偏心孔板在加熱爐出口控制中的應(yīng)用

王寧

偏心孔板在加熱爐出口控制中的應(yīng)用

王寧

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

介紹了加熱爐出口串級控制系統(tǒng)，并針對重沸爐出口溫度控制方案不能很好地滿足窄餾分物料的控制需求，在設(shè)計上采用一種偏心孔板流量控制方案。介紹了該串級系統(tǒng)的構(gòu)成、并建模，同時介紹了計算公式，舉出了設(shè)計應(yīng)用實例。

偏心孔板 串級控制 加熱爐 兩相流體

在煉油化工生產(chǎn)中常見的加熱爐是管式加熱爐，可分為箱式、立式和圓筒爐三大類。對于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時進(jìn)行氣化，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。因此，在以加熱爐為塔底熱源的分餾塔控制中，中國均采用控制加熱爐出口溫度的方法。處理餾分范圍很寬的物料時，因加熱爐出口物料氣化率和熱負(fù)荷的變化會導(dǎo)致爐出口溫度有一定的變化，所以這種控制方案是可行的。但對于重整裝置的預(yù)分餾塔、汽提塔和穩(wěn)定塔等處理窄餾分物料的分餾塔來說，只有重沸爐出口氣化率和熱負(fù)荷變化很大時，才會引起爐出口溫度很小的改變，也就是說，重沸爐出口溫度不能靈敏地反應(yīng)氣化量和加熱爐供熱量的多少。因而，采用傳統(tǒng)的溫度控制方式并不能得到理想的控制效果。

1 加熱爐的串級控制方案

在石油化工和煉油廠中的加熱爐大多采用串級控制系統(tǒng)。加熱爐的串級控制方案，由于干擾因素以及爐子型式不同，可以選擇不同的副參數(shù)，主要有爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制;爐出口溫度對燃料流量的串級控制;爐出口溫度對燃料閥后壓力的串級控制。

1.1 爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制

爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制方案如圖1所示。當(dāng)受到燃料的壓力、熱值、煙囪抽力等干擾因素作用后，首先會影響爐膛溫度的變化，接著再影響到爐出口溫度，而前者滯后遠(yuǎn)小于后者。采用爐出口溫度對爐膛溫度串級控制后，就把原來滯后的對象一分為二，副回路起超前作用，能使這些干擾因素在影響到爐膛溫度時，就迅速采取控制手段，這將顯著改善控制質(zhì)量。

圖1 爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制方案示意

圖1所示控制方案對下述情況更為有效：

1) 熱負(fù)荷較大而熱強度較小的情況，即不允許爐膛溫度有較大波動，以免影響設(shè)備。

2) 當(dāng)主要干擾是燃料的熱值變化，即組分變化的情況，其他串級控制方案的內(nèi)環(huán)無法感受。

3) 在同一個爐膛內(nèi)有2組爐管，同時加熱2種物料的情況。此時雖然僅控制1組溫度，但另1組亦較平穩(wěn)。

由于把爐膛溫度作為副參數(shù)，因而采用該種方案時還應(yīng)注意： 應(yīng)選擇有代表性的爐膛溫度檢測點，而且反應(yīng)要快,然而該類檢測點選擇困難，特別是對圓筒爐;為了保護(hù)設(shè)備，爐膛溫度不應(yīng)有較大波動，所以在參數(shù)整定時，對于副控制器不應(yīng)整定的過于靈敏，且不加微分作用;由于爐膛溫度較高，測溫元件及其保護(hù)套管材料必須要耐高溫。

1.2 爐出口溫度對燃料流量的串級控制

一般情況下雖然對燃料壓力進(jìn)行了控制，但在操作過程中，如發(fā)現(xiàn)燃料流量的波動成為外來主要干擾因素時，則可以考慮采用爐出口溫度對燃料流量的串級控制，如圖2a)所示。該種方案的優(yōu)點是當(dāng)燃料流量變化后，還未影響到爐出口溫度之前，其內(nèi)環(huán)即先進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減小甚至消除燃料流量的干擾，從而改善控制質(zhì)量。在某些特殊情況下，可組成爐出口溫度、爐膛溫度、燃料流量的3個參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，如圖2b)所示，但該方案使用儀表多，且整定困難。

