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天然氣加熱的工業爐在石油化工行業的應用
時間: 2020-03-10 21:41:06
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天然氣加熱的工業爐在石油化工行業的使用還是相當普遍的，丹陽市電爐廠有限公司的工業爐型號有箱式、立式和圓筒爐、臺車式等型號。
天然氣加熱的工業爐在石油化工行業的使用還是相當普遍的，工業爐型號有箱式、立式和圓筒爐、臺車式等，其中蓄熱式加熱爐也是常見產品之一。對于加熱爐，工藝介質受熱升溫或同時進行汽化，其溫度的高低會直接影響后一工序的操作工況和產品質量。當爐子溫度過高時，會使物料在加熱爐內分解，甚至造成結焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩操作可以延長爐管使用壽命。因此，加熱爐出口溫度必須嚴加控制。
加熱爐是傳統設備的一種，同樣具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質，因此它們同樣符合導熱與對流傳熱的基本規律。但加熱爐屬于火力加熱設備，首先由燃料的燃燒產生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質，工藝介質在輻射室獲得的熱量約占總熱負荷的70%~80%，而在對流段獲得的熱量約占熱負荷的20%~30%。因此加熱爐的傳熱過程比較復雜，想從理論上獲取對象特性是很困難的。
加熱爐的對象特征一般基于定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發，可以看出其傳熱過程為：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經熱傳導、對流傳熱給工藝介質。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數和純滯后時間。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象。根據若干實驗測試，并做了一些簡化，可以用一介環節加純滯后來近似，其時間常熟和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質停留時間有關。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數和純滯后時間大，反之亦然。
天然氣退火爐的出口溫度控制
加熱爐進料一般分為幾個支路。常規的控制方法是：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調節爐用燃料量。這樣的調節方法根本沒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驗根據分支溫差來調節分支流量差。這種人為操作顯然無法實現穩定的均衡控制，往往是各支管流量較均衡，而分支溫度有相當大的差異，某一爐管因局部過熱而結焦的可能性很大。為了改善和克服這種情況，需要采用支路均衡控制方法。近年來出現的差動式平衡控制、解藕控制以及多變量預測控制等方法能夠收取一定的效果。其中差動式方法不僅效果不錯，而且實現簡單，操作簡便，對于長期運行有一定的優勢。另外，針對系統的非線性、強耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實現較好的控制。
加熱爐出口總管溫度是加熱爐環節為重要的參數，出口溫度的穩定對于后續工藝的生產穩定、操作平穩甚至提高收率至關重要。簡單的控制方法就是采用單回路的反饋控制。單回路反饋控制簡單實用，有它的使用價值。但該方法沒有考慮燃料量變化的影響，所以出口溫度不容易穩定，在一定程度上也會造成燃料的浪費。在簡單反饋控制方案的基礎上，加入燃料量控制回路，就可以構成加熱爐的串級控制系統。這種控制方案也比較簡單，效果比簡單控制的效果要好一些，但因為沒有考慮原油進料量的波動，所以出口溫度仍不容易穩定，另外沒有考慮空氣量與燃料量之間的配比控制，燃燒也不能達到較為理想的狀態，這也是出口總管溫度不容易穩定的一個原因。
串級控制系統也可以引入爐膛溫度的控制回路來構成：出口溫度控制器的輸出作為爐膛溫度的設定值，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節閥。這種串級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，但反過來對爐膛溫度測量的準確性要求較高。
在串級控制的基礎上，再引入原油進料前饋，可以構成靜態前饋控制或動態前饋控制。采用原油進料前饋控制后，在原油進料流量有變化時，控制系統能很快使燃料流量發生相應的變化，從而得到補償，使進料流量波動對出口溫度的影響較小。
國內大多數的煉油廠目前均采用以上幾種方法進行出口總管溫度控制，其中簡單的串級控制應用較多，控制多采用經典的PID控制器。實際上，由于系統的大時延、非線性以及時變特性，PID控制很難取得理想的控制效果，采用先進控制如目前在工業過程中應用廣泛的預測控制成為改善控制品質的必要手段。
燃氣退火爐的燃燒控制
加熱爐燃燒控制的任務是提高加熱爐的熱效率，以達到節能增效的目的。由于加熱爐是蒸餾裝置中耗能的環節，能耗占整個裝置的70%以上，因此加熱爐熱效率的提高對于整個蒸餾裝置的節能具有決定性的意義。常規的控制系統中，加熱爐出口溫度、爐膛負壓、煙氣氧含量等變量是獨立的、互不關聯的，而實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：反饋調節對象選擇加熱爐的熱效率或煙氣氧含量，執行手段采用調節控制量；在燃燒控制的基礎上可進一步實施燃燒優化，即采用高級優化策略通過煙氣氧含量或熱效率反饋尋求的過?？諝庀禂?。一般情況下，采用燃燒優化控制后能顯著的提高加熱爐的熱效率。
控制任務概述：
1.保持加熱爐的出口溫度在規定的范圍內
2. 控制爐膛壓力在規定的范圍內
3. 控制煙氣含氧量在設定值附近波動
其中：保持出口溫度是為了保證產品的質量合格；后兩個控制任務是為了保證加熱爐的安全、平穩、高效運行，當加熱爐運行平穩后，也有利于產品質量的保證。
