葛延峰（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

提高加熱爐熱效率控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葛延峰（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

隨著油田降溫集油工作的大面積推廣，以及加熱爐運(yùn)行年限的延長(zhǎng)，加熱爐一般都出現(xiàn)負(fù)荷率較低、熱效率下降等問題，采取對(duì)加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量、排煙溫度及爐膛負(fù)壓檢測(cè)控制系統(tǒng)等節(jié)能措施來(lái)監(jiān)控加熱爐運(yùn)行狀態(tài)，并且與現(xiàn)有的DCS（Distributed ControlSystem集散控制系統(tǒng)）控制相結(jié)合研發(fā)出一套基于預(yù)測(cè)控制思想、吸收操作人員多年操作經(jīng)驗(yàn)的先進(jìn)控制軟件，對(duì)加熱爐工藝參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了熱效率的在線優(yōu)化及節(jié)能降耗，減少了環(huán)境污染。

加熱爐 熱效率 先進(jìn)控制 節(jié)能降耗

隨著油田的不斷開發(fā)，建設(shè)規(guī)模、集輸半徑越來(lái)越大，能耗也隨之不斷增加。近年來(lái)，油田生產(chǎn)用氣逐年增加，而加熱爐是主要的能耗設(shè)備，其耗氣占總耗氣的90%以上。目前采油五廠加熱爐平均熱效率為75%，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)82%~85%。因此，采取節(jié)能措施，提高加熱爐熱效率，減少加熱爐耗氣，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗至關(guān)重要。

1 提高加熱爐熱效率的幾種控制方法

1.1 煙氣含氧量檢測(cè)控制系統(tǒng)

在燃燒過程中，實(shí)際供給的空氣量V與理論需要的空氣量V0之比稱為過量空氣系數(shù)a，即a＝V／V0。加熱爐爐膛出口過量空氣系數(shù)每增加0.01，排煙溫度將升高約1.3℃，因此，a值對(duì)加熱爐的熱效率有著直接的影響。

當(dāng)過量空氣系數(shù)過大時(shí)，將會(huì)增大送、引風(fēng)機(jī)的用電消耗；而且由于過?？諝馐窃谂艧煖囟认屡湃氪髿獾?，所以排煙溫度越高，過剩空氣帶走的熱量也越多，熱量損失也越大，加熱爐效率也越低；同時(shí)過大的過量空氣系數(shù)還會(huì)加速爐管和爐內(nèi)構(gòu)件的氧化，不但影響設(shè)備使用壽命，而且還提高對(duì)流室內(nèi)SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，從而加劇低溫露點(diǎn)腐蝕。

當(dāng)過量空氣系數(shù)過小時(shí)，將會(huì)使燃料燃燒不完全，造成大量的化學(xué)能未釋放而浪費(fèi)燃料，同樣能導(dǎo)致熱效率的下降；而且還會(huì)生成大量的CO、H2和炭粒等污染空氣的物質(zhì)；同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦，增加受熱面積灰的風(fēng)險(xiǎn)，這不但影響了傳熱效果，而且還增加了煙氣側(cè)的流動(dòng)阻力，金屬腐蝕物和積灰還會(huì)堵塞通路。

因此，為了提高加熱爐熱效率，同時(shí)降低燃料使用量，必須選取合適的過量空氣系數(shù)。

在加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量檢測(cè)控制系統(tǒng)，主要目的就是根據(jù)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)煙氣中的含氧量反饋來(lái)的信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)給風(fēng)門的開度，以確定合理的過量空氣系數(shù)。

該系統(tǒng)包括檢測(cè)、控制和執(zhí)行三個(gè)部分。

1.2 排煙溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)

排煙損失在加熱爐的熱損失中占很大的比例。一般情況下，排煙溫度每升高17~20℃，

加熱爐的熱效率下降1%左右。當(dāng)加熱爐的熱效率較高（如90%）時(shí)，排煙損失占總損失的70% ~80%；當(dāng)加熱爐的熱效率較低（如70%）時(shí)，排煙損失占總損失的90%，因此降低排煙溫度是提高加熱爐熱效率的主要措施。

在加熱爐煙道出口安裝溫度表在線實(shí)時(shí)檢測(cè)排煙溫度，可以根據(jù)排煙溫度的變化來(lái)調(diào)節(jié)煙道擋板的開度，來(lái)控制煙氣的換熱時(shí)間；也可以根據(jù)排煙溫度的變化控制火焰燃燒中心的高度，如果排煙溫度過高，可以采取讓燃燒器位置盡量下移，或使燃燒器噴嘴向下傾斜等方法，降低火焰中心位置，增加燃料在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，即增加了輻射傳熱時(shí)間。

