智能先進(jìn)控制技術(shù)提升加熱爐熱效率的應(yīng)用研究

鄒雄飛 李 青 任玉龍 陳躍談

（1.浙江中智達(dá)科技有限公司；2.中國石油蘭州石化公司自動化研究院）

加熱爐作為現(xiàn)代煉油、化工工業(yè)等領(lǐng)域重要的加熱設(shè)備，其運行效率不僅影響裝置的生產(chǎn)效率，同時也對裝置的長周期安全穩(wěn)定運行以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生重大影響。 近年來，隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，對提升加熱爐的熱效率提出了更高要求。

加熱爐運行主要由燃料燃燒、輻射和對流傳熱以及低能級煙氣能量回收后的排放3個過程組成。 因此，燃料的充分燃燒、傳熱效率以及低能級煙氣能量回收利用率［1］都會影響加熱爐的熱效率。筆者從反映加熱爐燃燒效果的氧含量、爐膛負(fù)壓［2］和 反 映 煙 氣 能 量 回 收 效 率 的 排 煙 溫 度［3］出發(fā)，研究智能先進(jìn)控制技術(shù)在提升加熱爐熱效率方面的應(yīng)用。

1 加熱爐流程簡介

如圖1所示，加熱爐主要由爐體、燃料管線、空氣管線、排煙管線、鼓風(fēng)設(shè)備、引風(fēng)設(shè)備以及相應(yīng)的輔助設(shè)備等構(gòu)成。

圖1 工業(yè)加熱爐示意圖

新鮮空氣與高溫?zé)煔饨?jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入加熱爐爐膛，提供燃料燃燒所需要的氧氣，燃料燃燒釋放出的熱量通過輻射及對流傳熱作用，使被加熱介質(zhì)升溫，之后高溫?zé)煔庥梢L(fēng)設(shè)備引出爐膛，回收余熱后經(jīng)煙囪排放。

2 加熱爐控制現(xiàn)狀

加熱爐有3個氧含量測點、1個爐膛負(fù)壓測點、1個介質(zhì)出口溫度測點、1個排煙溫度測點和1個鼓風(fēng)機(jī)出口壓力測點。 加熱爐的調(diào)節(jié)手段包括1個鼓風(fēng)機(jī)變頻、2個空氣進(jìn)爐風(fēng)門、2個入爐燃料氣調(diào)節(jié)閥、1個煙道擋板、1個引風(fēng)機(jī)變頻和1個新鮮空氣進(jìn)預(yù)熱器跨線閥門，如圖2所示。

圖2 加熱爐控制點示意圖

加熱爐正常運行時，鼓風(fēng)機(jī)變頻及風(fēng)門根據(jù)氧含量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；引風(fēng)機(jī)變頻及煙道擋板根據(jù)爐膛負(fù)壓的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；燃料調(diào)節(jié)閥根據(jù)被加熱介質(zhì)出口溫度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。 雖然在加熱爐自控系統(tǒng)中設(shè)計了相應(yīng)的自控回路，但大部分加熱爐仍由操作人員手動調(diào)節(jié)。

常規(guī)控制過程現(xiàn)狀分析如下：

a. 干擾因素不可測，控制過程波動大。 由于大部分煉油、化工裝置加熱爐的燃料來源于工廠廢氣，組分波動大且不易測量，若利用傳統(tǒng)反饋控制以及操作人員手動控制的方式，調(diào)節(jié)的及時性及穩(wěn)定性較差，容易造成加熱爐運行過程波動大。

b. 變量耦合嚴(yán)重，人工解耦勞動強度大。 加熱爐氧含量及爐膛負(fù)壓的控制手段較多，相互之間干擾嚴(yán)重，同時，被加熱介質(zhì)熱容的變化、燃料氣組分的波動等又加劇了變量之間的干擾，常規(guī)控制過程依賴人工解耦的控制方式，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗選擇調(diào)節(jié)手段進(jìn)行操作，造成操作人員勞動強度大。

c. 過程控制安全要求高， 優(yōu)化運行難以實現(xiàn)。 加熱爐運行過程受燃料組分以及被加熱介質(zhì)熱容變化的影響，調(diào)節(jié)不及時易造成冒黑煙以及熄爐等意外狀況的發(fā)生。 為確保生產(chǎn)安全，操作人員花費大量精力用于穩(wěn)定控制，且把加熱爐各參數(shù)維持在較大的安全邊界， 從而失去了利用“卡邊”優(yōu)化提升加熱爐熱效率帶來的經(jīng)濟(jì)效益，難以實現(xiàn)加熱爐優(yōu)化運行。

