眭惟紅

管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

眭惟紅

（江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇泰州 225400）

管式加熱爐出口溫度的穩(wěn)定對提高輕油產(chǎn)品的收率以及操作平穩(wěn)等有著重要的作用，是加熱爐環(huán)節(jié)最重要的控制參數(shù)?？紤]到加熱爐系統(tǒng)存在滯后大、干擾劇烈且耦合性強(qiáng)等特性，根據(jù)自動(dòng)化控制原理，設(shè)計(jì)了單參數(shù)控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋反饋控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝要求以及常見擾動(dòng)因素的不同的情況，既可以延長加熱爐的使用壽命，又保證了后續(xù)工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定。

加熱爐；溫度控制；自動(dòng)化控制系統(tǒng)

管式加熱爐是石油煉制、化工生產(chǎn)中重要裝置之一，出口溫度的穩(wěn)定對提高輕油產(chǎn)品的收率以及常壓塔后續(xù)工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定、操作平穩(wěn)等有著至關(guān)重要的作用，因此是加熱爐環(huán)節(jié)最重要的控制參數(shù)。但由于加熱爐系統(tǒng)存在滯后大、干擾劇烈且頻繁、非線性以及時(shí)變等特性，控制起來非常復(fù)雜。針對工藝過程中常見干擾，采用適當(dāng)?shù)拇?jí)控制對加熱爐出口溫度進(jìn)行控制，取得了較好的效果。

1　管式加熱爐的工作過程分析

管式加熱爐一般由煙囪、對流室、輻射室及燃燒器四個(gè)主要部分組成，其中燃燒器是使燃料霧化并混合空氣燃燒的設(shè)備，通風(fēng)系統(tǒng)將燃燒用空氣引入燃燒器，油氣聯(lián)合燃燒器噴出高達(dá)幾米的火焰，溫度可高達(dá)1 000～1 500℃，大部分熱量主要以輻射的方式，傳給輻射室（爐膛）的爐管內(nèi)流動(dòng)的油品。煙氣沿著輻射室上升到對流室，溫度降到700～900℃。再以對流傳熱的方式繼續(xù)將部分熱量傳給對流室爐管內(nèi)流動(dòng)著的原料油，最后溫度降至200～450℃的煙氣從煙囪排氣。因?yàn)榛鹧鏈囟群芨撸瑸楸Ｗo(hù)爐管及保證工藝質(zhì)量和穩(wěn)定，所以出口溫度及爐膛溫度的控制都非常重要。管式加熱爐工作過程見圖1。

圖1　管式加熱爐工作過程

2　操縱變量的選擇

通常工藝要求將原料油的出口溫度作為被控變量，引起原料油出口溫度變化的擾動(dòng)因素很多，主要有：①燃料油的組分和閥前壓力；②噴油用的過熱蒸汽壓力；③被加熱原料油的流量和入口溫度；④配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度。其中，燃料油的流量對出口溫度比其他干擾的影響更加靈敏，也是工藝上允許調(diào)節(jié)最可控、最經(jīng)濟(jì)的因素，因此選擇燃料油流量為操縱變量，當(dāng)其他影響因素（擾動(dòng)）使出口溫度偏離給定值時(shí)，操縱變量則起到對抗其他影響因素，將被控變量回復(fù)到給定值。

3　自動(dòng)化控制系統(tǒng)的選擇

3.1簡單控制系統(tǒng)

當(dāng)上述擾動(dòng)存在時(shí)，都要先通過爐膛，然后通過管壁的傳熱過程才能引起原料油出口溫度變化，這個(gè)調(diào)節(jié)通道容量很長，滯后很大，時(shí)間常數(shù)約有15min，而溫度控制器TC是根據(jù)原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的，所以當(dāng)干擾作用在對象上后，上述簡單控制系統(tǒng)必須等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，因此不能較快地產(chǎn)生控制作用，偏差在較長時(shí)間內(nèi)不能被消除。在工藝要求不高的時(shí)候，可以采用針對原料油出口溫度的簡單控制系統(tǒng)（圖2）。

