加熱爐熱效率在線計(jì)算及控制方案探討

李自皋，李培瑤，郎希川，魏亞峰

（1.玉門油田分公司煉油化工總廠，甘肅玉門735100；2.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建 福州 350116；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 遼陽(yáng)石化分公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000；4.營(yíng)口港仙人島碼頭有限公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 加熱爐的對(duì)象特性

在生產(chǎn)過程中有各式各樣的加熱爐，在煉油化工生產(chǎn)中管式加熱爐是常見的加熱爐。按形式可分為箱式、立式和圓筒式三種類型；按空氣預(yù)熱方式可分為無預(yù)熱燃燒空氣型、用外界熱源預(yù)熱燃燒空氣型和用自身熱源預(yù)熱燃燒空氣型三種類型。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一道工序的操作工況或產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)當(dāng)加熱爐溫度過高時(shí)會(huì)使物料在加熱爐管內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦堵塞甚至燒壞爐管。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精確控制，并且是加熱爐控制的關(guān)鍵指標(biāo)。

加熱爐的對(duì)象特性具有較大的時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間，可以簡(jiǎn)化為一階環(huán)節(jié)加純滯后來近似，其時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間與爐膛的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。特別是爐膛具有較大的熱容量，滯后更為顯著。

2 加熱爐傳統(tǒng)控制方案

加熱爐的主要控制指標(biāo)是工藝介質(zhì)的出口溫度，該溫度是控制系統(tǒng)的被控變量，而操作變量是燃料油或燃料氣的流量。對(duì)于加熱爐來說，溫度控制指標(biāo)的要求相當(dāng)嚴(yán)格，允許波動(dòng)范圍為±（1～2）℃。影響爐出口溫度的干擾因素有工藝介質(zhì)進(jìn)料的流量、溫度、組分，燃料氣（油）的壓力、組分或熱值，燃料油的霧化，空氣的配比，燃料嘴的阻力，煙囪的抽力等。這些干擾因素有些是可控的，有些是不可控的，為了保證爐出口溫度，對(duì)應(yīng)的干擾因素應(yīng)采取必要的措施。

按照工藝對(duì)加熱爐出口溫度的控制要求、爐膛的容量大小和外在干擾情況，傳統(tǒng)的加熱爐控制方案，通常分為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)兩種情況。

2.1 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

對(duì)于工藝對(duì)爐出口溫度要求不十分嚴(yán)格、外來干擾緩慢且不頻繁、爐膛容量小即滯后不大的加熱爐，采用以爐出口溫度為被控變量，燃料油或燃料氣流量為操作變量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)有進(jìn)入加熱爐工藝介質(zhì)的流量控制回路、爐膛負(fù)壓控制回路、燃料油或燃料氣總壓控制回路。采用燃料油為操作變量時(shí)，還需加熱蒸汽霧化控制回路。加熱爐簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 加熱爐簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)示意

2.2 串級(jí)控制系統(tǒng)

采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)往往很難滿足工藝要求。加熱爐需要將工藝介質(zhì)從幾十?dāng)z氏度升到數(shù)百攝氏度，其熱負(fù)荷較大，當(dāng)燃料油或燃料氣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，并且當(dāng)熱量改變后，由于傳遞滯后和測(cè)量滯后較大，作用不及時(shí)，因此爐出口溫度波動(dòng)較大，滿足不了工藝要求。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，滿足生產(chǎn)的需要，煉油廠加熱爐大多采用串級(jí)控制系統(tǒng)。由于干擾作用及加熱爐型式不同，因此選用不同被控變量會(huì)組成不同的串級(jí)控制系統(tǒng)，主要有4種串級(jí)控制方案：爐出口溫度對(duì)燃料油或燃料氣流量的串級(jí)控制、爐出口溫度對(duì)燃料油或燃料氣閥后壓力的串級(jí)控制、爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制、采用壓力平衡式控制閥（浮動(dòng)閥）的控制方案。加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)示意

