加热炉优化控制技术

加热炉优化控制技术

一、开发背景

加热炉是石化企业重要的生产工艺设备，也是企业消耗燃料的主要设备。炼油企业的总能耗约占原油处理量的8%，其中，加热炉的燃料能耗约占炼油厂总能耗的30%~50%。加热炉的节能降耗是炼油厂节能工作的重要课题，提高加热炉的热效率，对于降低炼油厂的能耗、降低炼油生产成本、提高经济效益是密切相关的。

加热炉又是一个较为复杂的系统，其运行热效率受到诸多因素的影响。比如加热炉设计、设备状况、燃烧调整、工艺操作、运行负荷等。加强管理提高现场操作技能，是提高热效率重要途径，但最后仍需要立足于新装备、新技术、新工艺的应用，才能进一步长周期、比较稳定的提高效率、实现节能降耗的目标。 加热炉的操作，很大程度上依赖于现场管理和现场操作，比如燃烧器的调风门、雾化蒸汽调节、吹灰器的控制、自动点火的控制等。能够远程控制的，应当包括介质出口温度的控制、氧含量的控制、负压的控制。而目前真正能实现自动控制的，只有出口温度与燃料阀位的闭环控制。这种依赖于个人操作技能的操作方式，决定了加热炉的运行水平必然是参差不齐的，这样的技术现状与当前提倡的节能降耗、建设节约型社会的要求是有差距的。2002年，在济南召开的中国石化炼化企业加热炉工作会议上，与会专家认为：加热炉热效率有待于进一步提高，加强新技术应用和自动控制是提高加热炉热效率的重要途径。

近年来，人们加强对现代控制理论的研究与应用，国内外出现了自校正系统、自适应控制、模糊控制、智能控制等新型控制系统，国内高校、研究院和企业逐步开展加热炉的数学模型与仿真研究，开展模糊控制算法及智能控制系统的研究，取得了一些成果并获得很好的应用，在冶金行业，加热炉的优化控制技术已研究多年并正在逐步完善。石化生产装置多采用集散控制系统，但真正实现加热炉自动控制的并不多，只用作数据采集、出口温度的单回路调节，模仿代替仪表PID调节，无法达到最优的节能操作状态。加热炉节能技术，除了在工艺装备上进行改进外，通过对加热炉燃烧过程的自动优化控制，实现节能的技术就应运而生了。 加热炉优化控制技术主要应用于冶金、石化、陶瓷、水泥、玻璃等行业加热炉和工业锅炉的燃烧控制（燃料可为重油、气或油气混烧）。实例证明，本技术在冶金行业加热炉应用可节约燃料5%～10%，减少氧化烧损20%以上；在石化行业

加热炉应用可节约燃料2%以上。由于燃烧控制的优化，除具有节能降耗、提高产品质量和产量等直接经济效益外，还能减少CO及烟尘排放，同时具有清洁生产的环保效益。 二、项目概况

南京金炼科技有限公司，前身是南京炼油厂设备研究所，后来从中国石化金陵分公司研究院改制分流设立的高科技公司。南京金炼科技有限公司长期从事加热炉技术的研究，下设加热炉技术部、加热炉工程部、加热炉测评中心，拥有多名加热炉知名专家，拥有耐火绝热材料实验室、燃烧喷嘴冷态试验室、自动控制实验室，是中国石化加热炉测评中心。测评中心具有加热炉热效率标定，加热炉故障诊断分析、加热炉节能技术评价等职能，承担加热炉测评、节能改造方案制订工作。

在加强加热炉管理和日常炉效监测工作中，我们深切地体会到炼油企业加热炉采用燃烧优化控制技术的必要性和迫切性。炼油企业普遍存在原料品种来源多变，加热炉系统工况波动频繁，加上大多还没有配备专职的司炉工，如果不采用更先进的技术手段，要真正做到保持加热炉的长周期高效率运行几乎是不可能的。现有控制条件下所能监测到的热效率，往往只是一个短期强化操作的结果，只能维持一段有限时间，而整个加热炉运行周期中的平均热效率，远没有达到期望的目标。

管式加热炉是一个多目标、多变量的控制对象：被加热介质的工艺参数变化，燃料压力、温度及燃料品质变化，燃烧器的适应性，吹灰器的性能，烟道挡板及供风风门的操作性能，以及其它影响加热炉的复杂因素，都会对加热炉的运行、节能、平稳操作造成影响。采用一种先进的控制系统，充分考虑各种变数的影响，将加热炉始终置于理想的控制状态，优化加热炉燃料的燃烧过程，是我们所追求的目标。

