提高加热炉热效率控制系统的设计与应用

2012-08-15葛延峰大庆油田有限责任公司第五采油厂

石油石化节能 2012年9期

葛延峰（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

提高加热炉热效率控制系统的设计与应用

葛延峰（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

随着油田降温集油工作的大面积推广，以及加热炉运行年限的延长，加热炉一般都出现负荷率较低、热效率下降等问题，采取对加热炉烟道出口安装烟气含氧量、排烟温度及炉膛负压检测控制系统等节能措施来监控加热炉运行状态，并且与现有的DCS（Distributed ControlSystem集散控制系统）控制相结合研发出一套基于预测控制思想、吸收操作人员多年操作经验的先进控制软件，对加热炉工艺参数进行控制，实现了热效率的在线优化及节能降耗，减少了环境污染。

加热炉热效率先进控制节能降耗

随着油田的不断开发，建设规模、集输半径越来越大，能耗也随之不断增加。近年来，油田生产用气逐年增加，而加热炉是主要的能耗设备，其耗气占总耗气的90%以上。目前采油五厂加热炉平均热效率为75%，低于国家标准82%~85%。因此，采取节能措施，提高加热炉热效率，减少加热炉耗气，对实现节能降耗至关重要。

1 提高加热炉热效率的几种控制方法

1.1 烟气含氧量检测控制系统

在燃烧过程中，实际供给的空气量V与理论需要的空气量V0之比称为过量空气系数a，即a＝V／V0。加热炉炉膛出口过量空气系数每增加0.01，排烟温度将升高约1.3℃，因此，a值对加热炉的热效率有着直接的影响。

当过量空气系数过大时，将会增大送、引风机的用电消耗；而且由于过剩空气是在排烟温度下排入大气的，所以排烟温度越高，过剩空气带走的热量也越多，热量损失也越大，加热炉效率也越低；同时过大的过量空气系数还会加速炉管和炉内构件的氧化，不但影响设备使用寿命，而且还提高对流室内SO2向SO3的转化，从而加剧低温露点腐蚀。

当过量空气系数过小时，将会使燃料燃烧不完全，造成大量的化学能未释放而浪费燃料，同样能导致热效率的下降；而且还会生成大量的CO、H2和炭粒等污染空气的物质；同时还会导致炉内结焦，增加受热面积灰的风险，这不但影响了传热效果，而且还增加了烟气侧的流动阻力，金属腐蚀物和积灰还会堵塞通路。

因此，为了提高加热炉热效率，同时降低燃料使用量，必须选取合适的过量空气系数。

在加热炉烟道出口安装烟气含氧量检测控制系统，主要目的就是根据在线实时检测烟气中的含氧量反馈来的信息实时调节给风门的开度，以确定合理的过量空气系数。

该系统包括检测、控制和执行三个部分。

1.2 排烟温度检测控制系统

排烟损失在加热炉的热损失中占很大的比例。一般情况下，排烟温度每升高17~20℃，

加热炉的热效率下降1%左右。当加热炉的热效率较高（如90%）时，排烟损失占总损失的70% ~80%；当加热炉的热效率较低（如70%）时，排烟损失占总损失的90%，因此降低排烟温度是提高加热炉热效率的主要措施。

在加热炉烟道出口安装温度表在线实时检测排烟温度，可以根据排烟温度的变化来调节烟道挡板的开度，来控制烟气的换热时间；也可以根据排烟温度的变化控制火焰燃烧中心的高度，如果排烟温度过高，可以采取让燃烧器位置尽量下移，或使燃烧器喷嘴向下倾斜等方法，降低火焰中心位置，增加燃料在炉膛内的停留时间，即增加了辐射传热时间。

而且还可以根据排烟温度变化趋势来判断炉管结垢情况，来判断是否需要对加热炉进行炉管清洗、除垢或吹灰，来提高对流换热效率。同时还可以根据排烟温度来调整加热炉的运行状态，防止因排烟温度低于露点温度导致烟管露点腐蚀的发生。一般情况下，露点腐蚀温度在120~150℃之间。所以，加热炉的排烟温度尽量控制在160~180℃为宜，低于160℃时易出现露点腐蚀，降低了烟管的使用寿命；高于180℃时排烟温度又过高，烟气带走的热量大，浪费燃料，使加热炉的热效率降低。

通常利用排出的高温烟气对空气进行预热来提高进入炉膛的空气温度，同时又降低了排烟温度，这样可以提高加热炉的热效率。但是最好限制最低排烟温度，防止露点腐蚀的发生。当空气预热温度每提高20℃，加热炉的热效率可提高1%。

值得注意的是，不能对空气温度进行无限制的提高。一般预热空气温度不易超过300℃，否则，随着空气温度的提高，燃烧产物中的NOx（No和NO2）会相应增加，污染周边环境。另外，空气温度过高还可能引起火嘴结焦和燃烧器发生变形等问题。

