李俊杰(中國石化上海石油化工研究院 開發(fā)設計部，上海 201208)

甲苯歧化加熱爐煙氣氧體積分數復雜控制的設計

李俊杰
(中國石化上海石油化工研究院 開發(fā)設計部，上海 201208)

加熱爐物料出口溫度控制是加熱爐的一項重要控制目標，加熱爐使用的燃料介質的不同決定了加熱爐燃燒控制方案的不同。傳統加熱爐燃燒系統的控制采用靜態(tài)“空燃比限位”的控制方式，對操作工的經驗要求非常高，加熱爐燃燒效率較差，既不經濟也不環(huán)保。針對某甲苯歧化裝置加熱爐的控制原理進行了探討，重點分析了引入爐膛煙氣氧體積分數參數是如何將“空燃比限位”控制由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，使爐膛煙氣氧體積分數控制在穩(wěn)定生產、節(jié)能降耗上，具有現實的指導意義。

煙氣 氧體積分數 復雜控制 加熱爐

加熱爐的燃燒效果受到負荷、燃料、原料的反應速度等多種因素的干擾，通常的控制方法難以保證加熱爐燃料的有效燃燒和控制。通過研究開發(fā)煙氣氧體積分數復雜控制，可以提高加熱爐在外界產生強干擾因素時加強對燃燒的控制能力，增加原料的反應速度，從而達到燃料充分燃燒。

煙氣氧體積分數復雜控制是以加熱爐物料出口溫度為主控變量，燃料和空氣量并列為被控變量的串級控制系統。其中，在兩個并列的副環(huán)中各具有兩個邏輯選擇器，燃料量和空氣量之間形成一個相互的、動態(tài)的約束控制，使該控制系統能夠保證空氣和燃料在最佳燃燒比值狀態(tài)下以及裝置負荷變化過程中，盡量維持空氣、燃料配比處于優(yōu)化控制范圍內[1]。

1 甲苯歧化進料加熱爐物料流程及熱負荷方案

歧化進料加熱爐F-501的任務是把反應器進料最終加熱到規(guī)定的反應溫度。該裝置的反應器進料通過F-501輻射段被加熱；F-501對流段用于對汽提塔的一部分重沸釜液進行加熱。F-501選用輻射-對流型加熱爐，按輻射段熱負荷為5.95 MW進行設計，輻射段和對流段合計熱負荷約為8.84 MW。輻射段加熱介質為氫氣和芳烴，對流段加熱汽提塔釜芳烴液體，介質分2路從對流段上部進爐，經對流加熱后從對流底部出爐。為了實現反應溫度的平穩(wěn)，要求F-501采用燃料氣作為燃燒介質，以保護催化劑以及保證后續(xù)單元的穩(wěn)定操作。鑒于歧化反應進出料換熱器是1臺冷/熱兩側均出現相變的兩相流換熱器，其傳熱計算難度頗大，實際運行狀況同設計值之間出現一定偏差是在所難免的。因此，根據規(guī)范要求[2]，該加熱爐的設計熱負荷必須考慮反應進/出料換熱器可能出現負偏差的工況。一般情況下，按5%的負偏差考慮。由于進出料換熱器的熱負荷很大，5%負偏差的熱負荷為2.969 MW，而F-501的正常輻射段熱負荷為2.989 MW，兩者相差不多。因此，在實際操作中，如果歧化反應進出料換熱器不出現偏差或出現正偏差時，加熱爐便處于“大材小用”的狀況。如果加熱爐的燒嘴數量較少，將使得燒嘴不能在其適宜負荷下運行，從而燃燒效率不高；一旦關掉部分燒嘴，又會出現爐膛內溫度分布不均勻的問題。為解決該問題，在設計加熱爐時，其燒嘴數量宜多不宜少。該項目要求至少設置8個燒嘴，這樣即使處于60%額定熱負荷下運行，也能達到較為滿意的燃燒效率和熱量均布效果。因此，為了避免裝置負荷變化造成爐子燃燒效率降低，該爐最終采用強制通風加熱，通過交叉限位的控制方案，更好地控制空氣側進料量，以便當裝置負荷變化時，爐子仍能達到最佳燃燒效率和環(huán)保節(jié)能。

2 甲苯歧化進料加熱爐典型控制方案設計

煙氣氧體積分數控制的作用是使空氣和燃料的增加交叉進行，即空氣流量增加后，再增加燃料量；反之，燃料量增大后，反過來增大空氣量，使得動態(tài)過程中也能保持燃料量和空氣量的比值接近最佳燃燒比。甲苯歧化進料加熱爐的控制流程如圖1所示。

