燃氣加熱爐燃燒控制方法的分析與討論

王海群 張亞

摘要：隨著經濟的發展和社會生產、生活水平的提升，石油系統在很多方面都必須獲得較大的進步，不能總是停留在基礎的層面上。燃氣加熱爐是石油系統的重要組成部分，其主要設置的地方在于井口、聯合站、計量站、接轉站等等，主要是用來提高被輸送介質溫度，由此來達到其需要的工藝溫度，最終將運輸、分離、粗加工等工藝進行有效的落實。所以，在燃氣加熱爐的運轉過程中，必須針對燃燒控制方法進行深入的研究，既要在整體上予以良好的控制，又要在經濟性方面達到標準。文章就此展開深入討論，并且提出合理化建議。

關鍵詞：燃氣；加熱爐；控制；討論

引言

在長慶油田，使用的燃氣加熱爐主要包括火筒式直接加熱爐、火筒式間接加熱爐、立式管式加熱爐、臥式管式加熱爐、導熱油加熱爐、真空加熱爐和相變式加熱爐。不同形式的加熱爐在結構上存在一定的差異，但在燃燒控制上基本相同。與一般設備有所不同，燃氣加熱爐在運轉的過程中，燃燒控制方法表現為多樣化的特點，有很多方法都可以達到“控制”的效果。可對于具體的工作成果而言，僅有少數的方法，可以達到預期效果。在現階段的社會發展中，石油已經成為了一種不可或缺的資源，自身表現為不可再生性，倘若燃氣加熱爐的燃燒控制方法達不到要求，則會導致石油系統的部分工作，無法正常的實現目標，最終導致石油加工、生產、運輸遇到較多的阻礙，對國內的建設產生不利影響。今后，我們仍然需要針對燃氣加熱爐的燃燒控制方法深入研究，來推動工作水平的提升。

燃氣加熱爐是熱軋生產過程的重要熱工設備，其能耗占到鋼鐵工業總能耗的25%。加熱爐溫度控制性能直接影響到能耗大小、環境污染和最終鋼材產品質量、鋼坯成材率、軋制設備壽命以及整個軋制生產線的有效作業率。但是加熱爐的燃燒過程受多種隨機因素干擾，控制對象具有大慣性環節、時變性及非線性（調節閥死區、滯環、延遲等）特性，對于這種復雜的控制對象，即使是經驗豐富的操作工，也很難全面考慮各種因素的影響進行準確的控制。因此，對加熱爐之類的工業爐窯燃燒機理進行分析，并建立良好的爐溫自動控制的理論算式，使控制系統在高效節能的工況下運行，對實現節能降耗和降低對環境的污染有著極其重要的意義。

1 燃燒機理分析

加熱爐以高爐、焦爐混合煤氣為燃料，分多個控制區。每個控制區燃燒過程是燃氣的氧化過程。當燃氣燃燒時，火焰溫度的高低并不由燃料數量的多少來決定，而取決于燃料是否完全燃燃氣加熱爐在應用過程中，會采用不同的燃料來完成燃燒處理。例如，在長慶油田當中，其采用的燃氣，主要是來自于石油當中的伴生氣以及氣井。燃氣加熱爐自身劃分為多個控制區域。現階段所應用的燃氣加熱爐，控制區域包括預熱段、二上段、一上段、均下段等等，每個部分都是環環相扣的，所以在燃燒控制方面，難度并不低。在燃氣加熱爐的燃燒過程中，各個控制區域的燃燒過程，可以直接看作是燃氣的氧化過程，這樣一來，就對燃燒機理進行了簡單的定義，具體的操作也會簡便一些。在燃氣的燃燒過程中，火焰本身的溫度，有很多的決定性因素，但其與燃燒數量的多少，并沒有直接的關系。火焰的溫度情況，與燃料是否充分的燃燒，燃料是否充分的發出最大的熱效率，具有很大的關聯。這兩個方面均可以作為燃燒控制的重點來對待。經過系統的分析后認為，燃燒系統運轉時，其燃燒質量與空氣本身的過剩率存在非常密切的關系。空氣過剩率的表述，可以通過空燃比來進行，主要指的是空氣和燃氣的具體配比情況。在理想的混合狀態下，理論量的空氣即可以保證完全燃燒。但在實際的燃燒裝置中，“三T”條件不可能達到理想化的程度，因此為使燃料完全燃燒就必須供給過量的空氣。在研究過程中，一般是將u設定為剩余空氣系數將r設定為空燃比。經過計算后發現，當u>1.10時，空氣表現為過剩的狀態，會直接影響到加熱的質量，同時還導致煙氣當中，帶走了很多的熱量，但燃氣加熱爐的煙氣也未得到有效的循環利用。這時的燃燒系統，在熱效率方面表現為過低的狀態。

