CO 優(yōu)化控制系統(tǒng)在加熱爐中的應(yīng)用

付滿平，司春旭，安永峰

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

加熱爐是石油化工生產(chǎn)裝置中的重要設(shè)備之一，其作用是通過燃料氣的燃燒為原料油的反應(yīng)提供熱量。作為能源消耗大戶，加熱爐的能耗量占企業(yè)能耗總量的50%～70%，同時(shí)產(chǎn)生CO2、NOx等環(huán)境污染物，因此加熱爐運(yùn)行狀況的好壞與節(jié)能環(huán)保的程度有十分密切的關(guān)系。

寧夏石化公司煉油廠加熱爐于2011 年建成投用，設(shè)計(jì)加工量為500×104t/a，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷42.43 MW。4 路進(jìn)料4 路出料，燃燒器采用16 套低氮燃燒器（目前有8 火嘴燃運(yùn)），加熱爐爐管中高速流動(dòng)的油品，被燃料在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫火焰與煙氣所產(chǎn)生的熱源加熱，部分油品被汽化，達(dá)到在常壓塔內(nèi)分離各側(cè)線產(chǎn)品的條件。

1 技術(shù)比較

1.1 優(yōu)化前燃燒控制技術(shù)

本廠加熱爐建成投用后一直采用過?？諝饪刂品绞剑词褂肸rO2檢測(cè)儀檢測(cè)爐膛內(nèi)部氧含量，將檢測(cè)結(jié)果作為入口鼓風(fēng)機(jī)蝶閥開度的控制依據(jù)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)爐膛中的氧含量，來實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的配比控制。

1.1.1 控制方式 過?？諝饪刂品绞接凶詣?dòng)控制和手動(dòng)控制兩種，用以應(yīng)對(duì)不同工況下的加熱爐燃燒配比要求。

1.1.1.1 自動(dòng)控制 系統(tǒng)工況穩(wěn)定時(shí)，工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)備儀表精度要求高，投入自動(dòng)控制，此時(shí)氧含量控制在平穩(wěn)運(yùn)行范圍（2.5%～3.0%），熱效率在92%以上。

1.1.1.2 手動(dòng)控制 系統(tǒng)工況不夠穩(wěn)定，或受制于具體工藝條件和流程特性，未投自動(dòng)控制時(shí)，需采用人工手動(dòng)控制，此時(shí)氧含量控制在安全運(yùn)行范圍（1.5%～3.5%），加熱爐熱效率一般在90%～92%。

1.1.2 ZrO2檢測(cè)儀的不足之處 ZrO2檢測(cè)儀只能檢測(cè)探頭內(nèi)氧含量，代表性不足，易受到空氣泄漏的影響；ZrO2溫度適應(yīng)性差，爐膛溫度高于600 ℃，對(duì)檢測(cè)儀的溫度適應(yīng)性有較高的要求；儀器響應(yīng)慢，靈敏度低。

1.2 控制系統(tǒng)的比選

1.2.1 CO 控制系統(tǒng)的提出 考慮到ZrO2檢測(cè)儀的上述不足，現(xiàn)將ZrO2檢測(cè)儀替換為CO 檢測(cè)儀。也就是把傳統(tǒng)的氧含量控制參數(shù)轉(zhuǎn)化為CO 含量控制參數(shù)，來控制燃燒配比。

1.2.2 CO 分析儀的特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）ZrO2檢測(cè)儀的安裝位置是在爐膛內(nèi)部，CO 分析儀的安裝位置是在對(duì)流室后的煙道部分（見圖1）。加熱爐煙道部分的溫度相對(duì)于爐膛內(nèi)部溫度較低，因而CO 分析儀的溫度適應(yīng)性優(yōu)于ZrO2檢測(cè)儀。

（2）ZrO2檢測(cè)儀氧含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)來自于探頭內(nèi)的樣品氣體（工作原理見圖2），數(shù)據(jù)的代表性較差，且易受到泄漏空氣的影響。而CO 分析儀的檢測(cè)對(duì)象是煙道內(nèi)一個(gè)較大的空間范圍，煙道內(nèi)煙氣混合均勻，光束透過煙道檢測(cè)CO 可以直接反映燃燒情況，并且不易受泄漏空氣影響，數(shù)據(jù)更有代表性。

