二甲苯塔再沸爐空燃比耦合控制系統的設計

王朝陽，李宏光，肖寒

(中國石油天然氣集團公司吉林石化分公司 煉油廠，吉林 吉林 132021)

在煉化行業，加熱爐常規控制方案往往采用以爐出口介質溫度作為被控變量串級控制燃料流量控制閥的簡單控制回路，氧含量控制通常是由鼓風機入口供風調節擋板進行調節，兩個控制回路相互獨立，通常是燃料調節在前，氧含量調節相對滯后，因而氧含量波動大，無法實現低氧控制，加熱爐過剩空氣系數偏高[1]。“加熱爐空燃比耦合控制技術”也稱作“加熱爐交叉限制復雜控制系統”，該系統是將燃料和空氣量并列作為被控變量的復雜串級控制系統[2-3]。其中，燃料量和空氣量各具有2個邏輯選擇器，兩者之間形成一個相互的、動態的約束控制，使該控制系統能夠保證空氣和燃料在最佳燃燒比值狀態，同時裝置負荷變化過程中，也能盡量維持空氣、燃料配比處于加熱爐空燃比耦合控制范圍內[4-5]。在不對加熱爐硬件設施進行技改的基礎上，加熱爐耦合控制技術的設計實現成為現有加熱爐提高燃燒效率、節能降耗、減少不合格排放的重要手段[6]。加熱爐控制邏輯對比如圖1所示。

圖1 加熱爐控制邏輯對比示意

1 空燃比耦合控制基本原理

某煉油廠聯合芳烴裝置二甲苯塔再沸爐(BA 601，BA 602)為二甲苯精餾系統提供再沸熱源，屬于立式圓筒加熱爐，主要燃料以煉油廠瓦斯、天然氣為主，燃料缺口較大時可以增補氣分丙烷，2臺爐設計熱負荷均為41.39 MW，燃料消耗在6×104t/a以上，是裝置的主要耗能設備。加熱爐優化后控制邏輯如圖2所示。

圖2 加熱爐優化后控制邏輯示意

加熱爐空燃比耦合控制系統基本控制原理是測量工藝側被加熱介質的差壓，換算為加熱爐所需燃料的質量流量，與空燃比運算模塊1計算得到的總燃料質量流量進行低選后，作為總燃料質量流量的設定值。工藝側被加熱介質的質量流量與實際工況中的燃料質量流量經過高選后，由空燃比運算模塊2計算出空氣用量用于控制空氣側強制供風流量。其基本原則是滿足在提高加熱爐負荷時，優先提高供風量；在降低加熱爐負荷時，優先降低燃料量，從而始終保持空氣量有一定的過剩，確保燃燒過程合理充分。

空燃比運算包括3個運算模塊： 燃料側運算模塊(空燃比運算模塊1)、空氣側運算模塊(空燃比運算模塊2)、加熱爐燃料總量校正模塊。空燃比運算模塊1將來自FY 26的實際空氣流量除以理想空燃比C換算得到燃料側所需要的理論燃料質量流量，計算如式(1)所示：

qmHY25A=qVFY26/C

(1)

式中：qVFY26——實際空氣流量，m3/h；qmHY25A——根據實際風量計算的理論燃料質量流量，kg/h。

空燃比運算模塊2將來自FY 25的實際燃料質量流量乘以C換算得到供風側所需要的理論風量，計算如式(2)所示：

qVHY25B=qmFY25C

(2)

式中：qmFY25——實際燃料質量總流量，kg/h；qVHY25B——根據實際燃料量計算的理論風量，m3/h。

考慮到加熱爐燃料來源主要有煉油廠瓦斯和天然氣，二者比例調整比較頻繁。而燃料理論空燃比與高位熱值之間呈近似線性關系[7]，煉油廠瓦斯的平均熱值為44.51 MJ/kg，天然氣平均熱值為42.16 MJ/kg，因此根據實際情況以煉油廠瓦斯熱值為基準，設計加熱爐燃料總量校正計算如式(3)所示：

qmFY25=qmFI23+0.95qmFI01

(3)

