浅析加热炉交叉限制复杂控制方案的设计

摘　要：加热炉作为石油化工行业中使用最为普遍的热源设施，它在精馏塔、向反应器等大型设施中起到了至关重要的提供热量的作用。而合理加强对加热炉的自动控制，才能满足精确、平稳加热工艺物料的要求，同时提高燃烧热效率。本文通过工程实践经验，对加热炉交叉限制复杂控制方案的主要内容与设计原理进行简单论述。

关键词：加热炉；交叉限制复杂控制议案；设计

　　加热炉的加热过程涉及到空气侧、燃料侧以及工艺侧等各方面交叉限制的复杂控制，即工艺装置的操作稳定性直接取决于被加热物料加热的效果，加热炉的环保节能效果与燃烧效率取决于加热过程所需要的空气与燃料总量及配比，而在降温或升温加热炉时，其燃料侧与空气侧的联动控制方案则直接影响到加热炉的安全运行与稳定性。
一、加热炉交叉限制控制方案设计
　　         
      以A炉为例，即上图。设计加热炉的交叉限制复杂控制方案的主要目的包括两方面，其一是通过交叉限制空气侧与燃料侧，使得尽量减少加热炉所需要消耗的燃料，同时合理对燃料与空气进行配比，从而对燃烧过程中的安全与平稳加以保证，也就是平稳运行、节能降耗的目的，其二是借助自动控制功能，使得加热炉管内的工艺物料能够平稳地到达设计的温度，这方面是工艺的核心要求。
     （一）工艺侧设计
　　加热炉炉膛结构、燃烧器布置与型式、炉管的尺寸、长度、走向等决定了工艺侧加热炉炉管的体积。加热炉管中进入工艺物料后，通过有效被加热区域，而后完成加热操作于加热炉管的出口位置。以有效加热段长度与物料的流速为依据，就能够推算得到物料被加热的时间。同时根据入口处物料的操作密度、操作温度与操作压力以及被加热段的尺寸，就能够推算得到物料在有效被加热段中的质量。
　　所谓加热操作就是指在被加热时间段以内，在炉管入口处把工艺物料的温度提高到满足工艺要求的出口温度。由于工艺物料温度提升到某个点所需要热量基本上是个固定值，其中的热量则是由加热炉燃烧燃料提供的，又因燃料的单位燃烧热量值也是个固定值，因此燃料质量与所产生的热量值是能够对应推算得到的，同时被加热时间也是能够控制的，故能够对所需要燃料的流量质量进行推算。
　　由此可知，在对加热炉工艺侧进行控制方案设计时，可以通过所需要燃料流量质量与工艺物料在炉管出口处的温度情况的相应关系来获取加热炉工艺侧控制设计所需要的数据。一般情况下，在加热炉操作过程中，还需要专业操作人员根据实际情况来确定最终的对应数据。
     （二）燃料侧设计
　　所设计的燃料侧控制方案的主要内容有空气/燃料比率计算、燃料气控制、燃料油控制、燃料模式选择以及总燃料流量质量计算。
      1、 空气/燃料比率计算。TY-1002B高选器分别选择燃料侧的总燃料流量质量测量值、工艺侧总燃料流量质量所需值后，借助HY-1201B空气/燃料计算模块进行换算。此步骤对于保证燃料燃烧效率、降低能耗有着至关重要的影响，同时还需要操作人员在实际操作过程中来进行及时修正与确定。
      2、 燃料气控制。设计方案中的密度补偿计算模块的作用就是计算燃料气的流量质量，以保证燃料气流量质量不会受到管线温度与压力的波动影响。密度补偿计算模块FY-1101A接收到测量自燃料气管线上的密度值与流量值信号后进行补偿计算，其公式为：

      
     在这个步骤中，所设计的交叉限制复杂控制计算实际所使用的燃料气流量质量测量值可选择未经补偿的流量值或是补偿后的流量值。同时，此数据还需要通过三个计算模块：一是FIC-1101，负责控制燃料气管线的调节阀，二是FY-1102，其与燃料油流量质量测量值一起参与计算总燃料的流量质量值，三是FY-1111，其与空气侧或工艺侧所需要的总燃料流量质量一起参与对所需要燃料油流量质量值的计算过程。
     3、 燃料油控制。FT-1111，即燃料油管线流量质量变送器把所检测到的流量值作为PV值送至FIC-1111，即流量控制器。TY-1002A低选器分别选择空气侧与工艺侧的总燃料流量质量需要量后，其中的较低数据将被传送至FY-1111作被减数之用，而直接检测且未经补偿所得到的燃料气流量质量测量值则从FY-1101B传送到FY-1111，作减数之用。将两者相减即算得所需要的燃料油流量质量值，随后将此数据传送至流量控制器，即FIC-1111。
      4、 燃料模式选择。HS-1122，即燃料模式选择模块，所提供的燃料模式共有三种：一是只烧油，不烧气，这种模式燃料油流量质量与总燃料流量质量相同。二是只烧气，不烧油，这种模式燃料气流量质量与总燃料流量质量相同。三是既烧气，又烧油，这种模式燃料气流量质量*K再加燃料油流量质量的和值与总燃料流量质量相同。
      5、 总燃料流量质量计算。FY-1102模块，即总燃料流量质量加法器，其将燃料气与燃料油的流量质量以热值比的关系，向统一的燃料油流量质量换算，进而使计算单位统一。由于燃料气与燃料油的单位质量燃烧热量都不尽相同，因此设燃料气/燃料油单位热值比为K，其具体公式则为：
        总燃料流量质量=（燃料气流量质量*K）+燃料油流量质量
（三）空气侧设计
　　所设计的燃料侧控制方案的主要内容有空气流量控制、空气/燃料比率计算、空气/氧气体积分数比率计算、流量温度补偿计算等。
      1、 空气流量控制。PID调节回路即为本设计空气流量控制，它的PV值由FY-1201B所传送的最佳空气流量质量值，FV-1201空气流量调节阀则由MV值控制，其SP值则是燃料侧或工艺侧经高选后的总燃料流量质量计算而得到的需要空气流量质量值。
      2、 空气/燃料比率计算。此模块HY-1201A类同于燃料控制中的空气/燃料比计算HY-1201B。
      3、 空气/氧气体积比率计算。此计算模块是通过控制烟气氧体积分数与空气流量并借助与经验比率值的结合，从而计算出最为有效、合理的空气流量质量值。
      4、 流量温度补偿。以理想气体状态公式为依据来实施气体流量补偿计算。强制进风加热炉中的空气压力始终与常压相仿，因此补偿只需要考虑温度方面，FY-1201A补偿公式：

       经补偿计算后的信号值随即传送至空气/氧气体积分数比率计算模块，即FY-1201B。

参考文献：
[1] 左为恒,王彦.燃料加热炉燃烧控制方法的研究.[J].热能动力工程.2010,25(5).
[2] 赵霄.加热炉交叉限制复杂控制方案设计探讨.[J].石油化工自动化.2009,45(6).
[3] 左为恒,李昌春,邓力.型钢燃气加热炉燃烧机理及控制方式研究.[J].自动化技术与应用.2008,27(1).