能質(zhì)平衡原理的加熱爐控制系統(tǒng)分析

馬培旭

摘要：在我國社會(huì)不斷發(fā)展和進(jìn)步的當(dāng)下，我國工業(yè)設(shè)備、工業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新。加熱爐是油田聯(lián)合站主要耗能設(shè)備之一，其主要的功能便是加熱原油，為運(yùn)輸、其他生產(chǎn)工藝打下良好基礎(chǔ)保障。但是在實(shí)際運(yùn)用加熱爐時(shí)，很容易出現(xiàn)諸多問題，會(huì)造成資源不必要的浪費(fèi)。本文將針對傳統(tǒng)加熱爐控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行詳細(xì)分析，明確能質(zhì)平衡原理的加熱爐控制系統(tǒng)優(yōu)化思路，并且提出HPLD加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：加熱爐;控制系統(tǒng)改造;能質(zhì)平衡原理

油田聯(lián)合站一般會(huì)使用水套式加熱爐，該類型的加熱爐主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由燃燒器、火筒、水套、走油盤管等組成部分所構(gòu)成的。該類加熱爐在實(shí)際運(yùn)用的過程中，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生一定幅度變化，會(huì)導(dǎo)致原油的實(shí)際出口溫度產(chǎn)生一定波動(dòng)，無法保障后續(xù)生產(chǎn)工藝順利開展，并且會(huì)造成一定程度的資源浪費(fèi)。為了保障外輸原油的參數(shù)達(dá)標(biāo)，一般會(huì)使用過量加熱的手段增強(qiáng)加熱爐能耗量。

1傳統(tǒng)加熱爐控制系統(tǒng)存在的問題

當(dāng)前社會(huì)對于傳統(tǒng)加熱爐改造領(lǐng)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(shí)，必須要結(jié)合石油企業(yè)切身實(shí)際情況，提出適合企業(yè)發(fā)展、符合企業(yè)長期發(fā)展規(guī)律的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)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(dòng)切換控制系統(tǒng)，詳細(xì)檢查出原油出口的溫度變化，以便于實(shí)現(xiàn)大火、小火的切換。但是此類控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)頻繁停止、頻繁啟動(dòng)問題，這樣很容易造成不必要的資源浪費(fèi)，而且還損壞燃燒器，導(dǎo)致燃燒器使用壽命縮短。

其二，還有借助水套溫度實(shí)施雙檔調(diào)節(jié)開展加熱爐優(yōu)化。還是因?yàn)榇朔N水套溫度的檢測數(shù)值存在不固定性，無法切實(shí)滿足原有進(jìn)口參數(shù)的變動(dòng)。

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(jìn)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(shí)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(zhǔn)度，而且還存在延遲度較高等問題。隨著加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜、功能不斷完善，導(dǎo)致加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度更大。

2能質(zhì)平衡原理的加熱爐控制系統(tǒng)優(yōu)化思路

能質(zhì)平衡原理的加熱爐控制系統(tǒng)，一般是基于PLC理論之下構(gòu)建出的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在加熱爐當(dāng)中設(shè)置一次風(fēng)、二次風(fēng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)過量空氣系數(shù)維持。此外，對加熱爐換件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在降低排煙溫度的基礎(chǔ)上，實(shí)施尾氣排放處理。為了有效解決加熱爐控制系統(tǒng)面臨的問題，便可以將能治平衡原理融入到加熱爐系統(tǒng)優(yōu)化創(chuàng)新當(dāng)中，構(gòu)建出具備高精度、低延遲的加熱爐溫控策略。詳細(xì)對加熱爐運(yùn)行過程中數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行計(jì)算，明確理論水套溫度，有效確定燃?xì)庹{(diào)節(jié)方向。此外，還可以在加熱爐當(dāng)中添加系統(tǒng)檢測設(shè)備，實(shí)時(shí)把控加熱爐內(nèi)過量空氣系數(shù)，切實(shí)提升原油加熱的精準(zhǔn)度，真正實(shí)現(xiàn)加熱爐運(yùn)用過程中低能耗、低延遲、高精度。

