水平，具有極大的推廣價(jià)值。