传统控制是以精确的数学模型为基础的常规PID控制，但实际的工业炉窑系统由于其对象的复杂性和不确定性，很难获得精确的数学模型。而且，固定控制算法的数学模型和常规PID控制也不能适应炉窑多变的工况和非线性问题。 通过多年的努力和实践，我们避开建立精确的数学模型、避开难以检测的操作参数，开发出了“在满足出口温度的前提下，以燃料消耗最低为控制目标的加热炉燃烧优化控制技术”。可以动态地优化加热炉操作、寻找和记忆最佳路线和最优参数的组合，使加热炉始终处于最佳控制状态，以实现加热炉的节能和高效运行。 加热炉优化控制技术，主要用于控制过剩空气系数，同时可以对出口温度控制进行优化、实现炉膛负压的优化控制、风机的优化控制、吹灰器的优化控制、雾化介质的优化控制等，对于不能自控的各种现场问题，设备问题、燃料系统问题等，优化控制系统将会给出专家建议，指导解决现场问题。

加热炉的过剩空气优化控制，将不以氧含量为控制目标，而是以实现工艺要求的

前提下燃料消耗最低作为控制目标，以相关的压力、流量、温度等多因素作为检测和控制的对象，解决仪表检测误差和执行机构不精确带来的不利影响，设定多项而非单一的控制策略，动态地优选、寻找、记忆最佳路线和最优参数组合，使加热炉始终处于最佳燃烧状态，实现加热炉节能高效运行。

加热炉优化控制技术是以改变控制策略去适应炉窑的复杂性和不确定性，它具有自学习能力，它不是仅依靠数学模型工作的，而是能够根据知识和经验进行在线推理和系统辨识，从而在众多的应对措施中优选出一条能达到最大热效率、最小能耗的控制策略。同时，该优选的控制策略也不是固定不变的，而是随着炉子工况的动态变化而变化的。加热炉优化控制技术具有如下特色： ?

控制规律的在线自动选择； ?

工作参数的在线自动整定； ?

空/燃配比的在线自动寻优； ?

设定值的在线自动修正； ?

逻辑推理的在线自学习。

中石化金陵分公司三套500万吨常减压加热炉在炼油企业中率先采用了加热炉优化控制系统，2004年3月底完成调试后正式投运，系统在正常生产条件下连续运行了两个月。根据该系统投运后2个月加工原油的燃料消耗平均值与投运前10个月的加权平均单耗相比，取得了明显的效果。该装置于2004年6月扩建改造。新增加1台常压炉，并把原有的3台加热炉分别改造为2台公用对流室的浅减压炉和1台深减压炉，共4台加热炉，生产能力提高到800万吨。优化控制系统软件也进行了相应修改，2005年底改造后的系统完成调试投运。上述控制系统的开发和应用，为加热炉优化控制系统的推广奠定了基础。

为进一步提高加热炉热效率，中国石油化工股份有限公司公司炼油事业部决定在高桥分公司建设样板炉工程，样板炉采用国内先进技术集成，改造后样板炉热效率能达到92%以上，并能保持高效率长周期运行，为今后全面推广作示范。 通过招标，南京金炼科技有限公司的加热炉优化控制系统，被选为中石化高桥分公司800万吨常减压装置样板加热炉的自动控制系统。该优化控制系统是在中石化金陵分公司三套常减压炉成功应用的基础上推出的。主要功能和特点：在实现工艺介质出口温度稳定的前提下，以工艺介质压力、流量、温度、辐射室顶部负压、燃料量、辐射室顶部烟气O2含量、CO含量和排烟温度等多种参数作为检测和控制的对象，并设定多项控制策略，动态地优选、记忆最佳路线和最优参数

组合，最终达到燃料消耗量最低的目标。该项目现场安装调试工作从2007年12月开始，2008年春节前后投入试运行，累计数据表明，在投用优化控制系统后两台加热炉的瓦斯单耗：常压炉的节能幅度为0.7998%，减压炉的节能幅度为1.1125%。高桥分公司的800万吨常减压炉优化控制系统的调试是成功的，已初见成效。

2008年6月，金陵分公司三套800万吨常减压装置在大修期间实施技术改造。我们将高桥分公司样板加热炉的优化控制系统调试中所取得的新鲜经验，完善后移植到金陵分公司三套加热炉优化控制系统中，调整和增加了部分仪表测点和通讯变量，从根本上解决了DCS系统CPU负荷高对数据通讯造成的不利影响，控制回路也从原来的9个增加到14个，包括出口油温控制、助燃风控制和烟道挡板调节、风机变频控制和预热器旁通阀调节回路，并将优化控制系统工控机和彩色显示器等全部移至中控室内。目前已完成了DCS系统和优化控制系统两个方面相应软硬件的技术改造和衔接，正在稳步进行各个回路的精心调试和投运工作。