如果干擾屬于燃料在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的，例如閥前壓力的變化，雖然燃料油的流量測(cè)量比較困難，但壓力測(cè)量較為方便，所以爐出口溫度對(duì)燃料油或燃料氣閥后壓力的串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用很廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常遇到由于燃燒嘴部分阻塞，導(dǎo)致閥后壓力升高，此時(shí)副控制器的動(dòng)作使控制閥關(guān)小，因此導(dǎo)致加熱爐熄火現(xiàn)象。為了防止因燃燒嘴阻塞或因副控制回路產(chǎn)生積分飽和使調(diào)節(jié)閥關(guān)小，導(dǎo)致加熱爐熄火現(xiàn)象，應(yīng)在DCS上對(duì)控制閥的輸出采取合理的限幅措施，防止該現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)主要干擾是燃料油或燃料氣熱值變化時(shí)，上述兩種串級(jí)控制的副回路無法感受，此時(shí)采用爐出口溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)的控制方案更好些。選擇的爐膛溫度檢測(cè)點(diǎn)必須具有代表性，能較快地反映爐膛溫度的變化。

3 加熱爐的熱效率在線計(jì)算

熱效率是評(píng)價(jià)加熱爐性能和衡量能量利用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，提高加熱爐的熱效率是減少燃料消耗、節(jié)約能源的一項(xiàng)重要且有效的措施。欲提高加熱爐的熱效率，一是從加熱爐本體結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，最大限度地回收對(duì)流室出口煙氣帶走的熱量；二是提高加熱爐過剩空氣系數(shù)的控制水平，控制好風(fēng)門、氣門、油門和煙囪擋板，使過剩空氣系數(shù)保持在合理的范圍，既不讓過剩空氣量太大，也不因過剩空氣量不夠而出現(xiàn)不完全燃燒，使燃燒的發(fā)熱量最大限度地得到利用；三是采用煙氣直接預(yù)熱空氣預(yù)熱器回收煙氣余熱，從而降低排煙溫度。實(shí)踐表明空氣溫度每提高20℃，加熱爐熱效率約提高1%［1］。

3.1 過剩空氣系數(shù)在線計(jì)算

由燃燒理論分析可知，影響加熱爐熱效率的因素很多，但主要取決于煙氣成分，特別是氧體積分?jǐn)?shù)φO2和煙氣溫度兩個(gè)方面。煙氣中各種成分如O2，CO，CO2和未燃燒烴的含量基本上可以反映燃料的燃燒情況，最簡(jiǎn)單的方法是用φO2來表示。完全燃燒時(shí)所需要的空氣量，稱之為理想空氣量q mT，但實(shí)際上完全燃燒所需的空氣量q mP要超過q mT，即有一定的過剩空氣量。由于煙氣的熱損失占加熱爐熱損失的較大部分，因此過剩空氣量增加時(shí)，一方面使?fàn)t膛溫度降低，更主要的使煙氣熱損失增加，反之燃燒不完全，煙氣將帶走大量CO使燃料耗損量增加，熱效率降低。

過剩空氣量通常用過剩空氣系數(shù)α表示，即q mP與q mT之比。α，q mP，q mT都很難直接測(cè)量，按照煙氣的濕、干兩種類型和φO2的測(cè)定方法不同，α的計(jì)算公式分為兩種不同的近似公式：

式（1）適用于濕煙氣，式（2）適用于干煙氣。式中的φO2可通過加熱爐的氧化鋯氧含量在線分析儀測(cè)量獲得。因此，很容易利用式（1）～式（2）通過DCS組態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算出α，一般認(rèn)為α控制范圍在1.02～1.10為經(jīng)濟(jì)燃燒。

3.2 加熱爐熱效率在線計(jì)算

某煉油廠的常壓爐所用燃料有瓦斯、燃料氣和燃料油，根據(jù)燃料不同其組成和熱值也隨之發(fā)生變化，同時(shí)進(jìn)入爐膛的空氣量也不能測(cè)定，因此該種工況下，通常采用反平衡的方法來計(jì)算加熱爐的熱效率。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，共有兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)M公式：

式中：η——加熱爐熱效率，%；t0——基準(zhǔn)溫度，即當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，一般推薦t0＝15.6℃；tg——排煙溫度，℃；t預(yù)熱——空氣預(yù)熱溫度，℃；Δta——溫差，當(dāng)燃燒空氣不預(yù)熱或利用加熱爐自身煙氣預(yù)熱空氣時(shí)，Δta＝0，當(dāng)外界熱源預(yù)熱空氣時(shí)，Δta為預(yù)熱空氣溫度與基準(zhǔn)溫度之差；ρCO——排煙中的CO質(zhì)量濃度，mg/m3，因干煙氣與濕煙氣中的ρCO差別不大，且不完全燃燒損失也比較小，直接可使用干煙氣的ρCO，可近似為37.5 mg/m3；mhq——霧化蒸汽用量，kg/kg燃料，如果加熱爐使用燃料氣，則該值為0；q散熱損失——散熱損失在加熱爐滿負(fù)荷工況下，一般不超過3%；q3——也是散熱損失，一般取值為3%，在新加熱爐的狀況下，取2%。