3HPLD加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1燃?xì)饬髁肯到y(tǒng)控制

HPLD加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，最為重要的便是燃?xì)饬髁吭O(shè)計(jì)。燃?xì)饬髁磕K當(dāng)中可以結(jié)合爐內(nèi)能質(zhì)平衡關(guān)系，構(gòu)建出原油加熱過程當(dāng)中數(shù)學(xué)物理模型，設(shè)置原油擾動(dòng)監(jiān)測機(jī)制，及時(shí)預(yù)估工況發(fā)生擾動(dòng)后的原油出口溫度。在開展燃?xì)饬髁靠刂圃O(shè)計(jì)時(shí)，原油出口溫度預(yù)估值為（1）所示。其中為原油出口溫度預(yù)估值;為燃?xì)赓|(zhì)量流率，單位是kg/s;為燃?xì)庵械募淄橘|(zhì)量分?jǐn)?shù);為甲烷的低位發(fā)熱量，單位是J/kg;其中為加熱爐平均運(yùn)算效率，單位是%;為原油質(zhì)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(tǒng)會(huì)進(jìn)一步將原油出口溫度預(yù)估值和設(shè)定值的差異進(jìn)行測算，監(jiān)控出原油出口溫度預(yù)估擾動(dòng)，若超出了擾動(dòng)閾值的話，便會(huì)啟動(dòng)燃?xì)庹{(diào)節(jié)程序。先計(jì)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(nèi)部油管道與水套之間對流換熱系數(shù)，單位是W/（㎡·K）;為原油的比熱容，單位是J/（kg·K）;為原油質(zhì)量流率，單位是kg/s。

基于以上參數(shù)內(nèi)容，對HPLD加熱爐控制系統(tǒng)進(jìn)一步計(jì)算出擾動(dòng)前實(shí)際水套溫度，并且將其變至擾動(dòng)后理論溫度過程所需要的熱量以及水套變溫過程，進(jìn)行詳細(xì)分析，明確來流原油所發(fā)生的傳熱量，得出實(shí)際需求的總熱量。當(dāng)明確水套變溫整個(gè)過程，便可以明確水套變溫當(dāng)中原油出口平均溫度估算值，燃?xì)庹{(diào)節(jié)方式不同，其實(shí)際工況也存在差異。

若出現(xiàn)>現(xiàn)象，那么就說明工況擾動(dòng)之后，水套的實(shí)際溫度低于理論值。在此種情況下，控制系統(tǒng)綜合考慮燃?xì)忉尫趴焖傩院图訜崛紶t氣載荷限度，并且確定燃?xì)饬髁康恼{(diào)節(jié)方式。若燃?xì)饬髁烤€性增長，直到加熱爐所能夠承受最大燃?xì)鉄崃繒r(shí)，并且將其維持在一段時(shí)間之后，線性減少到擾動(dòng)燃?xì)饬髁浚Y(jié)合工況實(shí)際情況計(jì)算出發(fā)生擾動(dòng)后的燃?xì)饬髁俊?1若出現(xiàn)<現(xiàn)象，即工況擾動(dòng)之后，水套實(shí)際溫度高于理論值，控制系則會(huì)出現(xiàn)釋放燃?xì)饬髁枯^少的現(xiàn)象。燃?xì)饬髁康拇笮『蛡鹘y(tǒng)加熱爐控制系統(tǒng)當(dāng)中的小伙檔的燃?xì)饬髁恳话阆鄬ζ胶?，直到水套溫度將至最低。此外，燃?xì)饬髁咳舾淖兊接?jì)算流量，那么則會(huì)實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁肯到y(tǒng)穩(wěn)定。

3.2給風(fēng)量系統(tǒng)控制

為了確保加熱爐正常、高效運(yùn)行，需要保持加熱爐當(dāng)中最優(yōu)過量空氣系數(shù)，以便于全面提升加熱爐的加熱效率。為此，加熱爐控制系統(tǒng)需要維持燃燒過量空氣系數(shù)的恒定，借助給風(fēng)量系統(tǒng)控制手段，用兩步法精準(zhǔn)的控制加熱爐的給風(fēng)量。將給風(fēng)量控制系統(tǒng)與CH4的燃燒反應(yīng)式、燃燒過程構(gòu)建出給風(fēng)量數(shù)學(xué)模型，結(jié)合加熱爐的實(shí)際加熱需求、燃?xì)饬髁靠刂颇K所得出的燃?xì)饬髁坑?jì)算理論空氣量，初步針對給風(fēng)量進(jìn)行明確。在加熱爐運(yùn)行的過程中，可以在給風(fēng)量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立過量空氣系數(shù)和煙氣含氧量關(guān)系，在得出過量空氣系數(shù)與目標(biāo)過量空氣系數(shù)差值的基礎(chǔ)上，得出PID負(fù)反饋回路輸入，整定PID參數(shù)，并且將其進(jìn)行風(fēng)量精確調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)維持加熱爐在最優(yōu)給風(fēng)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，切實(shí)降低加熱爐排煙熱損失，切實(shí)提升能量的使用效率。

結(jié)束語

總而言之，為了實(shí)現(xiàn)加熱爐高質(zhì)量、高效率、經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行，必須要對原有的加熱爐開展HPLD加熱爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造，切實(shí)在避免能源損耗的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化加熱爐的運(yùn)行效率，及時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)效并實(shí)現(xiàn)油溫控制，展現(xiàn)出加熱爐的實(shí)際效用。