常減壓加熱爐燃燒優化控制儀表改造

劉惠文

（中化泉州石化有限公司 設備管理部，福建 泉州 362000）

加熱爐是石化企業重要的耗能設備，同時也是二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的主要來源之一。2016年10月8日，工信部發布了《石化和化學工業“十三五”發展規劃》，明確提出了石化和化學工業“十三五”期間節能減排目標，即：萬元GDP能耗下降15%、二氧化碳排放降低18%、氨氮排放總量降低10%、二氧化硫和氮氧化物排放總量降低15%的污染物總量減排目標。在此背景下，對加熱爐進行燃燒優化，提高加熱爐熱效率，減少污染物排放已變得非常迫切。20世紀90年代以來在工業爐領域內大力推廣應用的一項全新燃燒技術，它通過極限回收煙氣余熱并高效余熱助燃空氣，實現了高溫（1000℃以上）低氧濃度（2%～5%）條件下的彌散燃燒，具有大幅度節能和大幅度降低煙氣中COx、NOx等有害物質的雙重優越性[1]。

表1 常減壓裝置加熱爐運行情況匯總表Table 1 Summary of the operation of the heating furnace of the normal decompression device

1 常減壓加熱爐現狀

常減壓蒸餾裝置共有3臺工業加熱爐，分別是常壓爐F301、一段減壓爐F401和二段減壓爐F402。目前加熱爐氧含量利用氧化鋯（ZrO2）[2]檢測儀檢測煙氣中氧含量，通過鼓風機K601及風門擋板控制加熱爐供風系統，3臺加熱爐設計共用一套余熱回收系統。

初餾塔底油分成八路進入常壓爐F301，設計進料量為1232t/h，加熱至368℃后合并成一路進入常壓塔C300下部，常壓爐燃料主要有高壓瓦斯、減頂氣。

常底油分成八路進入一段減壓爐F401，設計進料量為809t/h，經加熱至386℃后合并成一路進入一段減壓塔C400下部, 一段減壓爐燃料主要有高壓瓦斯、減頂氣等。

一段減渣部分作為渣油加氫原料，部分至二段減壓爐F402分成四路進料，經加熱至410℃后合并成一路進入二段減壓塔C420。燃料為高壓瓦斯。

3臺加熱爐共用1臺鼓風機，鼓風機出口經過低溫段煙氣余熱器、高溫段煙氣余熱器后加熱至220℃～240℃/265℃左右進入3臺加熱爐，3臺加熱爐分別有風道蝶閥，其中常壓爐4臺，一段減壓爐2臺，二段減壓爐1臺。3臺加熱爐煙氣經過煙道擋板后合并進入高溫段煙氣余熱器，其中常壓爐、一段減壓爐各有2個煙道擋板（常壓爐4個煙道擋板），二段減壓爐有1個煙道擋板，煙氣經高溫段煙氣余熱器換熱后溫度降到160℃～190℃，然后經過引風機送至低溫段煙氣余熱器換熱至100℃～135℃，最后送至煙囪，排大氣。常減壓裝置加熱爐運行情況匯總表見表1。

2 優化燃燒自控技術改造

圖1 CO分析儀硬件組成Fig.1 CO Analyzer hardware composition

采用燃燒優化控制技術，即對煙氣中CO含量進行在線測量，并通過對CO含量的控制來直接控制燃燒效果，實現燃料和空氣的最佳配比，可降低煙氣中的氧含量，減少過剩空氣，減少CO2和NOX的排放，提高加熱爐的熱效率，節約燃料，減少污染物的排放。本次具體改造主要在加熱爐煙氣管道出口增加CO分析儀，并在常減壓裝置DCS控制系統中組態必要的控制策略，通過加熱爐出口煙氣中的CO含量控制加熱爐進風量，以達到優化燃燒效率的目的。

2.1 優化燃燒系統組成

理論配比燃燒優化控制技術由CO在線監測技術、控制策略兩部分組成。

2.2 CO在線監測技術

CO在線監測技術采用世界先進的、技術成熟可靠的、快速CO中紅外激光分析儀。CO分析儀的精度達到ppm級，是普通燃燒分析儀靈敏度的10～50倍。將CO分析儀安裝在煙道擋板下，在煙道上鉆一直徑10cm的圓孔，作為分析儀光束的路徑。如圖1所示。