天然氣加熱爐的爐膛壓力是實現加熱爐自動控制的一個重要的參數。爐膛壓力過高時，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構，降低爐子的使用壽命，同時還會導致勞動環境的惡化，危及操作人員的安全；爐壓過低時，會吸入大量的冷風，漏風熱損失和排煙熱損失加大，引風機電耗增加。因此，必須將爐壓控制在規定的范圍內，在加熱爐燃燒控制系統的基礎上，爐膛壓力控制是可以通過控制引風機變頻器開度來實現，爐壓的檢測采用微差壓變送器。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，燃料燃燒不充分，造成大量的化學能損失，并且煙氣中含有大量的CO，對環境造成了危害；含氧量過大時，過?？諝膺^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 發生化學反映生成NOX，也對環境造成污染。因此控制煙氣含氧量不僅可以提高加熱爐的熱效率，更有環保作用。
爐膛壓力控制方案：爐膛壓力主要與進風量和引風量直接相關，同時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，燃燒后的產物會不同，對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量前饋調引風來進行控制。
為了避免引風機變頻器動作過大，需要對控制量進行如下限制：
(1)引風機負荷不可擴大，限制引風機變頻器的開度
(2)由于變頻器有保護電路，如果一次動作過大，會導致斷電保護，因此限制變頻器開度的每次變化量。
煙氣含氧量控制方案：煙氣含氧量是標志燃燒狀況的重要參數。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，該控制方案根據燃料量的變化對進風量做補償，能夠快速響應系統因負荷突然變化而引起的燃料變化，不會出現燃料因負荷突變而變化燃燒狀況卻因進風量反應過慢而惡化的現象。與引風機變頻器類似，對于鼓風機的變頻器的動作也有如下限制：
(1)鼓風機的負荷不可過大，限制鼓風機變頻器的開度。
(2)限制變頻器開度的每次變化量。
擾動分析
加熱爐的主要控制指標往往是工藝介質的出口溫度。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標要求相當嚴格，例如允許波動范圍為±（1～2）℃。影響路出口溫度的擾動因素有：工藝介質進料的流量、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，空氣過量情況，噴嘴的阻力，煙囪抽力等。在這些擾動因素中有的是可控的，有的是不可控的。問了保證爐出口穩定，對擾動應采取必要的措施。
單回路控制系統的分析
主要的控制系統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。其他輔助控制系統有：
(1)進入加熱爐工藝介質的流量控制系統，如圖FC控制系統。
(2)燃料油總壓控制，總壓控制一般調回油量，如入P1C控制系統。
(3)采用燃料油時，還需加入霧化蒸汽，為此設有霧化蒸汽壓力控制系統，如圖P2C控制系統，以保證燃料油的良好霧化。
采用霧化蒸汽壓力控制系統后，在燃料壓力變化不大的情況下是可以滿足霧化要求的，目前煉廠中大多數采用這種方案。假如燃料油壓力變化較大時，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，可以根據燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力之差來調節霧化蒸汽，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，還應注意經常保持噴嘴、管道、節流件等通道的暢通，以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發生變化，引起控制系統的誤動作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，則能克服上述缺點，但所用儀表多且重油流量測量困難。
采用單回路控制系統往往很難滿足工藝滿足，因為加熱爐需要將工藝介質從幾十度升溫到數百度，其熱負荷很大。當燃料油的壓力或熱值有波動時，就會引起爐出口溫度的顯著變化。采用單回路控制時，當加熱量改變后，由于傳遞滯后和測量滯后較大，控制作用不及時，而使爐口溫度波動較大，滿足不了工藝生產要求。因此單回路控制系統僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴格；其外來擾動緩慢而較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大。
加熱爐是傳統設備的一種，同樣具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質，因此它們同樣符合導熱與對流傳熱的基本規律。但加熱爐屬于火力加熱設備，首先由燃料的燃燒產生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質，工藝介質在輻射室獲得的熱量約占總熱負荷的70%~80%，而在對流段獲得的熱量約占熱負荷的20%~30%。因此加熱爐的傳熱過程比較復雜，想從理論上獲取對象特性是很困難的。
加熱爐的對象特征一般基于定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發，可以看出其傳熱過程為：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經熱傳導、對流傳熱給工藝介質。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數和純滯后時間。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象。根據若干實驗測試，并做了一些簡化，可以用一介環節加純滯后來近似，其時間常熟和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質停留時間有關。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數和純滯后時間大，反之亦然。
天然氣退火爐的出口溫度控制