通過以上分析可知，常規(guī)狀況下，加熱爐的控制過分依賴于人工操作及人工經(jīng)驗，控制的穩(wěn)定性及運行的經(jīng)濟(jì)性均無法保證。 經(jīng)過前人的研究，先進(jìn)控制技術(shù)在利用人工經(jīng)驗、解決變量耦合干擾等方面［4］具有較大優(yōu)勢，因此可以設(shè)計加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)加熱爐的穩(wěn)定優(yōu)化控制。

3 加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)加熱爐的控制現(xiàn)狀，需要解決加熱爐變量耦合干擾帶來的自動解耦、控制過程依賴于人工經(jīng)驗、多個控制點/控制手段之間的協(xié)調(diào)以及加熱爐運行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等方面的問題。 因此，綜合采用多變量模型預(yù)測控制、智能專家控制以及軟測量計算［5，6］相結(jié)合的智能先進(jìn)控制策略，如圖3所示。

圖3 加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)簡圖

加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)在常規(guī)控制系統(tǒng)的上層實施。 該系統(tǒng)包含多變量模型預(yù)測控制、智能專家控制以及軟測量計算共3個模塊， 各個模塊之間相互聯(lián)系、互為因果，其中核心模塊為多變量模型預(yù)測控制，利用智能專家控制以及軟測量計算輔助，最終實現(xiàn)加熱爐熱效率的優(yōu)化控制。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1 多變量模型預(yù)測控制模塊功能

利用多變量模型預(yù)測控制策略，建立加熱爐各控制手段與各關(guān)鍵控制點以及爐效率的時序模型關(guān)系，引入模型預(yù)測控制的預(yù)測功能、滾動優(yōu)化功能以及反饋校正功能， 提升控制的及時性，實現(xiàn)加熱爐的自動、解耦、穩(wěn)定控制，具體如下：

a. 實現(xiàn)加熱爐溫度穩(wěn)定控制，實現(xiàn)加熱爐溫度與氧含量的匹配控制；

b. 實現(xiàn)加熱爐氧含量穩(wěn)定控制，綜合判斷加熱爐溫度，輔助利用燃料調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)氧含量穩(wěn)定控制；

c. 實現(xiàn)爐膛負(fù)壓及排煙溫度的穩(wěn)定控制，輔助判斷氧含量及加熱爐溫度的變化，實現(xiàn)提前調(diào)節(jié)；

d. 實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)出口壓力下限約束控制以及加熱爐熱效率“卡邊”優(yōu)化控制。

現(xiàn)將系統(tǒng)涉及的變量列于表1。

表1 多變量模型預(yù)測控制變量

3.2.2 智能專家控制模塊

利用智能專家控制策略建立加熱爐判斷控制知識庫， 針對加熱爐正常運行過程中氧含量、爐膛負(fù)壓、 出口溫度之間的關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)判斷，從而指引多變量模型預(yù)測控制模塊對調(diào)節(jié)手段進(jìn)行選擇，提高控制穩(wěn)定性的同時，減少多種調(diào)節(jié)手段同時作用時的耦合干擾。 另外，針對加熱爐熱效率進(jìn)行優(yōu)化允許判斷，通過加熱爐的運行狀況，平衡氧含量、爐膛負(fù)壓和排煙溫度間的關(guān)系，逐步實現(xiàn)加熱爐調(diào)優(yōu)。 智能專家控制模塊主要實現(xiàn)如下功能：

a. 實時監(jiān)控加熱爐的生產(chǎn)過程，判斷氧含量與出口溫度之間的升降關(guān)系，根據(jù)被加熱介質(zhì)的熱容變化，判斷引起波動的原因，并指引多變量模型預(yù)測控制模塊選擇合適的調(diào)節(jié)手段進(jìn)行調(diào)整；

b. 根據(jù)氧含量、爐膛負(fù)壓和排煙溫度間的邏輯關(guān)系，建立加熱爐效率優(yōu)化指引，控制加熱爐效率實現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化；