2.3 控制策略

在原有的DCS控制系統中加入新的控制策略，將CO的控制納入進來。采用CO控制，將加熱爐煙氣中的CO含量控制在50ppm～100ppm之間，遠遠低于易燃物爆炸極限20000ppm～40000ppm以下。可以精確地調整空氣與燃料之間的比例，預測燃燒的波動，對滯后時間進行提前控制補償。同時將原有控制系統的過程滯后時間整合到這個控制邏輯中，將原有的安全系統進行整合，當CO分析儀發生故障時，可以安全自動地切換至原來的O2含量控制系統。

2.4 DCS控制方案組態

低氧燃燒優化控制系統在常減壓裝置原DCS控制系統[3]上組態控制策略，控制策略充分滿足生產過程操作和管理的需要。項目實施后，控制策略能夠與原有控制方案進行無擾動切換。

圖2 常減壓裝置控制方案簡圖Fig.2 A brief diagram of the control scheme for normal decompression devices

常壓爐、減壓爐F301-401-402共用1臺鼓風機，常壓爐、一段減壓爐、二段減壓爐負荷差距較大，目前通過不同擋板來控制進入各個加熱爐的空氣量。每個爐膛空氣量與鼓風機的變頻對應關系都不同，因此無法通過固定風道擋板、調節液力耦合器來實現將各個加熱爐的空氣配比調整到理論配比。

針對常壓爐、減壓爐的整體情況，采用固定風道風壓，控制風道擋板開度的策略來實現加熱爐理論配比燃燒。圖2是常壓爐、減壓爐煙道分布圖。常減壓爐的整體實施方案需要在煙道擋板后的位置共安裝5臺CO分析儀，F301需要在煙氣混合前的煙道安裝2臺分析儀，F401需要在煙氣混合前的煙道安裝2臺分析儀，F402需要在煙氣混合前的煙道安裝1臺分析儀，并通過一套控制系統來實現F301-401-F402的空氣/燃料配比控制。

控制策略：

1）通過在F402煙道擋板后位置安裝的分析儀A所測的CO值，設定在50ppm來控制F402的送風擋板實現F402的風量配比。

2）通過在F401煙道擋板后位置安裝的分析儀B和C所測的CO值，設定在50ppm來控制F401的送風擋板實現F401的風量配比。

3）通過在F301煙道擋板后位置安裝的分析儀D和E所測的CO值，設定在50ppm來控制F301的送風擋板實現F301的風量配比。

4）通過鼓風機的液力耦合器變頻來控制總風量，將鼓風機出口風壓固定在一個定值，當各個風道擋板動作時，風壓會隨著風道擋板的動作而發生變化，開大風道擋板將使風壓降低，反之升高。鼓風機會調節總風量保持鼓風機出口風壓的恒定，保證3臺爐子的用風量。

5）通過控制煙道擋板的開度，將各個加熱爐爐膛壓力控制在定值，引風機變頻控制入口壓力為定值。

常減壓加熱爐的控制策略工程包會將上述控制要求整合起來，同時增加相關安全穩定控制手段來實現加熱爐理論配比控制。通過完整的控制策略可將加熱爐的氧含量降到較低的程度，再配合燃燒平衡工程服務，實現理論配比燃燒。

3 結束語

加熱爐實施理論配比燃燒優化控制技術時，不會影響裝置的正常生產。可實現加熱爐在線打孔，儀器的在線安裝和調試，不用等到檢修周期進行安裝，且工程量少。理論配比燃燒優化控制技術投用后，儀器穩定性好，儀器故障率低。CO控制策略的安裝不影響原有控制策略，操作員可根據工況實現CO控制和原有控制的無擾動切換。在常減壓爐F301-401-402上實施加熱爐理論配比燃燒優化控制技術，可將CO控制在50ppm～100ppm，加熱爐氧含量有較大程度的下降，初步測算每年可節省燃料費181萬元，節省電費43.8萬元，每年減少二氧化碳排放1769噸。