比較式（3）和式（4）及文獻(xiàn)［2］中的計(jì)算公式（2），均反映了一個(gè)共性問題，那就是無論計(jì)算公式是否相同，影響加熱爐熱效率的因素除加熱爐本體結(jié)構(gòu)以外，最主要的因素是α，tg，ρCO。因此，從加熱爐的控制方案著手，優(yōu)化加熱爐的控制方案，使α，tg和ρCO3個(gè)參數(shù)到達(dá)一個(gè)合理的優(yōu)化區(qū)間，從而達(dá)到提高加熱爐熱效率的目的。因此，筆者通過分析該3個(gè)參數(shù)的特性及傳統(tǒng)控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用改進(jìn)的前饋-反饋氧含量PID控制方案，力求使煙氣中的φO2和α處于合理的區(qū)間內(nèi)，并且能隨負(fù)荷的變化而快速反應(yīng)，從而達(dá)到提高加熱爐熱效率的目的。

4 加熱爐熱效率的改進(jìn)控制方案

4.1 傳統(tǒng)控制方案性能分析及存在的不足

加熱爐傳統(tǒng)控制方案通常將爐出口溫度、爐膛煙氣負(fù)壓、爐膛煙氣φO2作為控制目標(biāo)。爐出口溫度作為最終目標(biāo)時(shí)，控制方案多以加熱爐出口溫度做主回路、爐膛溫度為副回路組成串級(jí)控制，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入加熱爐的燃料量來保證加熱爐出口溫度穩(wěn)定；爐膛設(shè)氧分析儀在監(jiān)測(cè)煙氣中的φO2的同時(shí)，去控制進(jìn)入加熱爐的預(yù)熱空氣風(fēng)道擋板的開度或鼓風(fēng)機(jī)頻率，確保進(jìn)入加熱爐的空氣量；爐膛煙氣負(fù)壓控制煙道擋板的開度，以提高加熱爐的熱效率。該控制方案多以控制加熱爐出口溫度為關(guān)鍵點(diǎn)，卻忽視或弱化了對(duì)加熱爐熱效率的有效控制。大多數(shù)加熱爐對(duì)進(jìn)入爐內(nèi)的空氣量和燃料量沒有設(shè)置流量?jī)x表，不能精確計(jì)量，空氣和燃料無法精確配比，空氣與燃料的比率不能定量計(jì)算，大多以操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行配風(fēng)調(diào)節(jié)，因此不能實(shí)現(xiàn)加熱爐熱效率的有效控制。

傳統(tǒng)的爐出口溫度串級(jí)控制、φO2控制、負(fù)壓控制方式，雖然能把溫度穩(wěn)定控制在工藝要求范圍內(nèi)，但當(dāng)負(fù)荷突然變化時(shí)，由于空氣量調(diào)節(jié)的滯后，不能使加熱爐達(dá)到最佳燃燒。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，空氣量的調(diào)節(jié)總是滯后于燃料的變化，所以在調(diào)節(jié)過程中空氣和燃料的配比可能過高或過低，進(jìn)而使?fàn)t膛負(fù)壓發(fā)生變化，也使煙道擋板控制回路動(dòng)作頻繁，使得煙氣排放溫度過高或不穩(wěn)定，導(dǎo)致加熱爐效率降低，偏離設(shè)計(jì)值。

4.2 加熱爐熱效率的改進(jìn)控制方案

4.2.1 爐膛負(fù)壓煙道擋板間隙式PID控制

加熱爐的負(fù)壓檢測(cè)點(diǎn)，一般設(shè)置在位于爐膛拱頂?shù)妮椛涠纬隹诓课弧⑽挥跓煹罁醢逑旅娴膶?duì)流段出口和位于靈敏點(diǎn)最高的燃燒器平面上。通常選擇輻射段出口的負(fù)壓為被控變量，煙道擋板開度為操作變量，組成簡(jiǎn)單的PID控制回路，目的是保證提供火嘴足夠的壓力差，使之得到足夠的空氣量，而進(jìn)入加熱爐的過剩空氣量最小，從而提高加熱爐的熱效率。該回路雖然為簡(jiǎn)單PID控制回路，但和a和tg有著非常緊密的關(guān)系，是影響加熱爐熱效率的關(guān)鍵因素。煙道擋板開度過大或過于頻繁，抽力過大，會(huì)導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定，產(chǎn)生CO，燃燒不充分，煙氣排放量增加，煙道排煙溫度過高，φO2降低，過剩空氣系數(shù)增大，造成熱效率降低、環(huán)保排放指標(biāo)超標(biāo)和爐膛負(fù)壓波動(dòng)；煙道擋板開度過小，抽力小，爐膛出現(xiàn)正壓，爐內(nèi)高溫?zé)煔鈺?huì)從不密封處向外泄漏，導(dǎo)致能耗增加，爐殼、爐管損壞，熱效率降低。