作為芳烴聯合裝置的一部分，甲苯歧化進料加熱爐會與其他單元的爐子共用一套余熱回收等節(jié)能環(huán)保系統[3]，在此不再加以詳述。圖2是甲苯歧化進料加熱爐交叉限制復雜控制系統圖?？?燃比模塊均設有手動輸入功能。

2.1燃料氣控制器設計

燃料氣控制器主要由燃料氣控制、空/燃比運算模塊組成。

眾所周知，燃料氣的品質受自身壓力、溫度、密度及熱值等因素影響，因而在燃料氣測量中引入燃料氣密度在線測量，對燃料氣質量流量計算的同時進行同步溫/壓補償。而且在實際應用中，工廠也會根據燃料氣品質變化，對加熱爐的燃燒控制方案做相應的調整。密度補償運算在FY-5024計算模塊中完成。燃料氣質量流量補償公式為

(1)

式中：qm1——補償后的燃料氣質量流量；qm2——燃料氣實際測量質量流量；ρ1——燃料氣實測密度值；ρ2——燃料氣設計密度值。

燃料氣的測量信號經過補償，被用來作為燃料氣控制器FIC-5024的測量值，工藝物料側出爐溫度TIC-5201的熱值換算出的燃料氣質量流量,與經空/燃比運算模塊HY-5201A計算出實測空氣量FY-5201B下為保證燃料完全燃燒所需燃料氣的質量流量,經低選器TY-5011A輸出得到FIC-5024的設定值。FIC-5024的輸出值再與燃料氣壓力控制器PIC-5034經高選器PY-5034輸出控制燃料氣調節(jié)閥PV-5034，從而形成對燃料氣的壓力超弛控制。空/燃比計算根據燃料組成的不同而有所變化，計算過程比較復雜。

2.2強制空氣控制器設計

強制空氣控制器主要包括： 流量溫度補償、空氣/氧體積分數比率運算模塊、空/燃比運算模塊和空氣流量控制方案。

2.2.1溫度補償模塊

根據理想氣體狀態(tài)方程對空氣流量進行溫度補償運算。由于爐膛背壓始終保持穩(wěn)定，故對空氣只需要進行溫度補償即可，補償運算在FY-5201A中完成，補償公式為

(2)

式中：T1——設計溫度；T2——實際測量溫度。

補償后的質量流量信號送到FY-5201B空/氧體積分數比率運算模塊。

2.2.2空/氧體積分數比率運算模塊

該裝置爐膛煙氣氧分析儀的功能是為了更好地控制燃料的燃燒效果，使其盡可能充分燃燒，進而達到環(huán)保節(jié)能的要求。燃料氣燃燒過程控制保證了空/燃比最佳，但并不代表燃料氣是完全燃燒的，燃料氣完全燃燒與其自身品質、熱值等因素有關。爐子在不同負荷下，空/燃比值的最佳值也會不同，因而引入爐膛氧體積分數檢測煙氣中氧體積分數，用以衡量燃燒過程是否完全燃燒。根據工程經驗，對于氣體燃料，爐膛煙氣氧體積分數(也叫過剩空氣量)最佳控制范圍在4%～8%，筆者設定最佳控制點為6%，基本能夠保證燃料充分燃燒。

圖1 歧化進料加熱爐控制示意

圖2 甲苯歧化進料加熱爐爐膛煙氣氧含量復雜控制方案示意

爐膛氧體積分數控制器AIC-5003設計成反作用控制器，輸出值MV為0～100%，對應的空氣質量流量比率值是1.2～0.8，MV值送給FY-5201B做運算。AIC-5003的SP值設定為6%，PV值4%～8%依次線性對應MV值的1.2～0.8。當PV值等于6%時，MV值等于1。當PV值小于4%時，MV值鎖定在1.2而不再變化，氧體積分數低值報警。當PV值大于8%時，MV值鎖定在0.8而不再變化，氧體積分數高值報警。AIC-5003的MV經驗比值送至FY-5201B與來自FY-5201A的空氣流量值進行簡單的乘法運算，可以得到最佳的空氣質量流量。爐膛氧體積分數越高，所需空氣質量流量越低，反之亦然。該數值一方面作為PV值送給強制進風管線空氣流量控制器FIC-5201，用于控制空氣調節(jié)閥FV-5201；另一方面送給空氣/燃料比運算模塊HY-5201A，由空氣量計算出所需要的燃料氣質量流量。