而且還可以根據(jù)排煙溫度變化趨勢(shì)來(lái)判斷爐管結(jié)垢情況，來(lái)判斷是否需要對(duì)加熱爐進(jìn)行爐管清洗、除垢或吹灰，來(lái)提高對(duì)流換熱效率。同時(shí)還可以根據(jù)排煙溫度來(lái)調(diào)整加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，防止因排煙溫度低于露點(diǎn)溫度導(dǎo)致煙管露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。一般情況下，露點(diǎn)腐蝕溫度在120~150℃之間。所以，加熱爐的排煙溫度盡量控制在160~180℃為宜，低于160℃時(shí)易出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕，降低了煙管的使用壽命；高于180℃時(shí)排煙溫度又過高，煙氣帶走的熱量大，浪費(fèi)燃料，使加熱爐的熱效率降低。

通常利用排出的高溫?zé)煔鈱?duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱來(lái)提高進(jìn)入爐膛的空氣溫度，同時(shí)又降低了排煙溫度，這樣可以提高加熱爐的熱效率。但是最好限制最低排煙溫度，防止露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生。當(dāng)空氣預(yù)熱溫度每提高20℃，加熱爐的熱效率可提高1%。

值得注意的是，不能對(duì)空氣溫度進(jìn)行無(wú)限制的提高。一般預(yù)熱空氣溫度不易超過300℃，否則，隨著空氣溫度的提高，燃燒產(chǎn)物中的NOx（No和NO2）會(huì)相應(yīng)增加，污染周邊環(huán)境。另外，空氣溫度過高還可能引起火嘴結(jié)焦和燃燒器發(fā)生變形等問題。

1.3 爐膛負(fù)壓檢測(cè)控制系統(tǒng)

在加熱爐煙道出口安裝壓力計(jì)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)爐膛負(fù)壓?？梢愿鶕?jù)爐膛負(fù)壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)煙道擋板的開度，使?fàn)t膛負(fù)壓保持在稍低于爐外大氣壓20~ 40Pa。如果爐膛負(fù)壓過小，爐內(nèi)進(jìn)入的空氣量就很少，會(huì)使燃料燃燒不完全，加熱爐熱效率下降，煙囪冒黑煙，爐膛不明亮，甚至往外噴火，可能造成回火傷人事故，此時(shí)應(yīng)該增大煙道擋板的開度；如果爐膛負(fù)壓過大，會(huì)加速爐膛內(nèi)氣體的流動(dòng)速度，減少換熱時(shí)間；同時(shí)會(huì)吸入爐膛內(nèi)更多的冷空氣，降低爐膛溫度，造成煙氣中過?？諝饬吭黾?，增加熱損失，降低了加熱爐熱效率，這時(shí)應(yīng)該減小煙道擋板的開度。

加熱爐的爐膛負(fù)壓與負(fù)荷率和煙囪抽力有關(guān)。負(fù)荷率與爐膛負(fù)壓成反比，即負(fù)荷率高的時(shí)候，爐膛負(fù)壓會(huì)變??；負(fù)荷率低的時(shí)候，爐膛負(fù)壓會(huì)變大。

根據(jù)煙囪抽力公式h抽=H（γ空-γ氣）可知，影響煙囪抽力的大小主要是煙囪高度H，空氣重度γ空,煙氣重度γ氣。

1）高度H的影響：H愈大，即煙囪愈高，抽力愈大；H愈小，即煙囪愈低，抽力愈小。

2）空氣重度γ空的影響：在H、γ氣不變的情況下，γ空愈大，即外界空氣溫度愈低，抽力愈大。同是一個(gè)煙囪，在煙道擋板開度一樣的情況下，冬天的抽力比夏天大，晚上的抽力比白天大，這就是因?yàn)槎?、晚上外界空氣的溫度比夏天、白天低，所以γ空比較大。

3）煙氣重度γ氣的影響：在H、γ空不變的情況下，煙氣重度γ氣愈大，即煙氣溫度愈低，抽力愈??；煙氣重度γ氣愈小，即煙氣溫度愈高，抽力愈大。

由于大慶地區(qū)春、秋季風(fēng)力相對(duì)較大，煙囪周圍空氣流動(dòng)速度快，空氣溫度相對(duì)較低，空氣重度γ空大，因此煙囪抽力大，應(yīng)該減小煙道擋板開度，防止?fàn)t膛負(fù)壓過大。反之，冬、夏季風(fēng)力相對(duì)較小，應(yīng)該增大煙道擋板開度，防止?fàn)t膛負(fù)壓過小。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 優(yōu)化控制的目標(biāo)和功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用加熱爐先進(jìn)控制與熱效率優(yōu)化技術(shù)軟件，將節(jié)能指標(biāo)納入控制器設(shè)計(jì)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐出口溫度的快速穩(wěn)定控制，對(duì)燃料流量和空氣流量綜合控制；實(shí)現(xiàn)加熱爐熱效率的在線優(yōu)化，節(jié)約了燃料，保障后續(xù)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.1.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

對(duì)加熱爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在保證所需要的熱負(fù)荷前提下，確保被加熱介質(zhì)的控制指標(biāo)（如被加熱水的出口溫度）滿足要求，同時(shí)，還要使加熱爐的熱效率最高、空氣污染最小、各支路進(jìn)料平衡穩(wěn)定。

