天然氣加熱的工業(yè)爐在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

　　天然氣加熱的工業(yè)爐在石油化工行業(yè)的使用還是相當(dāng)普遍的，工業(yè)爐型號(hào)有箱式、立式和圓筒爐、臺(tái)車(chē)式等，其中蓄熱式加熱爐也是常見(jiàn)產(chǎn)品之一。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行汽化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)爐子溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長(zhǎng)爐管使用壽命。因此，加熱爐出口溫度必須嚴(yán)加控制。
加熱爐是傳統(tǒng)設(shè)備的一種，同樣具有熱量傳遞過(guò)程。熱量通過(guò)金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱的基本規(guī)律。但加熱爐屬于火力加熱設(shè)備，首先由燃料的燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過(guò)輻射傳熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質(zhì)，工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占總熱負(fù)荷的70%~80%，而在對(duì)流段獲得的熱量約占熱負(fù)荷的20%~30%。因此加熱爐的傳熱過(guò)程比較復(fù)雜，想從理論上獲取對(duì)象特性是很困難的。

　　加熱爐的對(duì)象特征一般基于定性分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得。從定性角度出發(fā)，可以看出其傳熱過(guò)程為：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對(duì)象一樣，具有較大的時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間。特別是爐膛，它具有較大的熱容量，故滯后更為顯著，因此加熱爐屬于一種多容量的被控對(duì)象。根據(jù)若干實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并做了一些簡(jiǎn)化，可以用一介環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似，其時(shí)間常熟和純滯后時(shí)間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時(shí)間有關(guān)。爐膛容量大，停留時(shí)間長(zhǎng)，則時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間大，反之亦然。

天然氣退火爐的出口溫度控制

　　加熱爐進(jìn)料一般分為幾個(gè)支路。常規(guī)的控制方法是：在各支路上安裝各自的流量變送器和控制閥，而用爐出口總管溫度來(lái)調(diào)節(jié)爐用燃料量。這樣的調(diào)節(jié)方法根本沒(méi)有考慮支管溫度均衡的控制，支管溫度均衡的控制由操作工憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)分支溫差來(lái)調(diào)節(jié)分支流量差。這種人為操作顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的均衡控制，往往是各支管流量較均衡，而分支溫度有相當(dāng)大的差異，某一爐管因局部過(guò)熱而結(jié)焦的可能性很大。為了改善和克服這種情況，需要采用支路均衡控制方法。近年來(lái)出現(xiàn)的差動(dòng)式平衡控制、解藕控制以及多變量預(yù)測(cè)控制等方法能夠收取一定的效果。其中差動(dòng)式方法不僅效果不錯(cuò)，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行有一定的優(yōu)勢(shì)。另外，針對(duì)系統(tǒng)的非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實(shí)現(xiàn)較好的控制。 　　加熱爐出口總管溫度是加熱爐環(huán)節(jié)為重要的參數(shù)，出口溫度的穩(wěn)定對(duì)于后續(xù)工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定、操作平穩(wěn)甚至提高收率至關(guān)重要。簡(jiǎn)單的控制方法就是采用單回路的反饋控制。單回路反饋控制簡(jiǎn)單實(shí)用，有它的使用價(jià)值。但該方法沒(méi)有考慮燃料量變化的影響，所以出口溫度不容易穩(wěn)定，在一定程度上也會(huì)造成燃料的浪費(fèi)。在簡(jiǎn)單反饋控制方案的基礎(chǔ)上，加入燃料量控制回路，就可以構(gòu)成加熱爐的串級(jí)控制系統(tǒng)。這種控制方案也比較簡(jiǎn)單，效果比簡(jiǎn)單控制的效果要好一些，但因?yàn)闆](méi)有考慮原油進(jìn)料量的波動(dòng)，所以出口溫度仍不容易穩(wěn)定，另外沒(méi)有考慮空氣量與燃料量之間的配比控制，燃燒也不能達(dá)到較為理想的狀態(tài)，這也是出口總管溫度不容易穩(wěn)定的一個(gè)原因。
串級(jí)控制系統(tǒng)也可以引入爐膛溫度的控制回路來(lái)構(gòu)成：出口溫度控制器的輸出作為爐膛溫度的設(shè)定值，爐膛溫度控制器的輸出作為燃料量的給定值，燃料量控制器再去控制調(diào)節(jié)閥。這種串級(jí)控制利用爐膛溫度的重要信息，有利于克服某些裝置燃料壓力的波動(dòng)，但反過(guò)來(lái)對(duì)爐膛溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性要求較高。