圖2　管式加熱爐溫度單回路控制系統(tǒng)

3.2串級(jí)控制系統(tǒng)

當(dāng)工藝要求高，比如原料油的出口溫度的變化范圍為±（1～2）℃，需對加熱爐的工藝作進(jìn)一步分析，重點(diǎn)解決容量通道太長和調(diào)節(jié)滯后問題。

方案一、雙溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

因?yàn)楣苁郊訜釥t是通過爐膛與原料油的溫度差將熱量傳給原料油的，因此各種擾動(dòng)總是先從影響爐膛溫度開始的，可以模仿人工操作采用以原料油出口溫度為主被控變量、爐膛溫度為副被控變量的雙溫度串級(jí)控制系統(tǒng)（圖3）。

系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往燃料流量調(diào)節(jié)閥。當(dāng)爐膛溫度變化時(shí)，TC可以及時(shí)動(dòng)作，克服干擾。當(dāng)某一時(shí)刻，當(dāng)燃料油的壓力、組成發(fā)生變化，或者原料油本身流量、溫度發(fā)生變化，爐膛溫度θ2首先發(fā)生改變，爐溫控制器T2C開始進(jìn)行工作，改變?nèi)剂嫌偷牧髁浚梢允範(fàn)t膛溫度的偏差減小，避免出口溫度θ1產(chǎn)生更大的偏差。

由于引進(jìn)了副回路，不但能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。也即副回路具有先調(diào)、初調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，對副回

路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制質(zhì)量顯著提高。

圖3　管式加熱爐雙溫度串級(jí)控制系統(tǒng)

方案二、溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng)

當(dāng)管式加熱爐的干擾主要來自于燃料油的閥前壓力波動(dòng)時(shí)，也可以將燃料油的壓力作為副控制變量，設(shè)計(jì)成溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng)（圖4）。某一時(shí)刻，當(dāng)燃料油的壓力發(fā)生變化，壓力控制器PC開始進(jìn)行工作，改變?nèi)剂嫌偷拈y門（流量），可以使?fàn)t膛溫度的偏差減小，避免出口溫度θ1產(chǎn)生更大的偏差。和方案一一樣，壓力控制副回路的引進(jìn)，迅速克服作用于副回路內(nèi)的燃料油的壓力變化引起的干擾，減弱了主回路的干擾。

圖4　管式加熱爐的溫度壓力串級(jí)控制系統(tǒng)

3.3前饋控制

在加熱爐出口溫度控制方案中，對加熱爐出口溫度影響最大因素除了燃料的流量，另一個(gè)就是原油的進(jìn)料總量。由于作為生產(chǎn)負(fù)荷的原油進(jìn)料的總量通常是不能作為控制量來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，但是可以將其作為前饋量，以出口溫度作為反饋量，將燃料流量作為控制量，舍去爐膛溫度環(huán)節(jié)，同時(shí)將各種可測干擾作為前饋引入，避開爐膛溫度測量不準(zhǔn)確的影響，設(shè)計(jì)成前饋-反饋控制系統(tǒng)（圖5）。

圖5　管式加熱爐的前饋-反饋控制系統(tǒng)

用“前饋”來克服主要干擾，再用“反饋”來克服其他干擾，這種控制方式已經(jīng)在某石化公司煉油廠加熱爐上得到了成功應(yīng)用，并取得了良好的控制效果。

3.4控制器的選擇

3.4.1控制器規(guī)律的選擇

（1）簡單控制系統(tǒng)

因?yàn)橄到y(tǒng)只有一個(gè)溫度測量變送器和一個(gè)控制器，而且被控變量的時(shí)間常數(shù)和滯后都比較大，為提高控制質(zhì)量，選擇比例積分微分控制器：比例控制及時(shí)，積分作用可以消除余差，微分作用能超前調(diào)節(jié)，對克服容量滯后有顯著效果。

（2）串級(jí)控制系統(tǒng)

