如何提升化工企业控制系统的可靠性？

一家化工制造企业需要升级其燃烧器管理系统（BMS）和燃烧控制系统，以实现更高效的自动化操作，并减少生产中断。

2021年，一家全球化的化工公司联系了Wood工业过程自动化团队，需要处理一个双芯平衡吸油式热油加热器，该加热器扰乱了生产目标。由原始设备制造商（OEM）提供的燃烧器管理系统（BMS）和燃烧控制系统需要升级。所提供的控制装置不允许加热器自动运行，客户只能手动操作。因此，这家化工企司面临着加热器频繁停机、无法满足设计的热油加热负荷的问题。

设定控制系统升级目标

该项目的进度压力很大，计划在项目开始五个月后进行更换，目标如下：

• 根据现有的行业最佳实践标准（如API 556），来评估BMS和燃烧控制的设计；
• 评估燃烧控制设计，并根据需要重新设计，以提供稳定、自动的空燃比控制和氧气调节，从而提供设计热负荷；
• 制定和测试燃烧控制和BMS策略所需的升级或更换；
• 在规划的更换中实施修改后的配置，并调试控制措施；
• 提供运行人员和工程师培训，包括对加热器的调整。

重新设计BMS和燃烧控制装置

调查显示空气/燃料和燃烧速率控制不起作用。燃烧控制必须采用新的方法进行重新设计，就好像设计全新的加热器一样。加热器很复杂，需要在自动和手动功能之间取得微妙的平衡。平衡通风加热器要求燃烧器自动化，而单独的空气调节器必须手动设置。

最初的设计在强制通风和引风风机上使用风门和变频器控制装置。这就产生了控制问题，即在试图精确控制空气/燃料比例时，两个基于压力的回路彼此不一致。这最终会导致加热器跳闸，从而使客户只能手动控制风门。

放弃现有的复杂控制设计和配置，转而使用设计模板参考库、API 556控制说明和平衡通风的多喷嘴加热器控制说明。

控制设计工作分为两种主要的复杂控制策略：（a）风机和通风控制，以及（b）空气/燃料控制。根据基本的加热器和燃烧器设计数据，开发了新的控制模式和说明。

空气/燃料比例对于优化燃烧效率至关重要。空气过多会导致能量损失；空气过少会导致不必要的燃料浪费。理想的空气/燃料比例取决于运行负载和燃烧的燃料类型。为了满足这些要求，需要：

• 根据所提供的加热器和燃烧器数据表以及燃气成分数据，对空气/燃料和点火等级控制进行燃烧工程和建模。
• 开发用于空气/燃料和燃烧速率控制的特性曲线和计算。

重新思考控制策略

一旦确定了适当的空气/燃料比例，就可以制定相应的控制方案，将模型转化为可用的应用。这并不是一个简单过程。使用主燃烧空气和通风控制风门上的非线性增益位置控制策略，将风机速度控制与燃烧空气和气流压力控制解耦。这允许对风机速度的增加和减少进行自动控制。采用超前/滞后控制，其中通风压力控制和燃烧空气流量控制起主导作用，以即时控制通风和空气流量，变频器则发挥滞后作用。这种控制方案使用初级回路和次级回路有效解耦。

图：一家化工公司与Wood公司签订合同，升级其燃烧器管理系统（BMS）和燃烧控制系统。这些系统已经过时，没有达到所需的标准。使用Wood的设计模板标准参考库、API 556控制说明和平衡通风多燃烧器加热器控制说明，有助于重新思考控制策略。

图片来源：Wood

需要对过量空气、氧气和一氧化碳进行动态补偿控制。通过基于运行中的燃烧器数量和停止维护的燃烧器数量的设定值，自适应实现动态补偿。由于通过这些燃烧器流入加热器的空气不可用于燃烧，因此必须考虑未点燃的燃烧器，而且要单独进行补偿。

在完成控制方案后，将新应用安装到实时控制系统上之前，需要验证新设计是否可行。

考虑到控制策略的复杂性，有必要使用离线工厂验收测试（FAT）软件，以在进场前验证和确认所有特征、计算和控制行为。在计划的检修期间安装新配置文件，实施图形修改，在加热器调试之前进行现场验收测试（SAT）和预调试检查。

化工设施控制系统的安装

在团队对加热器控制功能满意后，他们将配置转移到化工厂。加热器点火，从试点运行开始，一直到低于设计的点火率，最终通过级联和自动模式下运行的新控制策略来实现设计热输出。在分阶段预热和“斜坡和保持”启动过程期间，进行了微小的调整，在整个电厂重启和热需求上升过程中保持级联控制。

运行人员花了一段时间才相信新的控制方案，因为他们已经习惯了解耦控制和频繁的控制跳闸。让运行人员感到惊讶的是，他们现在能够利用自动控制将加热器调高到以前无法实现的热负荷。以前，加热器从未能够在级联和自动控制的情况下运行所有控制。尽管面临诸多挑战，该项目还是按计划成功完成了。