式中：qmFI23——瓦斯質量流量，kg/h；qmFI01——天然氣質量流量，kg/h。

上述計算過程中涉及到的C值，可根據加熱爐燃料組成變化、環境溫度及加熱爐負荷變化等，人工后期手動輸入調整，確保加熱爐在比較理想的狀態下運轉。C值設置上下限位，并且每次調整(增加或降低)幅度為0.1，防止C值變化過快、過大給加熱爐運行造成不必要的波動。

2 加熱爐空燃比耦合控制方案

該裝置DCS采用日本橫河的CS3000系統。根據圖2所示的控制邏輯，在工程師站重新編寫和下裝了加熱爐控制回路，從而實現了加熱爐控制回路按照空燃比進行優化控制。當需要降低加熱爐負荷時，加熱爐出口介質差壓(PDC 01)設定值降低，通過差壓與空燃比運算模塊1進行低選，然后串級控制燃料總流量(FC 25)。該總流量為燃料氣流量(FC 23)、天然氣流量(FIQBA 601)等進行等熱值換算之和，串級控制燃料氣流量回路調整燃料供應。同時，設置燃料氣流量控制供風調節回路，設置燃料氣流量和天然氣流量分別通過各自空燃比計算出所需空氣流量(理想空氣量)，作為加熱爐引風機(GB 601A)入口空氣流量控制回路(FC 26)的設定值，達到降低供風量的目的。提高加熱爐負荷時，先增大加熱爐供風量，通過介質差壓(PDC 01)與燃料總流量(FY 25)通過高選器比選后，作為空燃比運算模塊2的輸入，通過空燃比運算模塊計算最佳風量作為供風控制回路的設定值，從而提高供風量，再通過空燃比運算模塊1運算后將最佳燃料消耗量作為燃料控制回路設定值調整燃料供應，直至壓差達到設定值。

3 實施效果分析與討論

加熱爐耦合控制優化前后主要數據對比見表1所列。

表1 加熱爐耦合控制優化前后主要數據對比

3.1 操作穩定性分析

通過表1數據對比可知，優化前后加熱爐主要控制參數中，被加熱介質差壓明顯趨于穩定，更有利于二甲苯精餾塔穩定操作，使得產品質量更加趨于穩定。

3.2 加熱爐節能效果分析

采用新的加熱爐控制系統后，氧體積分數根據空燃比實時調節，從表1可以看出BA 601爐氧體積分數平均值由優化前的2.49%降低至優化后的1.97%，降低了0.52%，加熱爐熱效率提升0.15%。BA 602爐氧體積分數平均值由優化前的2.58%降低至優化后的2.15%，加熱爐熱效率提升0.12%。由于穩定運行和效率提升，燃料消耗有所降低，其中BA 601爐燃料消耗的平均值由3 333.04 kg/h降低至3 291.77 kg/h，燃料消耗降低41.27 kg/h，每年減少燃料消耗361.5 t；BA 602爐燃料消耗降低了29.19 kg/h，每年減少燃料消耗255.7 t。2臺加熱爐預計每年可實現燃料成本降低133.9萬元人民幣。

3.3 加熱爐鼓風機能耗分析

從表1可以看出，優化前后加熱爐供風量明顯下降，其中BA 601爐供風量降低了4.05 km3/h，節約電耗7.92 kW。BA 602爐供風量降低了2.96 km3/h，節約電耗5.28 kW。2臺鼓風機合計每年可節電1.16×105kW·h，相當于每年節約用電成本7.86萬元人民幣。

4 結束語

通過對二甲苯加熱爐控制系統的優化，實現了加熱爐燃料用量和供風量按最佳空燃比實時在線調節。同時，由于實現了加熱爐差壓的串級控制，大幅提高了二甲苯精餾塔操作的穩定程度，加熱爐出口介質差壓的標準偏差下降幅度分別為46.25%和53.68%。精餾塔產品中各組分的平均偏差下降幅度11.11%。加熱爐熱效率分別提升0.15%和0.12%。由于加熱爐熱效率的提升和二甲苯精餾系統運行穩定性的改善，預計每年可節約燃料617.2 t，節電1.16×105kW·h，可降低成本費用141.8萬元人民幣。