圖2 爐出口溫度對燃料流量的串級控制方案示意

1.3 爐出口溫度對燃料閥后壓力的串級控制

若加熱爐所需燃料流量較少或其輸送管道較小時，其流量測量較困難，特別是當(dāng)采用黏度較大的重質(zhì)燃料油時更難測量。一般來說，壓力測量較流量方便，因而可以采用爐出口溫度對燃料閥后壓力的串級控制，如圖3所示。

圖3 爐出口溫度對燃料閥后壓力的串級控制方案示意

該方案應(yīng)用較廣，采用該方案時，需要注意的是： 如果燃料噴嘴部分堵塞，也會使閥后壓力升高，此時副控制器的動作使閥門關(guān)小，這是不適宜的。因此，在運行時必須防止這種現(xiàn)象發(fā)生，特別是采用重質(zhì)燃料油或燃料氣中夾帶液體時更要注意。

2 加熱爐出口差壓控制方案

2.1 串級控制系統(tǒng)設(shè)計

重整預(yù)加氫汽提塔底重沸爐操作靈敏度要求比較高，塔底物料餾程比較窄，液體介質(zhì)沸點低，進(jìn)加熱爐前為液體，當(dāng)被加熱介質(zhì)在溫度升到一定程度時，介質(zhì)氣化還要繼續(xù)吸收熱量，溫度不再升高，此時不宜采用溫度串級控制，需要在設(shè)計上采用一種特殊的偏心孔板進(jìn)行流量控制。在加熱爐出口加個偏心孔板，通過偏心孔板前后壓差控制來實現(xiàn)加熱爐燃料的控制。氣化度越高，孔板前后壓差越大。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.1 測量變送單元

假設(shè)燃料氣測量儀表為線性單元，動態(tài)滯后可忽略，則有：

(1)

注： qmsp——偏心孔板的設(shè)定值；qV， qVm, qVsp——燃料氣流量的實際值、測量值與設(shè)定值；fV——燃料調(diào)節(jié)閥相對流通面積，%圖4 重沸爐出口偏心孔板串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

而孔板測量環(huán)節(jié)可用以下的一階環(huán)節(jié)來近似：

(2)

式中：KQM，K1QM——與測量儀表的量程有關(guān)；T1——孔板測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，min，T1≥0。在實際過程中這些參數(shù)基本不變，而各儀表輸出經(jīng)歸一化后均為0～100%。

(3)

式中：qV,max，qV,min——測量儀表輸出信號的上下限；qmax，qmin——測量儀表量程的上下限。

2.1.2 執(zhí)行器/調(diào)節(jié)閥

假設(shè)調(diào)節(jié)閥為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且

(4)

式中：KV——通常在一定范圍內(nèi)變化，這里假設(shè)KV為(0.5～1.0)，即控制器的輸出變化1%，調(diào)節(jié)閥的相對流通面積變化0.5%～1.0%。

2.1.3 被控對象

1) 對于燃料氣對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為

(5)

式中：T2≥0且基本不變；K2，Kd2——通常在一定范圍內(nèi)變化。

2) 對于孔板控制對象，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為

(6)

根據(jù)系統(tǒng)方框圖建模，其中燃料氣控制器FC采用PI調(diào)節(jié)器，孔板控制器QC采用PID調(diào)節(jié)器。串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定過程是： 先進(jìn)行副控制器的參數(shù)整定，再在副回路閉合的前提下，進(jìn)行主控制器的參數(shù)整定。對于該系統(tǒng)中的副回路控制器FC，其廣義對象沒有明顯的純滯后，無法用響應(yīng)曲線法或臨界比度法來整定PID,這里采用經(jīng)驗整定方法。

步驟1： 首先設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為KC=1/KP=1，TI=TP=1.5，TD=0，其中，KP為副回路廣義對象的穩(wěn)態(tài)增益；TP為副回路廣義對象的一階時間常數(shù)。

步驟2： 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整控制器增益KC直到滿意為止。

將上述控制系統(tǒng)投入串級運行，對應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，顯示出發(fā)散振蕩趨勢。為此，將主控制器增益KC減小50%至2.4，設(shè)定值跟蹤響應(yīng)如圖5所示，響應(yīng)曲線呈4∶1衰減振蕩，結(jié)果令人滿意。

圖5 串級控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)(KC=2.4)