　　在串級(jí)控制的基礎(chǔ)上，再引入原油進(jìn)料前饋，可以構(gòu)成靜態(tài)前饋控制或動(dòng)態(tài)前饋控制。采用原油進(jìn)料前饋控制后，在原油進(jìn)料流量有變化時(shí)，控制系統(tǒng)能很快使燃料流量發(fā)生相應(yīng)的變化，從而得到補(bǔ)償，使進(jìn)料流量波動(dòng)對(duì)出口溫度的影響較小。

　　國(guó)內(nèi)大多數(shù)的煉油廠目前均采用以上幾種方法進(jìn)行出口總管溫度控制，其中簡(jiǎn)單的串級(jí)控制應(yīng)用較多，控制多采用經(jīng)典的PID控制器。實(shí)際上，由于系統(tǒng)的大時(shí)延、非線(xiàn)性以及時(shí)變特性，PID控制很難取得理想的控制效果，采用先進(jìn)控制如目前在工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用廣泛的預(yù)測(cè)控制成為改善控制品質(zhì)的必要手段。

燃?xì)馔嘶馉t的燃燒控制

　　加熱爐燃燒控制的任務(wù)是提高加熱爐的熱效率，以達(dá)到節(jié)能增效的目的。由于加熱爐是蒸餾裝置中耗能的環(huán)節(jié)，能耗占整個(gè)裝置的70%以上，因此加熱爐熱效率的提高對(duì)于整個(gè)蒸餾裝置的節(jié)能具有決定性的意義。常規(guī)的控制系統(tǒng)中，加熱爐出口溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量等變量是獨(dú)立的、互不關(guān)聯(lián)的，而實(shí)際上各變量之間相互影響。一般可以采用前饋加反饋的控制方法。如：反饋調(diào)節(jié)對(duì)象選擇加熱爐的熱效率或煙氣氧含量，執(zhí)行手段采用調(diào)節(jié)控制量；在燃燒控制的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步實(shí)施燃燒優(yōu)化，即采用高級(jí)優(yōu)化策略通過(guò)煙氣氧含量或熱效率反饋尋求的過(guò)?？諝庀禂?shù)。一般情況下，采用燃燒優(yōu)化控制后能顯著的提高加熱爐的熱效率。

控制任務(wù)概述：

1.保持加熱爐的出口溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)
2. 控制爐膛壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)
3. 控制煙氣含氧量在設(shè)定值附近波動(dòng)

其中：保持出口溫度是為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格；后兩個(gè)控制任務(wù)是為了保證加熱爐的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，當(dāng)加熱爐運(yùn)行平穩(wěn)后，也有利于產(chǎn)品質(zhì)量的保證。 　　天然氣加熱爐的爐膛壓力是實(shí)現(xiàn)加熱爐自動(dòng)控制的一個(gè)重要的參數(shù)。爐膛壓力過(guò)高時(shí)，爐膛向外噴火，不僅使大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也易燒壞爐子的鋼結(jié)構(gòu)，降低爐子的使用壽命，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)環(huán)境的惡化，危及操作人員的安全；爐壓過(guò)低時(shí)，會(huì)吸入大量的冷風(fēng)，漏風(fēng)熱損失和排煙熱損失加大，引風(fēng)機(jī)電耗增加。因此，必須將爐壓控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，在加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，爐膛壓力控制是可以通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)變頻器開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，爐壓的檢測(cè)采用微差壓變送器。煙氣含氧量的大小能反映出加熱爐的燃燒情況，含氧量不足時(shí)，燃料燃燒不充分，造成大量的化學(xué)能損失，并且煙氣中含有大量的CO，對(duì)環(huán)境造成了危害；含氧量過(guò)大時(shí)，過(guò)剩空氣過(guò)多，煙氣要帶走大量的熱量，造成排煙熱損失，并且空氣中的N2在高溫下與O2 發(fā)生化學(xué)反映生成NOX，也對(duì)環(huán)境造成污染。因此控制煙氣含氧量不僅可以提高加熱爐的熱效率，更有環(huán)保作用。
爐膛壓力控制方案：爐膛壓力主要與進(jìn)風(fēng)量和引風(fēng)量直接相關(guān)，同時(shí)也受到加熱爐燃燒狀況以及燃料油、燃料氣比例的影響，不同的燃料下，燃燒后的產(chǎn)物會(huì)不同，對(duì)爐膛壓力的影響也就不一樣，但這些影響因素處于次要地位可以不加考慮，采用單變量控制加上送風(fēng)量前饋調(diào)引風(fēng)來(lái)進(jìn)行控制。