圖1 CO 分析儀的安裝位置示意圖

圖2 ZrO2檢測(cè)儀在爐膛內(nèi)部的工作原理

（3）CO 控制系統(tǒng)在加熱爐實(shí)際運(yùn)行過程中與傳統(tǒng)的過?？諝饪刂葡到y(tǒng)相比，爐內(nèi)氧含量更低、排煙溫度更低、燃料氣能耗更少，熱效率更高。

2 CO 控制系統(tǒng)原理與控制方法

2.1 CO控制系統(tǒng)原理

2.1.1 NOx減排理念 由圖3 可以看出降低NOx排放量的方法可以有兩個(gè)策略：第一個(gè)策略是提高氧含量，使之控制在＞10%（C 區(qū)）的范圍內(nèi)，在不考慮其他因素的情況下，含氧量越大減排效果越好；第二個(gè)策略是降低氧含量，使之控制在＜5%（A 區(qū)）的范圍內(nèi)，同樣不考慮其他因素的情況下，含氧量越小減排效果越好。兩種策略的原理和效果對(duì)比（見表1）。

圖3 爐膛中的氧含量與NOx排放量的關(guān)系曲線

表1 兩種降低NOx排放量策略的原理和效果對(duì)比

由表1 可以看出，氧含量過高不利于設(shè)備節(jié)能，所以從節(jié)能和環(huán)保兩方面的效果考慮，降低含氧量策略比提高含氧量策略優(yōu)秀很多，所以我們采用降低氧含量策略，也就是將爐膛的含氧量控制在＜5%（A 區(qū)）范圍內(nèi)，不考慮其他因素的情況下，含氧量越小減排效果越好。

2.1.2 CO 控制與NOx減排理念的結(jié)合

2.1.2.1 CO 的產(chǎn)生原理 在氧氣充足的情況下，甲烷燃燒反應(yīng)方程式為：

當(dāng)加熱爐中的燃燒空氣減少時(shí)，氧氣量不足以使甲烷完全轉(zhuǎn)化為CO2，就會(huì)產(chǎn)生CO，此時(shí)反應(yīng)方程式為：

CO 的產(chǎn)生與爐膛內(nèi)的含氧量密切相關(guān)，爐膛內(nèi)的含氧量越低，CO 的產(chǎn)生量越大。

2.1.2.2 加熱爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)曲線 加熱爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)曲線，即爐內(nèi)含氧量、CO 含量和NOx含量的關(guān)系曲線（見圖4）。

當(dāng)加熱爐內(nèi)氧含量控制在0.5%～1.0%時(shí)，爐內(nèi)CO和NOx的含量均可控制在排放標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，稱之為“理想控制區(qū)”，此時(shí)對(duì)應(yīng)的CO 含量為0.005%～0.015%，可以將這個(gè)范圍作為爐內(nèi)CO 的控制參數(shù)。

當(dāng)含氧量小于0.5%時(shí)，CO 含量大于0.015%，稱之為“不完全燃燒區(qū)”，此時(shí)加熱爐處于“缺氧”的燃燒狀態(tài)，需要通過增加含氧量的方式調(diào)整曲線進(jìn)入“理想控制區(qū)”。

當(dāng)含氧量大于1.0%時(shí)，CO 含量小于0.005%，此時(shí)加熱爐處于“過氧”的燃燒狀態(tài)，爐內(nèi)NOx含量易超標(biāo)，需要通過降低含氧量的方式調(diào)整曲線進(jìn)入“理想控制區(qū)”。

2.2 CO 控制系統(tǒng)的控制方法

CO 控制系統(tǒng)是利用CO 檢測(cè)儀來檢測(cè)煙道中煙氣的CO 含量，以此作為控制參數(shù)來控制鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥的開度，從而調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)的含氧量，使燃燒配比接近理論配比，控制原理（見圖5）。