c. 建立補償控制機(jī)制，在多變量模型預(yù)測控制模塊調(diào)節(jié)不足時及時給予補償，穩(wěn)定關(guān)鍵控制變量。

智能專家控制模塊邏輯如圖4所示。

圖4 智能專家控制模塊邏輯框圖

3.2.3 軟測量計算模塊設(shè)計

在加熱爐生產(chǎn)運行過程中， 受到爐內(nèi)結(jié)構(gòu)、爐管排布及爐內(nèi)火嘴等的影響，容易導(dǎo)致爐內(nèi)的燃燒不均勻，進(jìn)而造成爐內(nèi)各個測點的測量結(jié)果不一致。 利用軟測量計算模塊的計算功能，對爐內(nèi)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計算，形成軟件模擬儀表，輔助控制系統(tǒng)實現(xiàn)更好的控制效果。 主要實現(xiàn)如下計算：

氧含量平均值A(chǔ)_AVG=min（A01，A02，A03）

氧含量變化率A_CR=plot（A01，A02，A03）

出口溫度變化率T_CR=plot（T01）

爐膛負(fù)壓濾波值P_filter=filter（P01）

加熱爐熱效率η=f（A_AVG，P_filter，T02）

4 加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用效果評價

智能先進(jìn)控制技術(shù)在加熱爐應(yīng)用后，實現(xiàn)了加熱爐長周期自動、 無需人工干預(yù)的連續(xù)運行，有效解決了操作人員操作勞動強度大的問題；同時，通過協(xié)調(diào)控制，有效解決了各控制手段及控制點間的耦合干擾，關(guān)鍵控制點的控制平穩(wěn)性得到了很大程度的提高；最終，在加熱爐熱效率持續(xù)優(yōu)化作用下， 顯著降低了裝置的燃料消耗，持續(xù)優(yōu)化帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 氧含量控制效果對比

對平均氧含量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前、后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖5所示（每5 s一個時間點）。

圖5 先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前、后氧含量控制效果對比

對先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前、后氧含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計對比，結(jié)果見表2。

表2 先控投運前、后氧含量統(tǒng)計對比 %

通過統(tǒng)計對比，智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運后，顯著穩(wěn)定了氧含量，并實現(xiàn)了氧含量的“卡邊”優(yōu)化，反映氧含量波動性的統(tǒng)計指標(biāo)顯示，投運后標(biāo)準(zhǔn)差從0.44降低至0.19，穩(wěn)定性提升50%以上。

4.2 加熱爐熱效率控制效果對比

加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)用后，通過逐步“卡邊”優(yōu)化，加熱爐熱效率逐漸上升，結(jié)果如圖6所示。

智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運后，通過氧含量、爐膛負(fù)壓以及排煙溫度的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制， 逐步實現(xiàn)加熱爐熱效率提升的目標(biāo)，經(jīng)統(tǒng)計，加熱爐熱效率由先控投運前的平均92.23%提升至先控投運后的平均92.41%，加熱爐熱效率逐步優(yōu)化效果明顯。

4.3 加熱爐燃料消耗控制效果對比

統(tǒng)計加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前、后30 d的燃料消耗， 加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前、后燃料消耗對比如圖7所示。

圖7 先控投運前、后加熱爐燃料消耗對比

加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)投運后，通過對加熱爐熱效率的優(yōu)化，加熱爐能耗逐漸降低，通過統(tǒng)計對比，投運前加熱爐燃料消耗的平均值約為10.44 kgEO/t，投運后加熱爐燃料消耗的平均值約為10.16 kgEO/t，降幅達(dá)2.68%。

5 結(jié)束語

加熱爐智能先進(jìn)控制系統(tǒng)是綜合了多變量模型預(yù)測控制策略、智能專家控制策略以及軟測量策略的加熱爐熱效率優(yōu)化解決方案，該方案在實現(xiàn)平穩(wěn)控制的基礎(chǔ)上提升了爐效率的核心目夠很好地適應(yīng)此類裝置的特點，不僅降低了操作人員的操作勞動強度，而且提高了裝置控制過程的平穩(wěn)性和安全性，具有良好的推廣應(yīng)用價值。