能質平衡原理的加熱爐控制系統分析

馬培旭

摘要：在我國社會不斷發展和進步的當下，我國工業設備、工業技術不斷創新。加熱爐是油田聯合站主要耗能設備之一，其主要的功能便是加熱原油，為運輸、其他生產工藝打下良好基礎保障。但是在實際運用加熱爐時，很容易出現諸多問題，會造成資源不必要的浪費。本文將針對傳統加熱爐控制系統存在的問題進行詳細分析，明確能質平衡原理的加熱爐控制系統優化思路，并且提出HPLD加熱爐控制系統設計策略。

關鍵詞：加熱爐;控制系統改造;能質平衡原理

油田聯合站一般會使用水套式加熱爐，該類型的加熱爐主要內部結構是由燃燒器、火筒、水套、走油盤管等組成部分所構成的。該類加熱爐在實際運用的過程中，因為會產生一定幅度變化，會導致原油的實際出口溫度產生一定波動，無法保障后續生產工藝順利開展，并且會造成一定程度的資源浪費。為了保障外輸原油的參數達標，一般會使用過量加熱的手段增強加熱爐能耗量。

1傳統加熱爐控制系統存在的問題

當前社會對于傳統加熱爐改造領域正如火如荼開展。加熱爐改造熱門方向非常多，在選擇加熱爐改造時，必須要結合石油企業切身實際情況，提出適合企業發展、符合企業長期發展規律的設計方案。當前較為常見的加熱爐改造方案有以下幾種。

其一，借助大火、小火雙檔自動切換控制系統，詳細檢查出原油出口的溫度變化，以便于實現大火、小火的切換。但是此類控制系統在實際使用過程中會出現頻繁停止、頻繁啟動問題，這樣很容易造成不必要的資源浪費，而且還損壞燃燒器，導致燃燒器使用壽命縮短。

其二，還有借助水套溫度實施雙檔調節開展加熱爐優化。還是因為此種水套溫度的檢測數值存在不固定性，無法切實滿足原有進口參數的變動。

其三，基于分布式偏差的支路溫度一致性控制方案，借助相鄰支路的溫度信息將支路與相鄰支路溫度偏差進行控制，并將其作為控制輸出，使得多支路型加熱爐的分支溫度保持一致。雖然此種方法實施起來相對較為簡單，操作方便，但是很難保障油溫控制的精準度，而且還存在延遲度較高等問題。隨著加熱爐系統結構不斷復雜、功能不斷完善，導致加熱爐控制系統設計難度更大。

2能質平衡原理的加熱爐控制系統優化思路

能質平衡原理的加熱爐控制系統，一般是基于PLC理論之下構建出的自動化控制系統。在加熱爐當中設置一次風、二次風，實現最優過量空氣系數維持。此外，對加熱爐換件結構進行優化，在降低排煙溫度的基礎上，實施尾氣排放處理。為了有效解決加熱爐控制系統面臨的問題，便可以將能治平衡原理融入到加熱爐系統優化創新當中，構建出具備高精度、低延遲的加熱爐溫控策略。詳細對加熱爐運行過程中數學物理模型進行計算，明確理論水套溫度，有效確定燃氣調節方向。此外，還可以在加熱爐當中添加系統檢測設備，實時把控加熱爐內過量空氣系數，切實提升原油加熱的精準度，真正實現加熱爐運用過程中低能耗、低延遲、高精度。

3HPLD加熱爐控制系統設計

3.1燃氣流量系統控制

HPLD加熱爐控制系統設計當中，最為重要的便是燃氣流量設計。燃氣流量模塊當中可以結合爐內能質平衡關系，構建出原油加熱過程當中數學物理模型，設置原油擾動監測機制，及時預估工況發生擾動后的原油出口溫度。在開展燃氣流量控制設計時，原油出口溫度預估值為（1）所示。其中為原油出口溫度預估值;為燃氣質量流率，單位是kg/s;為燃氣中的甲烷質量分數;為甲烷的低位發熱量，單位是J/kg;其中為加熱爐平均運算效率，單位是%;為原油質量流率，單位是kg/s;為原油的比熱容，單位是J/（kg·K）;為原油的人口溫度，單位是℃。

HPLD加熱爐控制系統會進一步將原油出口溫度預估值和設定值的差異進行測算，監控出原油出口溫度預估擾動，若超出了擾動閾值的話，便會啟動燃氣調節程序。先計算出理論水套的溫度，公式為（2）。其中為理論水套溫度;為水套與原油換熱面積，單位是㎡;為內部油管道與水套之間對流換熱系數，單位是W/（㎡·K）;為原油的比熱容，單位是J/（kg·K）;為原油質量流率，單位是kg/s。

基于以上參數內容，對HPLD加熱爐控制系統進一步計算出擾動前實際水套溫度，并且將其變至擾動后理論溫度過程所需要的熱量以及水套變溫過程，進行詳細分析，明確來流原油所發生的傳熱量，得出實際需求的總熱量。當明確水套變溫整個過程，便可以明確水套變溫當中原油出口平均溫度估算值，燃氣調節方式不同，其實際工況也存在差異。

若出現>現象，那么就說明工況擾動之后，水套的實際溫度低于理論值。在此種情況下，控制系統綜合考慮燃氣釋放快速性和加熱燃爐氣載荷限度，并且確定燃氣流量的調節方式。若燃氣流量線性增長，直到加熱爐所能夠承受最大燃氣熱量時，并且將其維持在一段時間之后，線性減少到擾動燃氣流量，結合工況實際情況計算出發生擾動后的燃氣流量。01若出現<現象，即工況擾動之后，水套實際溫度高于理論值，控制系則會出現釋放燃氣流量較少的現象。燃氣流量的大小和傳統加熱爐控制系統當中的小伙檔的燃氣流量一般相對平衡，直到水套溫度將至最低。此外，燃氣流量若改變到計算流量，那么則會實現燃氣流量系統穩定。

3.2給風量系統控制

為了確保加熱爐正常、高效運行，需要保持加熱爐當中最優過量空氣系數，以便于全面提升加熱爐的加熱效率。為此，加熱爐控制系統需要維持燃燒過量空氣系數的恒定，借助給風量系統控制手段，用兩步法精準的控制加熱爐的給風量。將給風量控制系統與CH4的燃燒反應式、燃燒過程構建出給風量數學模型，結合加熱爐的實際加熱需求、燃氣流量控制模塊所得出的燃氣流量計算理論空氣量，初步針對給風量進行明確。在加熱爐運行的過程中，可以在給風量控制系統的基礎上，進一步建立過量空氣系數和煙氣含氧量關系，在得出過量空氣系數與目標過量空氣系數差值的基礎上，得出PID負反饋回路輸入，整定PID參數，并且將其進行風量精確調節。控制系統維持加熱爐在最優給風狀態下穩定運行，切實降低加熱爐排煙熱損失，切實提升能量的使用效率。

結束語

總而言之，為了實現加熱爐高質量、高效率、經濟化運行，必須要對原有的加熱爐開展HPLD加熱爐控制系統設計改造，切實在避免能源損耗的基礎上，強化加熱爐的運行效率，及時調節時效并實現油溫控制，展現出加熱爐的實際效用。