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(chǎn)品之一。對于加熱爐，工藝介質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)爐子溫度過高時，會使物料在加熱爐內(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程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導(dǎo)熱與對流傳熱的基本規(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(fù)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(fā)，可以看出其傳熱過程為：爐膛熾熱火焰輻射給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數(shù)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(jù)若干實驗測試，并做了一些簡化，可以用一介環(huán)節(jié)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(zhì)停留時間有關(guān)。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數(shù)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(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調(diào)節(jié)爐用燃料量。這樣的調(diào)節(jié)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(jīng)驗根據(jù)分支溫差來調(diào)節(jié)分支流量差。這種人為操作顯然無法實現(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。近年來出現(xiàn)的差動式平衡控制、解藕控制以及多變量預(yù)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(xiàn)簡單，操作簡便，對于長期運行有一定的優(yōu)勢。另外，針對系統(tǒng)的非線性、強耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實現(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(wěn)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(chǔ)上，加入燃料量控制回路，就可以構(gòu)成加熱爐的串級控制系統(tǒng)。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(wěn)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(tài)，這也是出口總管溫度不容易穩(wěn)定的一個原因。
串級控制系統(tǒng)也可以引入爐膛溫度的控制回路來構(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(zhǔn)確性要求較高。

　　在串級控制的基礎(chǔ)上，再引入原油進料前饋，可以構(gòu)成靜態(tài)前饋控制或動態(tài)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(tǒng)能很快使燃料流量發(fā)生相應(yīng)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(nèi)大多數(shù)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(yīng)用較多，控制多采用經(jīng)典的PID控制器。實際上，由于系統(tǒng)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(yè)過程中應(yīng)用廣泛的預(yù)測控制成為改善控制品質(zhì)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(wù)是提高加熱爐的熱效率，以達到節(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(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、爐膛負壓、煙氣氧含量等變量是獨立的、互不關(guān)聯(lián)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(diào)節(jié)對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)上可進一步實施燃燒優(yōu)化，即采用高級優(yōu)化策略通過煙氣氧含量或熱效率反饋尋求的過剩空氣系數(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

其中：保持出口溫度是為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格；后兩個控制任務(wù)是為了保證加熱爐的安全、平穩(wěn)、高效運行，當(dāng)加熱爐運行平穩(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現(xiàn)加熱爐自動控制的一個重要的參數(shù)。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(jié)構(gòu)，降低爐子的使用壽命，同時還會導(dǎo)致勞動環(huán)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(fēng)，漏風(fēng)熱損失和排煙熱損失加大，引風(fēng)機電耗增加。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控制引風(fēng)機變頻器開度來實現(xiàn)，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(xué)能損失，并且煙氣中含有大量的CO，對環(huán)境造成了危害；含氧量過大時，過剩空氣過多，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：爐膛壓力主要與進風(fēng)量和引風(fēng)量直接相關(guān)，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(chǎn)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(fēng)量前饋調(diào)引風(fēng)來進行控制。

　　為了避免引風(fēng)機變頻器動作過大，需要對控制量進行如下限制：
(1)引風(fēng)機負荷不可擴大，限制引風(fēng)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(dǎo)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(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)燃料量的變化對進風(fēng)量做補償，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)因負荷突然變化而引起的燃料變化，不會出現(xiàn)燃料因負荷突變而變化燃燒狀況卻因進風(fēng)量反應(yīng)過慢而惡化的現(xiàn)象。與引風(fēng)機變頻器類似，對于鼓風(fēng)機的變頻器的動作也有如下限制：
(1)鼓風(fēng)機的負荷不可過大，限制鼓風(fēng)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(biāo)往往是工藝介質(zhì)的出口溫度。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴(yán)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(zhì)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(wěn)定，對擾動應(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，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，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(tǒng)往往很難滿足工藝滿足，因為加熱爐需要將工藝介質(zhì)從幾十度升溫到數(shù)百度，其熱負荷很大。當(dāng)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(dāng)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?fàn)t口溫度波動較大，滿足不了工藝生產(chǎn)要求。因此單回路控制系統(tǒng)僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴(yán)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。