2.2 控制系統(tǒng)的抗干擾性能

對于加熱爐出口物料的串級控制系統(tǒng)而言，干擾進(jìn)入的位置與系統(tǒng)的抗干擾性能密切相關(guān)。對于進(jìn)入副回路的干擾，如燃料氣壓力的變化，串級系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力。與進(jìn)入副回路的干擾完全不同對于進(jìn)料量的變化。當(dāng)爐子出口窄餾分物料產(chǎn)生兩相流，氣化率增大時，溫控的串級系統(tǒng)并不能得到滿意的效果。偏心孔板流量控制作為主回路控制，根據(jù)氣化率的大小計算偏心孔板孔徑和差壓，在主回路的抗干擾能力上得到了改善。

3 分餾塔底重沸爐出口偏心孔板的計算與設(shè)計

3.1.1 計算公式

液相為

(7)

氣相為

(8)

(9)

(10)

令

(11)

則

Sv=KSL

(12)

式中：qmhL,qmhv——汽液相物料的質(zhì)量流量，kg/h;D——管道內(nèi)徑，mm；df——相對密度； ΔpQ——差壓，kPa；SL,Sv——流量系數(shù)；MWV——氣相相對分子質(zhì)量；pf——操作壓力(絕壓)，MPa；Tf——操作溫度，K；Zf——壓縮系數(shù)；Y——膨脹校正系數(shù)；k——蒸發(fā)度Cp/CV；ρf——蒸汽密度,kg/m3。

3.1.2 實例應(yīng)用

某煉廠連續(xù)重整裝置石腦油分餾塔底重沸爐出口偏心孔板應(yīng)用示例如下：

1) 已知條件： 介質(zhì)為石腦油，D=636 mm，qmhL=2.76×105kg/h,qmhv=2.65×105kg/h,df=0.498,ρf=47kg/m3，pf=1.3MPa(G),Tf=450K,MWV=101,Zf=0.72。

4 結(jié)束語

對于不同的工況和不同的工藝介質(zhì)，加熱爐的出口控制方案也不盡相同。有傳統(tǒng)控制方式控制加熱爐出口溫度的方案，也有本文提到的針對窄餾分物料的加熱爐,采用安裝在加熱爐出口的偏心孔板差壓串級控制燃料氣的方案。雖然控制方案不同，但是最終的目的都是為了控制方案更合理、安全和可靠。本文僅以偏心孔板控制方案為例，通過建模進(jìn)一步揭示了該控制系統(tǒng)的特點和主要優(yōu)勢： 可快速克服進(jìn)入副回路的各種干擾，對副回路對象特性變化具有很強的魯棒性，可克服副對象的非線性與其他特性變化，對主回路中兩相流的控制也得到很好的效果。筆者通過某裝置中實際工程設(shè)計應(yīng)用為例，主要介紹了兩相流體偏心孔板的設(shè)計計算公式和計算方法，并同時舉出了計算實例，在實際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

[1] 陸德民，張振基，黃步余．石油化工自動控制設(shè)計手冊[M]．3版．北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000： 79-80,995-997.

[2] 李軍，賀慶之．檢測技術(shù)及儀表[M]．北京： 中國輕工業(yè)出版社，1989．

[3] 袁忠勛.窄餾分分餾塔重沸爐控制[J].煉油設(shè)計, 1993,23(03)： 186-189.

[4] 俞金壽，孫自強.過程控制系統(tǒng)[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 王樹青,戴連奎.過程控制工程[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2009： 211-213.

[6] 胡壽松.自動控制原理[M].北京： 科學(xué)出版社，2001.

[7] 任泓.重沸器返回線兩相流體偏心孔板的計算[J].當(dāng)代化工,2006,35(03)： 222-225.

[8] 陶永華.新型PID 控制及其應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2002.

[9] 劉金琨，沈曉蓉，趙龍． 系統(tǒng)辨識理論及Matlab仿真[M]．北京： 電子工業(yè)出版社，2013.

Application of Eccentric Orifice Plate in Outlet Control of Heating Furnace

Wang Ning

(Sinopec Engineering Incorporation,Beijing,100101,China)

s: The cascade control system of heating furnace outlet is introduced. Aiming at problem that outlet temperature control scheme of reboiling furnace can’t meet control requirement of narrow fractions well, an eccentric orifice flow control scheme is adopted in design. The structure of cascade system is introduced with model constructed. Calculation formula is introduced.Application example of design is listed.

eccentric orifice; cascade control; heating furnace; two-phase fluid

王寧(1980—)，男，2008年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國石化工程建設(shè)有限公司儀表自控室，從事石油化工自動化工程設(shè)計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0009-04

稿件收到日期： 2016-09-27，修改稿收到日期： 2016-12-27。