2.2.3空氣流量控制方案

空氣流量控制方案為PID調節(jié)回路，其PV值來自于FY-5201B的最佳空氣質量流量數值；MV值用于控制空氣流量調節(jié)FV-5201；SP值來自于工藝側或燃料側高選后的總燃料質量流量換算成的所需空氣質量流量值。

2.2.4空/燃比運算模塊

空氣/燃料比率運算塊HY-5201A與燃料側控制方案中的空氣/燃料比運算塊HY-5201B類似，它將來自FY-5201B的空氣質量流量值除以11.5(該理想空/燃比值可根據爐子運轉狀態(tài)，人工手動輸入改變，使爐子在比較理想的狀態(tài)下運轉)，即可換算得到空氣側所需要的總燃料質量流量。筆者對空/燃比運算模塊采用理想狀態(tài)參數設定加人工后期手動輸入調整，如果該模塊進行動態(tài)上下限位，防止爐子負荷增減時空/燃比變化過快、過大給爐子運行造成不必要的波動，這就是爐子燃燒控制中經典的雙交叉限幅控制系統。

2.3工藝物料控制器設計

工藝側溫度控制器TIC-5011的MV值同時送給一高、一低2個選擇器。經高選器，與燃料側控制方案運算出的總燃料質量流量進行選擇后，用于控制空氣側強制進風的空氣質量流量；經低選器，與空氣側控制方案運算出的空氣側所需總燃料質量流量進行選擇后，用于控制燃料側總燃料質量流量。

以上對甲苯歧化進料加熱爐的燃燒系統控制方案進行了分析和闡述，煙氣氧體積分數復雜控制系統是在爐子控制中邏輯提量和邏輯減量控制系統的基礎上由定比值(空/氧比)變?yōu)樽儽戎?，比值由AIC-5003輸出，因而在實際應用中對爐子燃燒控制起到一定的交叉限制，使燃燒過程達到經濟燃燒的控制目的?，F舉例說明如下：

當工藝物料負荷增加時，工藝物料側爐出口溫度降低，反作用溫度控制器TIC-5011的MV值(工藝側所需總燃料質量流量值)必然升高。此時，低選器TY-5011A一側的運算暫時不會有變化；而高選器TY-5011B一側將選中TIC-5011的輸出值作為FIC-5201的SP值，該設定值也會隨之升高，FIC-5201的MV值將導致加熱爐強制進風空氣調節(jié)閥FV-5201開大，進入加熱爐爐膛的空氣流量隨之增加。隨著FT-5201流量的逐步增大，空氣側的空氣質量流量所對應的總燃料質量流量會相應增大。此時低選器TY-5011A一側的運算開始發(fā)生變化，導致燃料側流量控制FIC-5024的SP值逐步升高，燃料氣管線調節(jié)閥PV-5034開度增加，燃料氣流量隨之增大，并逐步到達新的穩(wěn)態(tài)操作點。提負荷的過程是先提升空氣量再提升燃料量，所以當工藝物料負荷降低時，該控制系統則先降燃料量后降空氣量，始終保持空氣量有一定的過剩，使燃燒過程合理充分。

3 結束語

煙氣氧體積分數控制系統在歧化加熱爐上推廣應用，目前運行效果良好，對負荷變化的燃燒控制效果極為顯著。隨著國家對環(huán)保的日益重視，石化行業(yè)加熱爐的煙氣排放成為控制大氣污染的重中之重。在該思想指導下，更先進的爐子燃燒控制方案不斷提出，如雙交叉限幅控制、爐膛負壓控制等?，F階段除了對爐子硬件設施加強技改，加熱爐自動控制設計則成為現有爐子提高燃燒效率、節(jié)能降耗、減少不合格排放的重要手段。

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DesignofComplexControlSchemeofFlueGasOxygenVolumeContentinDisproportionateFeedFurnace

Li Junjie

(SRIPT，Shanghai，201208，China)

The control of traditional furnace’s heating system adopts the control mode of static “air-fuel ratio limit”. It requires the operator to have rich experience. The combustion efficiency is low with poor economic and environmental performance. The control principle of toluene disproportionate device heating furnace is discussed, the analysis on how to change the control mode from static to dynamic in “air-fuel ratio limit” by introducing the parameter of oxygen content in flue gas (volume fraction) are emphasized, which provides realistic guidance in controlling oxygen content in furnace flue gas for stable production, saving energy and reducing consumption.

flue gas; oxygen volume content; complex control; heating furnace

稿件收到日期：2013-03-29，修改稿收到日期2013-06-25。

李俊杰(1975—)，男，重慶人，獲工程碩士學位，現工作于中國石化上海石油化工研究院，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0027-04