（1）CO 值大于0.015%時(shí)，系統(tǒng)判斷煙氣CO 含量超標(biāo)，燃燒狀態(tài)為不完全燃燒的“缺氧”狀態(tài)。此時(shí)提高鼓風(fēng)機(jī)入口碟閥開度，提高爐內(nèi)含氧量，使燃燒狀態(tài)進(jìn)入較為充分的“理想控制區(qū)”，從而降低煙氣的CO 含量。

（2）CO 值小于0.005%時(shí)，系統(tǒng)判斷煙氣CO 含量偏低，燃燒狀態(tài)為含氧量偏高的“過氧”狀態(tài)。此時(shí)NOx含量容易超標(biāo)，需減小鼓風(fēng)機(jī)入口碟閥開度，降低爐內(nèi)含氧量，使燃燒狀態(tài)回歸“理想控制區(qū)”，略微提高煙氣CO 含量的同時(shí)，降低NOx的含量。

3 調(diào)試過程

圖4 加熱爐內(nèi)燃燒狀態(tài)曲線

圖5 CO 控制系統(tǒng)示意圖

理想狀態(tài)下，一臺(tái)加熱爐的每個(gè)燃燒器都應(yīng)按照設(shè)計(jì)參數(shù)共同分配相同的燃料量和空氣量，以確保每個(gè)燃燒器的燃燒狀況一致。但實(shí)際上，每個(gè)燃燒器在正常運(yùn)行中的燃料和空氣的損耗都不同，因而不同燃燒器的空燃比也會(huì)有所區(qū)別。因此，爐膛的燃燒情況需要定期的檢查分析，如：燃燒器的火焰形式、火焰穩(wěn)定性和機(jī)械缺陷，運(yùn)行環(huán)境不穩(wěn)定時(shí)，還可能需要檢查爐膛溫度和熱場(chǎng)分布，并據(jù)此結(jié)果不斷修正每一臺(tái)燃燒器的燃料量和空氣量，使之達(dá)到最佳空燃比。

在本次調(diào)節(jié)過程中，CO 系統(tǒng)調(diào)試采取“先現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)后PID 調(diào)整”的方式來進(jìn)行低氧燃燒控制，并通過兩次平穩(wěn)性運(yùn)行驗(yàn)證，得到最終的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)燃燒調(diào)節(jié)

3.1.1 入口蝶閥調(diào)整 為提高CO 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥的靈敏性和精確度，減少了一次風(fēng)門的開度，以此提升鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥的開度，從而提高蝶閥的調(diào)節(jié)空間和CO 控制的調(diào)整精度。同時(shí)，一次風(fēng)門開度的減小，也將鼓風(fēng)機(jī)出口壓力從調(diào)整前的1 200 Pa左右提高到了2 300 Pa 左右，因此遠(yuǎn)離了裝置的聯(lián)鎖點(diǎn)，使調(diào)整更加安全。一次風(fēng)門的最后開度分別為西側(cè)35%，東側(cè)37.5%。

3.1.2 氧含量調(diào)整 確定鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥開度為45%，將O2控制模塊（AIC2101）設(shè)為自動(dòng)，設(shè)定值由“2.8%”改為“2.2%”，鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥下降，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火焰的燃燒狀況調(diào)整各燃燒器的二次風(fēng)門，使其燃燒狀態(tài)保持基本一致。

3.1.3 燃料量的調(diào)整 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的所有燃燒器的燃料閥進(jìn)行調(diào)整。未工作燃燒器的燃料閥全關(guān)，正常工作燃燒器的燃料閥4 個(gè)燃燒器出口（TI2007A/B/C/D）溫度分別逐漸開至最大，這樣不僅能使得配風(fēng)更合理，同時(shí)也能減小高壓瓦斯對(duì)燃料閘閥的侵蝕。

3.2 CO 控制PID 調(diào)整

3.2.1 入口蝶閥限位設(shè)定 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)門和燃料閥基本調(diào)整完畢后，在內(nèi)操控制室進(jìn)行CO 自動(dòng)控制。根據(jù)加熱爐（F101）的運(yùn)行參數(shù)，將CO 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)鼓風(fēng)機(jī)入口蝶閥開度的高低限位，設(shè)置為上限60%，下限48%。