　　為了避免引風(fēng)機(jī)變頻器動(dòng)作過(guò)大，需要對(duì)控制量進(jìn)行如下限制：
(1)引風(fēng)機(jī)負(fù)荷不可擴(kuò)大，限制引風(fēng)機(jī)變頻器的開(kāi)度
(2)由于變頻器有保護(hù)電路，如果一次動(dòng)作過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致斷電保護(hù)，因此限制變頻器開(kāi)度的每次變化量。

　　煙氣含氧量控制方案：煙氣含氧量是標(biāo)志燃燒狀況的重要參數(shù)。爐膛溫度、燃料量（主要是燃料油量和燃料氣量），甚至燃燒油與燃料氣的比例對(duì)煙氣含氧量有直接的影響，控制圖如圖1-2所示，該控制方案根據(jù)燃料量的變化對(duì)進(jìn)風(fēng)量做補(bǔ)償，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)因負(fù)荷突然變化而引起的燃料變化，不會(huì)出現(xiàn)燃料因負(fù)荷突變而變化燃燒狀況卻因進(jìn)風(fēng)量反應(yīng)過(guò)慢而惡化的現(xiàn)象。與引風(fēng)機(jī)變頻器類(lèi)似，對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)的變頻器的動(dòng)作也有如下限制：
(1)鼓風(fēng)機(jī)的負(fù)荷不可過(guò)大，限制鼓風(fēng)機(jī)變頻器的開(kāi)度。
(2)限制變頻器開(kāi)度的每次變化量。
擾動(dòng)分析
　　加熱爐的主要控制指標(biāo)往往是工藝介質(zhì)的出口溫度。對(duì)于不少加熱爐來(lái)說(shuō)，溫度控制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴(yán)格，例如允許波動(dòng)范圍為±（1～2）℃。影響路出口溫度的擾動(dòng)因素有：工藝介質(zhì)進(jìn)料的流量、溫度、組分，燃料方面有燃料油的壓力、成分、燃料油的霧化情況，空氣過(guò)量情況，噴嘴的阻力，煙囪抽力等。在這些擾動(dòng)因素中有的是可控的，有的是不可控的。問(wèn)了保證爐出口穩(wěn)定，對(duì)擾動(dòng)應(yīng)采取必要的措施。
單回路控制系統(tǒng)的分析
主要的控制系統(tǒng)是以爐出口溫度為控制變量、燃料油流量為操縱變量組成的單回路控制系統(tǒng)。其他輔助控制系統(tǒng)有：
(1)進(jìn)入加熱爐工藝介質(zhì)的流量控制系統(tǒng)，如圖FC控制系統(tǒng)。
(2)燃料油總壓控制，總壓控制一般調(diào)回油量，如入P1C控制系統(tǒng)。
(3)采用燃料油時(shí)，還需加入霧化蒸汽，為此設(shè)有霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)，如圖P2C控制系統(tǒng)，以保證燃料油的良好霧化。
　　采用霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)后，在燃料壓力變化不大的情況下是可以滿(mǎn)足霧化要求的，目前煉廠中大多數(shù)采用這種方案。假如燃料油壓力變化較大時(shí)，單采用霧化蒸汽壓力控制就不能保證燃料油得到良好的霧化，可以根據(jù)燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力之差來(lái)調(diào)節(jié)霧化蒸汽，還可以采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力比值控制。但只能保持近似的流量比，還應(yīng)注意經(jīng)常保持噴嘴、管道、節(jié)流件等通道的暢通，以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發(fā)生變化，引起控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，則能克服上述缺點(diǎn)，但所用儀表多且重油流量測(cè)量困難。

　　采用單回路控制系統(tǒng)往往很難滿(mǎn)足工藝滿(mǎn)足，因?yàn)榧訜釥t需要將工藝介質(zhì)從幾十度升溫到數(shù)百度，其熱負(fù)荷很大。當(dāng)燃料油的壓力或熱值有波動(dòng)時(shí)，就會(huì)引起爐出口溫度的顯著變化。采用單回路控制時(shí)，當(dāng)加熱量改變后，由于傳遞滯后和測(cè)量滯后較大，控制作用不及時(shí)，而使?fàn)t口溫度波動(dòng)較大，滿(mǎn)足不了工藝生產(chǎn)要求。因此單回路控制系統(tǒng)僅適用于對(duì)爐出口溫度要求不十分嚴(yán)格；其外來(lái)擾動(dòng)緩慢而較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大。