胡 昊 孟廷豪 秦朝军

（北京航天石化技术装备工程有限公司）

热媒炉系统主要由炉体、燃烧系统、烟风系统和热媒系统4部分组成， 传热介质导热油在热媒系统中往复循环， 从炉子入口进入热媒炉，经燃烧器火焰所产生的热量的对流和辐射换热后将导热油温度提高到装置的用热温度，烟风系统主要负责燃烧系统的配风与出炉烟气的换热和排放［1］。 大部分热媒炉系统主要以出口温度作为最终控制目标。

热媒炉出口温度控制多采用传统的经典PID控制器。 但是由于热媒炉燃烧换热过程是内在机理复杂的动态过程，具有非线性、过程参数在线监测等特点， 同时其过程参数易发生动态变化，各参数间耦合严重，难以建立准确的数学模型［2］，单纯采用PID控制不能进行参数的自整定， 同时当用热负荷多样且需要频繁切换，即热媒炉入口温度容易出现较大波动时，由于热媒炉是一种非线性且具有较大时滞的控制对象，所以导致出口温度的控制作用总是落后于扰动作用，原有的出口温度的控制方法无法解决PID控制快速响应的问题，控制效果并不理想。

针对上述情况，笔者提出一种带入口温度前馈控制的双交叉串级PID控制系统， 对热媒炉出口温度进行控制。

1 传统出口温度控制系统

传统的热媒炉出口温度控制方式为双交叉串级反馈控制，在该控制方式下，将出口温度PID回路的输出值与助燃风量流量测量值统一归算后一同送入高值选择器和低值选择器进行比较选择，当需要提高热媒炉出口温度时（升负荷），依次通过低值选择器和高值选择器实现先升风量再升燃料量；同理，当需要降低热媒炉出口温度时（降负荷），依次通过高值选择器和低值选择器实现先降燃料量再降风量，该控制方式在用热负荷稳定时，可以准确平稳地控制热媒炉出口温度，不会产生因空气不足而引起的燃烧不完全现象，也不会发生因空气超量引起过氧燃烧现象。

当入口温度波动，体现到热媒炉端即入口温度出现跳变时， 由于热媒炉出口温度的PID控制回路对于入口温度的波动具有控制滞后性，使用传统控制方式容易出现燃料或风量调节阀的输出开度出现振荡甚至全开全关的情况，所以需要开发针对入口温度波动的温度前馈控制系统。

2 出口温度前馈控制系统

如图1所示［3］，出口温度前馈控制系统在传统温度控制系统的基础上进行了改良，新增热媒入口温度的PID控制回路，首先将入口温度PID回路的MV输出值归算为燃料量， 其次将该燃料量作为出口温度串级反馈控制的前馈值，把入口和出口温度PID控制输出的燃料量按比例相加， 该比例参数K（范围为0%～100%）可在触摸屏上根据实际运行工况手动调整，比例之和为100%；按默认比例相加的公式为：

SV燃气总=K×MV出口温度PID+(100%-K）×MV入口温度PID

最后将相加后的燃气量作为设定值统一送到燃气PID控制回路控制燃气调节阀的输出开度， 该前馈控制系统可以在入口温度变化时提前调整燃气流量， 快速准确地响应入口温度的波动，保证热媒炉出口温度的稳定。

图1 出口温度前馈控制系统（相加型）

3 Matlab建模与仿真

图2 加热炉仿真模型

燃气调节阀仿真模型的输入为调节阀的阀门开度，范围设定为0%～100%，输出为燃气流量，范围设定为0～100Nm3/h。

图3 燃气调节阀仿真模型

出口温度前馈控制系统的总体仿真模型如图4所示［5］，总体模型大体分为3个部分，分别为入口温度控制、出口温度控制和燃气流量控制。 参考热媒炉的现场使用经验，热媒炉入口温度设定值的模拟初始值设置为280℃，出口温度设定值的模拟初始值设置为315℃。

图4 热媒炉出口温度前馈控制系统总体仿真模型

针对入口温度不波动且采用传统控制方式、入口温度波动且采用传统控制方式和入口温度波动且采用温度前馈控制系统3种工况进行仿真。

热媒炉入口温度不波动且采用传统控制方式，入口温度设定值取280℃，出口温度设定值取315℃，燃气流量范围设置为0～100Nm3/h。 出口温度的仿真效果如图5所示， 出口温度实际值可以快速平稳地收敛到设定值。

图5 热媒炉入口温度不波动且采用传统控制方式的出口温度仿真效果

热媒炉入口温度波动（干扰），入口温度设定值取280℃，上下波动值±7℃，入口温度仿真效果如图6所示，出口温度设定值取315℃，燃气流量范围设置为0～100Nm3/h。 获得的出口温度仿真效果如图7所示， 可以看出采用传统控制方式后出口温度的控制曲线振荡频繁，曲线波动大。

图6 热媒炉入口温度的仿真效果

图7 热媒炉入口温度波动且采用传统控制方式的出口温度仿真效果

热媒炉入口温度波动（干扰），入口温度设定值取280℃，上下波动值为±7℃，入口温度仿真效果如图6所示，出口温度设定值取315℃，燃气流量范围设置为0～100Nm3/h。 采用温度前馈控制系统获得的出口温度仿真效果如图8所示， 采用温度前馈控制系统后出口温度的控制响应速度更快，曲线振荡小，控制平稳。

4 应用

将笔者开发的热媒炉出口温度前馈控制系统应用于珠海某热媒炉项目，根据装置需要，出口温度设定值为315℃， 当装置用热变化导致入口温度波动时， 跟踪热媒炉出口温度的变化曲线（图9）可以看出，前馈控制系统投运后，虽然受入口温度的影响出口温度会产生一定的波动， 但出口温度曲线基本在设定温度±2℃范围内变化，±1℃范围内的点占到65%， 远好于传统控制系统的36%，能够很好地满足装置稳定用热的需求。

图8 热媒炉入口温度波动且采用温度前馈控制系统的出口温度仿真效果

图9 热媒炉出口温度变化曲线

将传统热媒炉出口温度控制系统质量指标与使用入口温度前馈控制系统后的质量指标进行对比，结果见表1，热媒炉出口温度变化范围明显缩小，基本不受入口温度波动的影响，整个热媒炉在自动调节过程中，达到了用户对热媒炉出口温度的控制指标要求，确保热媒炉为装置供热的稳定。

表1 热媒炉质量指标对比

5 结束语

针对热媒炉换热过程机理复杂，且参数动态变化的情况，提出基于入口温度的热媒炉出口温度前馈控制系统，其中入口温度采用PID控制器，控制器输出值为燃料流量，当装置用热发生改变时， 入口温度PID控制回路会根据入口温度过程值的变化按比例自动调整燃料量的输出，起到提前改变放热负荷的作用，克服用热负荷的各种不可控扰动，Matlab建模仿真和实际运行结果均验证了新控制系统的有效性。