加熱爐進料一般分為幾個支路。常規的控制方法是：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調節爐用燃料量。這樣的調節方法根本沒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驗根據分支溫差來調節分支流量差。這種人為操作顯然無法實現穩定的均衡控制，往往是各支管流量較均衡，而分支溫度有相當大的差異，某一爐管因局部過熱而結焦的可能性很大。為了改善和克服這種情況，需要采用支路均衡控制方法。近年來出現的差動式平衡控制、解藕控制以及多變量預測控制等方法能夠收取一定的效果。其中差動式方法不僅效果不錯，而且實現簡單，操作簡便，對于長期運行有一定的優勢。另外，針對系統的非線性、強耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實現較好的控制。
串級控制系統也可以引入爐膛溫度的控制回路來構成：出口溫度控制器的輸出作為爐膛溫度的設定值，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節閥。這種串級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，但反過來對爐膛溫度測量的準確性要求較高。
在串級控制的基礎上，再引入原油進料前饋，可以構成靜態前饋控制或動態前饋控制。采用原油進料前饋控制后，在原油進料流量有變化時，控制系統能很快使燃料流量發生相應的變化，從而得到補償，使進料流量波動對出口溫度的影響較小。
國內大多數的煉油廠目前均采用以上幾種方法進行出口總管溫度控制，其中簡單的串級控制應用較多，控制多采用經典的PID控制器。實際上，由于系統的大時延、非線性以及時變特性，PID控制很難取得理想的控制效果，采用先進控制如目前在工業過程中應用廣泛的預測控制成為改善控制品質的必要手段。
燃氣退火爐的燃燒控制
加熱爐燃燒控制的任務是提高加熱爐的熱效率，以達到節能增效的目的。由于加熱爐是蒸餾裝置中耗能的環節，能耗占整個裝置的70%以上，因此加熱爐熱效率的提高對于整個蒸餾裝置的節能具有決定性的意義。常規的控制系統中，加熱爐出口溫度、爐膛負壓、煙氣氧含量等變量是獨立的、互不關聯的，而實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：反饋調節對象選擇加熱爐的熱效率或煙氣氧含量，執行手段采用調節控制量；在燃燒控制的基礎上可進一步實施燃燒優化，即采用高級優化策略通過煙氣氧含量或熱效率反饋尋求的過?？諝庀禂?。一般情況下，采用燃燒優化控制后能顯著的提高加熱爐的熱效率。
控制任務概述：
1.保持加熱爐的出口溫度在規定的范圍內
2. 控制爐膛壓力在規定的范圍內
3. 控制煙氣含氧量在設定值附近波動
其中：保持出口溫度是為了保證產品的質量合格；后兩個控制任務是為了保證加熱爐的安全、平穩、高效運行，當加熱爐運行平穩后，也有利于產品質量的保證。
爐膛壓力控制方案：爐膛壓力主要與進風量和引風量直接相關，同時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，燃燒后的產物會不同，對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量前饋調引風來進行控制。
為了避免引風機變頻器動作過大，需要對控制量進行如下限制：
(1)引風機負荷不可擴大，限制引風機變頻器的開度
(2)由于變頻器有保護電路，如果一次動作過大，會導致斷電保護，因此限制變頻器開度的每次變化量。
煙氣含氧量控制方案：煙氣含氧量是標志燃燒狀況的重要參數。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，該控制方案根據燃料量的變化對進風量做補償，能夠快速響應系統因負荷突然變化而引起的燃料變化，不會出現燃料因負荷突變而變化燃燒狀況卻因進風量反應過慢而惡化的現象。與引風機變頻器類似，對于鼓風機的變頻器的動作也有如下限制：
(1)鼓風機的負荷不可過大，限制鼓風機變頻器的開度。
(2)限制變頻器開度的每次變化量。
擾動分析
加熱爐的主要控制指標往往是工藝介質的出口溫度。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標要求相當嚴格，例如允許波動范圍為±（1～2）℃。影響路出口溫度的擾動因素有：工藝介質進料的流量、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，空氣過量情況，噴嘴的阻力，煙囪抽力等。在這些擾動因素中有的是可控的，有的是不可控的。問了保證爐出口穩定，對擾動應采取必要的措施。
單回路控制系統的分析
主要的控制系統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。其他輔助控制系統有：
(1)進入加熱爐工藝介質的流量控制系統，如圖FC控制系統。
(2)燃料油總壓控制，總壓控制一般調回油量，如入P1C控制系統。
(3)采用燃料油時，還需加入霧化蒸汽，為此設有霧化蒸汽壓力控制系統，如圖P2C控制系統，以保證燃料油的良好霧化。
采用霧化蒸汽壓力控制系統后，在燃料壓力變化不大的情況下是可以滿足霧化要求的，目前煉廠中大多數采用這種方案。假如燃料油壓力變化較大時，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，可以根據燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力之差來調節霧化蒸汽，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，還應注意經常保持噴嘴、管道、節流件等通道的暢通，以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發生變化，引起控制系統的誤動作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，則能克服上述缺點，但所用儀表多且重油流量測量困難。
采用單回路控制系統往往很難滿足工藝滿足，因為加熱爐需要將工藝介質從幾十度升溫到數百度，其熱負荷很大。當燃料油的壓力或熱值有波動時，就會引起爐出口溫度的顯著變化。采用單回路控制時，當加熱量改變后，由于傳遞滯后和測量滯后較大，控制作用不及時，而使爐口溫度波動較大，滿足不了工藝生產要求。因此單回路控制系統僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴格；其外來擾動緩慢而較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大。
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