可以说，加热炉自动优化控制技术的实现，是源于我们多年在加热炉上经验积累，是适合石油化工企业的现场情况、贴合用户需求的技术，是比较先进的、实用的技术。南京金炼科技股份有限公司的加热炉优化控制系统，正在步入石化行业加热炉节能综合改造中被用户首选的、得到逐步推广和扩大应用范围的实质性发展阶段。 三、技术指标 1．主要控制指标：

?

控制被加热介质出炉温度稳定在设定范围（设定值±2℃）。 ?

自动控制达到辐射室顶部烟气O2含量≦3%。 ?

烟气CO含量≦100PPm。

?

辐射室顶部负压稳定在-10Pa～-20Pa范围内。

2．加热炉自动优化控制系统能根据加热炉工况变化，自动调整控制规律，适应系统中出现的各种干扰和工况的变化，确保被加热介质出口温度稳定在设定值的±2℃以内。

3．加热炉被加热介质出炉温度与炉膛温度串级调节燃料量。加热炉使用液体和气体两种燃料。当加热炉以气体燃料为主，液体燃料为辅时，自动优化控制系统可对气体燃料进行调节和控制；相反，当加热炉以液体燃料为主，气体燃料为辅时，自动优化控制系统可对液体燃料进行调节和控制。两台加热炉的运行方式仍

由DCS系统控制和切换。

4．样板炉改造中增加了装置在空气预热器烟气出口处的O2和CO在线分析仪，测定排烟中的O2和CO含量。优化控制系统由DCS系统得到O2和CO在线分析数据信号，以及其他工艺参数：辐射室顶部负压、炉管温度、燃料量变化等，经过参数分析和寻优得出最佳风量值，通过变频调速器改变供风鼓风机的转速，实现常压炉和减压炉总供风量的调节控制。通过辐射室顶部O2分析仪测得烟气氧含量，调节热风分配蝶阀的开度，实现对每台加热炉的供风调整。

5．炉膛压力大小直接影响炉膛内的气氛，影响炉膛内热量的传递，最终影响加热炉的热效率，炉膛负压还是加热炉安全的重要参数。加热炉辐射室顶部负压控制，通过变频器调节引风机转速，并结合烟气温度、炉膛温度和含氧量等诸多工艺参数，自动调节每台炉子出口的烟道挡板，使常压炉和减压炉辐射室顶部负压控制在-10Pa～-20Pa范围内。

6．优化控制系统在对加热炉以供风为主的控制过程中，还要求同时替代DCS系统对出口油温，以及与加热炉有关的其它参数实施协调一致的控制，以取得最佳的控制效果。 四、系统构成

加热炉优化控制是以DCS为基础，另外配置工业控制计算机（以下简称工控机）一套、通讯转换器等，组成优化控制系统的硬件。优化控制系统的软件安装在工控机硬盘上。工控机通过通讯线缆，与DCS的通讯接口连接，实现双向的数据交换。

优化控制系统工控机安装在中控室，DCS增加用于通讯的两个串行接口，在DCS远程站和中控室之间，通过通讯电缆建立与优化控制专用工控机的连接。DCS通过组态设计和修改，增加用于运行状态切换的画面，以实现加热炉优化控制投运切换。

全系统的硬件概略构成如图1所示：

在实施改造时，按照加热炉优化控制系统需要，在DCS中开辟一个用于通讯变量存储的临时区域，包括各主控回路温度、压力、流量和阀位信号，控制变量、状态识别信号和报警联络信号等。根据控制对象加热炉的不同特点，以及优化控制过程的需要，因地制宜，确定工控机与DCS双向通讯的信号清单《通讯变量表》和《控制回路一览表》。图中切换开关为“软开关”，相当于DCS界面的操作“按钮”。

接收数据：工控机不直接与现场仪表和执行机构等发生关系，自动优化控制系统所需的所有数据，全部通过DCS获得。其中绝大部分可利用现有仪表位号的信号，如果还缺少个别优化过程所需要的重要变量，则应考虑增加。

发送数据：加热炉优化控制系统从DCS中取得的相关数据，经过分析、优化和运算后，得出最佳阀位值送到DCS中的通讯区域，然后由DCS作出判断，再决

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