在加熱爐負(fù)荷或燃料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，爐膛負(fù)壓會(huì)受到φO2的影響，造成爐膛負(fù)壓的被動(dòng)，使煙氣擋板頻繁動(dòng)作。為此，爐膛負(fù)壓采用煙道擋板間隙式PID控制。即當(dāng)爐膛負(fù)壓與設(shè)定值之間偏差e在死區(qū)（間隙）范圍內(nèi)，即｜e｜≤δ時(shí)，控制器輸出不變，只有｜e｜＞δ時(shí)控制器才動(dòng)作。

爐膛負(fù)壓的控制目標(biāo)是-20～-10 Pa，因此e一般為-15 Pa，δ設(shè)置為3，或者在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步測(cè)試調(diào)整δ的值，直至達(dá)到爐膛負(fù)壓的控制目標(biāo)，減少煙氣擋板頻繁動(dòng)作為止。

4.2.2 前饋-反饋含氧量控制方案

反饋控制根據(jù)被控變量的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)總是落后于擾動(dòng)作用；而前饋控制是根據(jù)擾動(dòng)作用的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用與擾動(dòng)作用同步進(jìn)行，可以使被控變量不因擾動(dòng)作用而產(chǎn)生偏差，是一種及時(shí)的控制，并且不受系統(tǒng)滯后大小的影響。

為克服加熱爐在負(fù)荷或燃料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)道擋板或調(diào)頻鼓風(fēng)機(jī)單回路PID控制性能滯后、調(diào)節(jié)不及時(shí)的問題，筆者將tg作為前饋?zhàn)兞浚M成了一個(gè)全新的前饋-反饋含氧量PID控制方案，如圖3所示。

圖3 前饋-反饋含氧量PID控制方案示意

前饋-反饋含氧量PID控制方案，以φO2為控制目標(biāo)，以助燃空氣的配風(fēng)量為調(diào)節(jié)手段，通過加熱爐出口溫度的變化，及時(shí)感知負(fù)荷或燃料的變化，從而及時(shí)調(diào)節(jié)配風(fēng)量，有效地克服了傳統(tǒng)控制方案中配風(fēng)調(diào)節(jié)滯后的缺陷。同時(shí)，由于配風(fēng)量的超前調(diào)節(jié)，對(duì)煙氣中φO2也同樣超前調(diào)節(jié)，進(jìn)而有效控制了a值，達(dá)到了提高加熱爐熱效率的控制目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)煉油廠傳統(tǒng)加熱爐的過程特性和控制方案的深入分析，提出了前饋-反饋含氧量PID控制方案。該方案能有效地克服傳統(tǒng)加熱爐只注重爐出口溫度的控制，而忽視弱化熱效率控制方案的不足，克服加熱爐在負(fù)荷或燃料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)道擋板或調(diào)頻鼓風(fēng)機(jī)單回路PID控制性能滯后、調(diào)節(jié)不及時(shí)的問題。在不增加空氣、燃料氣流量檢測(cè)儀表的情況下，合理地解決了加熱爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，加熱爐的燃料與空氣的配風(fēng)比問題，不但克服了控制方案產(chǎn)生的系統(tǒng)性滯后問題，還控制了φO2，提高了加熱爐的熱效率。通過爐膛負(fù)壓煙道擋板間隙式PID控制，利用負(fù)壓值合理的區(qū)間變化，有效地克服煙道擋板頻繁動(dòng)作造成的不利影響，對(duì)降低排煙溫度，降低過剩空氣系數(shù)，提高熱效率具有非常顯著的作用和效果。

該控制方案投運(yùn)后，熱效率提高了3%～5%，達(dá)到了節(jié)能目的。在DCS上通過組態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算過剩空氣系數(shù)和熱效率，用于指導(dǎo)生產(chǎn)和操作控制。