①副控制器的選型：副控制器的任務(wù)是要快速動(dòng)作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動(dòng)，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選純比例控制器（P）。②主控制器的選型：主控制器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過程，一般對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在余差，因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，又考慮到燃料油出口溫度的控制通道很長，時(shí)間常數(shù)和滯后都比較大，同時(shí)又有很多擾動(dòng)落在副回路以外，本次設(shè)計(jì)的兩種串級(jí)控制系統(tǒng)都采用比例積分微分控制器（PID）。

（3）前饋-反饋控制系統(tǒng)

和串級(jí)控制系統(tǒng)一樣，前饋控制器FC選純比例（P），反饋控制器TC選用比例積分微分（PID）。

3.4.2控制器正反作用的選擇

（1）簡單控制系統(tǒng)

為了在控制閥氣源突然斷氣時(shí)，爐溫不繼續(xù)升高，采用了氣開閥（停氣時(shí)關(guān)閉），是“正”方向。爐溫是隨燃料的增多而升高的，以爐子也是“正”方向作用的。變送器是隨爐溫升高，輸出增大，也是“正”方向。為了使控制系統(tǒng)形成負(fù)反饋回路，控制器必須為“反方向”，才能當(dāng)爐溫升高時(shí)，使閥門關(guān)小，爐溫下降。

（2）串級(jí)控制系統(tǒng)

爐膛—原料油出口雙溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，副控制器T1C作用的選擇原理同上，為反作用；因?yàn)閮蓚€(gè)溫度偏離時(shí)對控制閥的動(dòng)作要求一致，所以，主控制器T2C為反作用。

燃料油壓力—原料油出口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，兩個(gè)控制器的選擇原則同雙溫度控制，PC和TC均為反作用。

（3）前饋-反饋控制系統(tǒng)

將前饋和反饋控制分別當(dāng)作簡單控制系統(tǒng)分析，確定前饋控制器FC為正作用，反饋控制器TC為反作用，兩個(gè)控制器信號(hào)相加。

系統(tǒng)投運(yùn)之前要熟悉整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程及控制方案，對各個(gè)設(shè)備及儀表進(jìn)行反復(fù)檢查、校驗(yàn)，檢查控制器的正反作用及閥門的氣開氣關(guān)型式，先人工操作旁路閥，再過渡到手動(dòng)遙控，等到工況趨于穩(wěn)定以后切換到自動(dòng)，再對PID參數(shù)整定至合適。

但是任何設(shè)計(jì)都不是一勞永逸的，對一個(gè)控制系統(tǒng)，即使原來的設(shè)計(jì)非常優(yōu)越，隨著時(shí)間的推移，由于催化劑的失效，設(shè)備中管道的堵塞以及測溫元件被包裹等多種運(yùn)行環(huán)境的變化等，都會(huì)使系統(tǒng)控制質(zhì)量下降，所以這就需要對控制器參數(shù)進(jìn)行重新整定，才能保證控制裝置始終處在最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

［1］ 厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化高職第五版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［2］ 朱玉琴.管式加熱爐［M］.北京：中國石化出版社，2016.

［3］ 徐進(jìn)濤.先進(jìn)控制系統(tǒng)在加熱爐優(yōu)化控制中的應(yīng)用［J］.石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2016，（32）.

［4］ 周猛飛，王樹青，金曉明.加熱爐先進(jìn)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評估［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2010，（27）.

［5］ 于秀娜.加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)業(yè)，2014，（10）.

［6］ 韓紅彪.管式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011，（38）.

Design of Temperature Control System for Tubular Heating Furnace

Gui Wei-hong

the outlet temperature of the furnace to improve the stability of light oil products yield and stable operation plays an important role，is the most important parameter controlling step heating furnace.Considering the lag，interference is intense and strong coupling characteristics of heating furnace system，according to the principle of automatic control，the design of single parameter control system，cascade control system and feedforward feedback control system，to meet the different requirements of the production process as well as the common disturbance factors in different situations，can prolong furnace the service life，and ensure the stability of production process.

heating furnace；temperature control；automatic control system

TP273

A

1003-6490（2016）06-0181-02

2016-06-10

眭惟紅（1971—），女，江蘇泰興人，講師，主要研究方向?yàn)榛I(yè)。