熱負(fù)荷控制：根據(jù)熱負(fù)荷平衡原理來(lái)控制燃料量，首先要保證被加熱介質(zhì)的控制指標(biāo)滿足工藝生產(chǎn)要求；其次盡量降低過量空氣系數(shù)，但要使燃料充分燃燒，且燃燒所釋放的有效熱量應(yīng)該等于加熱爐的熱負(fù)荷。

熱效率優(yōu)化：研究加熱爐熱效率實(shí)時(shí)最優(yōu)的優(yōu)化方法，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)變頻、含氧量檔板開度、煙氣檔板開度，來(lái)控制加熱爐內(nèi)的含氧量和爐膛負(fù)壓，盡可能降低加熱爐的空氣量，減少加熱爐的熱損失，提高熱效率。

加熱爐各支路進(jìn)料平衡控制：利用工人操作經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用預(yù)測(cè)控制技術(shù)，控制各支路進(jìn)料平衡穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)加熱爐的安全運(yùn)行與節(jié)能降耗。

2.1.2 先進(jìn)控制軟件

在加熱爐先進(jìn)控制中使用的軟件是“加熱爐先進(jìn)控制與熱效率優(yōu)化技術(shù)軟件”，該軟件主要有四部分組成：在線監(jiān)控軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、通訊軟件和加熱爐控制組態(tài)軟件。

2.1.3 DCS系統(tǒng)OPC技術(shù)

先進(jìn)控制軟件和DCS系統(tǒng)的連接采用了OPC（ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）技術(shù)。通過OPC，建立了一套符合工業(yè)控制要求通信接口規(guī)范，使控制軟件可以高效、穩(wěn)定地對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作，系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間也可以靈活地進(jìn)行信息交互，提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。

2.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)油田生產(chǎn)摻水、熱洗、脫水、外輸、工藝伴熱中各個(gè)加熱爐現(xiàn)有的常規(guī)PID（調(diào)節(jié)器控制分為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制）控制方案，按照先控思想設(shè)計(jì)了加熱爐控制方案。

先進(jìn)控制系統(tǒng)使用了預(yù)測(cè)控制技術(shù)，采用“模型預(yù)測(cè)、反饋校正、有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化”預(yù)測(cè)過程模型的控制算法，根據(jù)過程的歷史信息判斷將來(lái)的輸入和輸出。即“根據(jù)對(duì)未來(lái)幾步的預(yù)測(cè)，決定當(dāng)前最優(yōu)走哪一步”。而常規(guī)PID控制，是根據(jù)當(dāng)前和過去偏差進(jìn)行控制，即“走一步，看一步”的方式。

先進(jìn)控制服務(wù)器從DCSOPCServer上讀取各變量存入自己的OPC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過運(yùn)行其先進(jìn)控制算法得出操作變量的給定值。為了保證操作的無(wú)擾動(dòng)，在切換到先進(jìn)控制前，先進(jìn)控制到DCS的給定值必須跟蹤DCS中PID控制的操作變量的設(shè)定值，即控制輸出跟蹤設(shè)定值的變化，而且給定值是優(yōu)于設(shè)定值的。當(dāng)控制從PID控制切換到先進(jìn)控制時(shí)，通過先進(jìn)控制算法，使其輸出平穩(wěn)調(diào)節(jié)到先進(jìn)控制計(jì)算的預(yù)期輸出值，這樣就實(shí)現(xiàn)從PID控制到先進(jìn)控制無(wú)擾動(dòng)切換的要求，保證了工藝操作平穩(wěn)安全。

通過應(yīng)用以上技術(shù)措施，加熱爐的過量空氣系數(shù)由1.4下降到1.1，排煙溫度由300℃下降到170℃，效率由75%提高到81%，提高了6個(gè)百分點(diǎn)，單臺(tái)爐預(yù)計(jì)年節(jié)氣4.8×104m3。

3 結(jié)論與展望

1）在加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量、排煙溫度及爐膛負(fù)壓檢測(cè)控制系統(tǒng)是解決目前加熱爐熱效率低的一個(gè)有效辦法。

2）通過實(shí)施先進(jìn)控制，應(yīng)用預(yù)測(cè)控制技術(shù)，將節(jié)能指標(biāo)納入控制器設(shè)計(jì)的控制策略，控制輸出跟蹤設(shè)定值的變化，實(shí)現(xiàn)了超前調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)加熱爐熱效率的在線優(yōu)化，節(jié)約了燃料，保障后續(xù)生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3）將工業(yè)控制與優(yōu)化控制技術(shù)緊密結(jié)合，符合遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)、節(jié)約人力資源的發(fā)展方向，對(duì)提高企業(yè)現(xiàn)代化管理水平及管理效率有一定的參考價(jià)值。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2012.09.021

2012-07-15）

葛延峰，1999年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)，2009年畢業(yè)于浙江大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)從事地面工程管理工作，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，163001。