3.2.2 CO 控制系統(tǒng)PID 值的調(diào)整 投用CO 控制自動(dòng)前，先將加熱爐負(fù)壓設(shè)置為自動(dòng)控制。調(diào)整負(fù)壓PID值，使其煙道擋板的變化能適應(yīng)進(jìn)風(fēng)量和負(fù)壓的變化。負(fù)壓自動(dòng)正常后，將標(biāo)準(zhǔn)CO 控制模塊（AIC1111）設(shè)置為自動(dòng)控制，設(shè)定CO 控制值為0.005%，并調(diào)整PID值直至成功實(shí)現(xiàn)CO 的自動(dòng)控制。此時(shí)氧含量基本穩(wěn)定在0.9%到1.0%，且裝置運(yùn)行平穩(wěn)，CO 控制的PID調(diào)整結(jié)果（見表2）。

表2 PID 調(diào)整結(jié)果

4 投用效果

4.1 加熱爐內(nèi)氧含量對(duì)比

CO 控制系統(tǒng)投用后爐內(nèi)氧含量平均值從3.0%降低至0.9%左右，投用前過?？諝庀禂?shù)平均值為1.15，投用后為1.06，CO 控制前后爐內(nèi)氧含量對(duì)比（見圖6）。

4.2 加熱爐所需燃料量對(duì)比

CO 控制系統(tǒng)投用后的30 d 內(nèi)，在原油加工量基本不變的情況下，加熱爐所需燃料量逐步穩(wěn)定控制在2 724 m3/h 左右，而投運(yùn)前正常運(yùn)行所需燃料量平均值3 388 m3/h，加熱爐所需燃料量平均每小時(shí)降低了664 m3，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。CO 控制系統(tǒng)投用后的燃?xì)庀内厔?shì)（見圖7）。

4.3 CO 控制系統(tǒng)投運(yùn)前后現(xiàn)場(chǎng)火焰效果對(duì)比

CO 系統(tǒng)投運(yùn)前因燃料量與送風(fēng)量配比不好，火焰呈暖黃色，長(zhǎng)而無力（CO 系統(tǒng)投運(yùn)前火焰見圖8）；CO系統(tǒng)投運(yùn)后燃料量與送風(fēng)配量比良好，火焰呈淡藍(lán)色，燃燒良好（CO 系統(tǒng)投運(yùn)后火焰見圖9）。CO 系統(tǒng)對(duì)燃燒器的燃燒效果具有較好的改善作用。

圖6 CO 控制后爐內(nèi)氧含量對(duì)比圖

圖7 CO 控制系統(tǒng)投用后燃?xì)庀内厔?shì)圖

圖8 CO 系統(tǒng)投運(yùn)前火焰

圖9 CO 系統(tǒng)投運(yùn)后火焰

表3 CO 系統(tǒng)投運(yùn)前后加熱爐的運(yùn)行效果綜合對(duì)比

4.4 CO 系統(tǒng)投運(yùn)前后加熱爐的運(yùn)行效果綜合對(duì)比

由CO 系統(tǒng)投運(yùn)前后加熱爐的運(yùn)行效果對(duì)比（見表3）可以看出：CO 系統(tǒng)投運(yùn)降低了燃料氣的能耗，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)也減少了廢氣的排放量，取得了很好的社會(huì)效益。

5 結(jié)語

加熱爐引進(jìn)理論配比燃燒優(yōu)化技術(shù)，改變了傳統(tǒng)過?？諝饪刂埔訸rO2檢測(cè)儀為主要檢測(cè)儀器，爐膛含氧量為自控依據(jù)的方法，引進(jìn)了以CO 檢測(cè)儀為主要檢測(cè)儀器，煙氣CO 含量為自控依據(jù)的CO 優(yōu)化控制方法來控制加熱爐的燃燒效果。該技術(shù)降低了煙氣中的氧含量和過?？諝?，實(shí)現(xiàn)了燃料和空氣的最佳配比，節(jié)約燃料、降低裝置能耗，提高了加熱爐的熱效率，同時(shí)有效降低CO2和NOx等污染物的排放，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。