1.3 炉膛负压检测控制系统

在加热炉烟道出口安装压力计在线实时检测炉膛负压。可以根据炉膛负压的大小来调节烟道挡板的开度，使炉膛负压保持在稍低于炉外大气压20~ 40Pa。如果炉膛负压过小，炉内进入的空气量就很少，会使燃料燃烧不完全，加热炉热效率下降，烟囱冒黑烟，炉膛不明亮，甚至往外喷火，可能造成回火伤人事故，此时应该增大烟道挡板的开度；如果炉膛负压过大，会加速炉膛内气体的流动速度，减少换热时间；同时会吸入炉膛内更多的冷空气，降低炉膛温度，造成烟气中过剩空气量增加，增加热损失，降低了加热炉热效率，这时应该减小烟道挡板的开度。

加热炉的炉膛负压与负荷率和烟囱抽力有关。负荷率与炉膛负压成反比，即负荷率高的时候，炉膛负压会变小；负荷率低的时候，炉膛负压会变大。

根据烟囱抽力公式h抽=H（γ空-γ气）可知，影响烟囱抽力的大小主要是烟囱高度H，空气重度γ空,烟气重度γ气。

1）高度H的影响：H愈大，即烟囱愈高，抽力愈大；H愈小，即烟囱愈低，抽力愈小。

2）空气重度γ空的影响：在H、γ气不变的情况下，γ空愈大，即外界空气温度愈低，抽力愈大。同是一个烟囱，在烟道挡板开度一样的情况下，冬天的抽力比夏天大，晚上的抽力比白天大，这就是因为冬天、晚上外界空气的温度比夏天、白天低，所以γ空比较大。

3）烟气重度γ气的影响：在H、γ空不变的情况下，烟气重度γ气愈大，即烟气温度愈低，抽力愈小；烟气重度γ气愈小，即烟气温度愈高，抽力愈大。

由于大庆地区春、秋季风力相对较大，烟囱周围空气流动速度快，空气温度相对较低，空气重度γ空大，因此烟囱抽力大，应该减小烟道挡板开度，防止炉膛负压过大。反之，冬、夏季风力相对较小，应该增大烟道挡板开度，防止炉膛负压过小。

2 控制系统的设计与应用

2.1 优化控制的目标和功能设计

该系统采用加热炉先进控制与热效率优化技术软件，将节能指标纳入控制器设计的控制策略，实现对加热炉出口温度的快速稳定控制，对燃料流量和空气流量综合控制；实现加热炉热效率的在线优化，节约了燃料，保障后续生产的平稳运行。

2.1.1 优化控制系统基本功能设计

对加热炉的控制系统进行优化，在保证所需要的热负荷前提下，确保被加热介质的控制指标（如被加热水的出口温度）满足要求，同时，还要使加热炉的热效率最高、空气污染最小、各支路进料平衡稳定。

热负荷控制：根据热负荷平衡原理来控制燃料量，首先要保证被加热介质的控制指标满足工艺生产要求；其次尽量降低过量空气系数，但要使燃料充分燃烧，且燃烧所释放的有效热量应该等于加热炉的热负荷。

热效率优化：研究加热炉热效率实时最优的优化方法，通过自动调节鼓风机变频、含氧量档板开度、烟气档板开度，来控制加热炉内的含氧量和炉膛负压，尽可能降低加热炉的空气量，减少加热炉的热损失，提高热效率。

加热炉各支路进料平衡控制：利用工人操作经验，应用预测控制技术，控制各支路进料平衡稳定，实现加热炉的安全运行与节能降耗。

2.1.2 先进控制软件

在加热炉先进控制中使用的软件是“加热炉先进控制与热效率优化技术软件”，该软件主要有四部分组成：在线监控软件、实时数据库软件、通讯软件和加热炉控制组态软件。

2.1.3 DCS系统OPC技术

先进控制软件和DCS系统的连接采用了OPC（ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）技术。通过OPC，建立了一套符合工业控制要求通信接口规范，使控制软件可以高效、稳定地对硬件设备进行数据存取操作，系统应用软件之间也可以灵活地进行信息交互，提高了控制系统的互操作性和适应性。

2.2 优化控制系统的实现

针对油田生产掺水、热洗、脱水、外输、工艺伴热中各个加热炉现有的常规PID（调节器控制分为比例、积分、微分控制，简称PID控制）控制方案，按照先控思想设计了加热炉控制方案。

先进控制系统使用了预测控制技术，采用“模型预测、反馈校正、有限时域滚动优化”预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。即“根据对未来几步的预测，决定当前最优走哪一步”。而常规PID控制，是根据当前和过去偏差进行控制，即“走一步，看一步”的方式。

先进控制服务器从DCSOPCServer上读取各变量存入自己的OPC实时数据库中，再通过运行其先进控制算法得出操作变量的给定值。为了保证操作的无扰动，在切换到先进控制前，先进控制到DCS的给定值必须跟踪DCS中PID控制的操作变量的设定值，即控制输出跟踪设定值的变化，而且给定值是优于设定值的。当控制从PID控制切换到先进控制时，通过先进控制算法，使其输出平稳调节到先进控制计算的预期输出值，这样就实现从PID控制到先进控制无扰动切换的要求，保证了工艺操作平稳安全。

通过应用以上技术措施，加热炉的过量空气系数由1.4下降到1.1，排烟温度由300℃下降到170℃，效率由75%提高到81%，提高了6个百分点，单台炉预计年节气4.8×104m3。