2燃燒控制策略

雙交叉限幅控制就燃氣加熱爐本身而言，其在燃燒控制工作上，需要從很多的內容出發，不能單純的利用一兩項策略，直接將燃燒問題解決。開展燃燒控制的目的，在于更好的節約能源，針對燃氣加熱爐的運轉起到保護作用、鞏固作用，為石油系統的工作，提供更多的直接幫助和保障。為此，提出了一種“燃氣加熱爐——雙交叉限幅控制”的方法，該方法在很多方面都具有較高的可行性，深入分析后，可以為燃燒控制提供足夠的支持。

燃氣加熱爐的負荷發生變化后，常規的雙交叉限幅控制，主要是針對系統燃氣、空氣流量變化速度，進行有效的控制。這樣操作的優勢在于，能夠對最佳的空燃比進行有效的保證。但是，如此操作的劣勢也表現的非常突出，其會直接降低系統的響應速度，導致燃氣加熱爐的運轉效率出現下降的情況。所以，上述方法的可行性并不高，需要在自身的理念上做出一定的優化。

雙交叉限幅控制的理念的確能夠為燃氣加熱爐的燃燒控制提供一定的幫助，但在具體的方法上需要得到優化處理。為此，建議在應用雙交叉限幅控制的方法時，可以考慮融入加熱爐溫度的實際控制值，以及設定值。從理論上分析，這兩項指標的控制，能夠有效的設定偏置函數，結合具體指標的變化，在偏置量取值方面，能夠得到更好的效果。除此之外，以目前的科學技術、設備而言，可以直接在燃氣加熱爐當中，設定變偏置——雙交叉限幅控制系統，該系統在設定后，能夠為燃燒控制提供更多的幫助，減少內部的缺失問題。

偏置函數在設定后，必須進行深入的分析和計算。考慮到燃氣加熱爐本身的特點以及燃燒控制的各項目的，偏置函數的取值過程中，可以依據試驗來完成，選擇一組系統性能表現最優的函數值，由此來建立“溫度——偏置函數取值表”，最終在取值上達到精確性的目的。

3 雙交叉限幅燃燒控制

燃氣加熱爐的運轉過程中，燃燒控制方法的的執行，必須從相關的影響因素來出發，否則僅僅是在表面上控制，并不能取得理想的效果。雙交叉限幅燃燒控制的方法，其主要是針對副閉環回路的空氣流量進行控制，同時還會對煤氣流量進行控制，主要是通過具體的設定值來進行控制。這種雙向控制方法，能夠在很多方面提高燃燒的效率和質量，確保充分燃燒，得到更好的運轉目的。雙交叉限幅燃燒控制在應用的過程中，會將高值選擇器、低值選擇器同時進行應用，利用二者的相互制約特點，防止負荷的變化過快現象，并且針對燃料過剩、空氣過剩的問題進行充分的解決，在本質上實現了過氧燃燒、缺氧燃燒現象的產生，達到了燃燒控制的目的。雙交叉限幅燃燒控制在應用后，能夠對燃料流量、空氣流量兩個方面，做出有效的控制，促使兩項指標，能夠在合理的比值上，達到交替上升的效果，而具體的空燃比，將會保持在合理的范圍內，不會出現太多的浪費現象，這對燃氣加熱爐的長久、穩定運轉，提供了很多的幫助。為確保燃燒控制系統在擾動和負荷急增或急減時，均能在空微過剩狀態下燃燒，在穩態時，系統具有兩個并聯副回路的串級調節系統。

4雙交叉限幅控制的數學分析及描述

其中溫度控制回路作為主回路，燃氣流量回路和空氣流量回路并聯作為副回路。交叉限幅部分是為了改善系統的動態性能，保證在動態過程中空燃比維持在一定的范圍。雙交叉限幅燃燒控制采用對副閉環回路的空氣流量控制和煤氣流量控制的設定值進行限幅，通過高值和低值選擇器相互制約來防止負荷變化很快時出現的燃料或空氣過剩，從而避免過氧和缺氧燃燒現象的產生。這樣，燃料流量和空氣流量會嚴格地按照一個合理的比值交替上升，使實際的空燃比保持在合理的范圍之內。由于燃料、空氣流量系統中檢測值不可避免的有隨機波動，從而會引起高、低選擇器不必要的頻繁切換給系統帶來波動。一般地，缺氧燃燒不但燃氣的燃值不能充分釋放而造成熱損失，還會造成冒黑煙和燃氣能源的浪費，而過氧燃燒主要是造成熱損失。

總結：

本文闡述了燃氣加熱爐的燃燒機理，對燃燒控制系統的雙交叉限幅控制思想進行了分析，并用數學描述方法剖析了系統在燃燒動態過程中的燃燒控制特性，從而使燃氣加熱爐的控制系統能始終保持在最佳的燃燒控制狀態。具體的判斷算式為實際控制系統的計算機編程提供了依據本文對燃氣加熱爐燃燒控制方法展開討論，從目前的執行效果來看，雙交叉限幅控制的方法，針對燃氣加熱爐是比較匹配的，不僅在操作上比較簡單，同時能夠確保燃氣加熱爐迅速的響應，自身的系統也得到了更新，整體上符合石油系統的需求。日后，應在燃燒控制方法上不斷的優化，設定更多的控制方案，創造出更大的經濟價值和社會價值

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