郎微微 王 鑫

(1.中國石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江 大慶 163714；2.中國石油廣東石化公司設備管理中心，廣東 揭陽 515200)

交叉限幅控制在常減壓加熱爐中的應用

郎微微1王 鑫2

(1.中國石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江 大慶 163714；2.中國石油廣東石化公司設備管理中心，廣東 揭陽 515200)

以常減壓裝置加熱爐燃燒控制系統(tǒng)為例，介紹單、雙交叉限幅控制的原理及其工程設計實施細節(jié)，并對加熱爐采用的氧含量修正空燃比的單交叉限幅控制進行說明。

交叉限幅控制 加熱爐 燃燒控制 空燃比

加熱爐是石油化工生產過程中為物料提供熱源的關鍵設備。加熱爐的工藝過程是燃料在爐膛內燃燒產生熱量，并不間斷地向工藝過程提供熱量。加熱爐所消耗的燃料一般占全廠燃料總消耗的65%～80%。因此，在滿足工藝過程要求的前提下，對加熱爐采用有效合理的燃燒控制，最大限度地提高加熱爐的燃燒效率，節(jié)約能源并減少污染，是非常必要的。

傳統(tǒng)煉廠加熱爐的串級控制方案空燃比不能達到最佳的控制效果，致使燃料浪費，而且容易產生黑煙，污染環(huán)境。為此，筆者以常減壓裝置加熱爐為例，闡述交叉限幅控制在加熱爐燃燒系統(tǒng)中的應用。

1 最優(yōu)燃燒控制①

空燃比是指空氣量與燃料量之比，即空氣和燃料的混合比例。只有在燃料量與空氣量比值合適的情況下，燃料才能完全燃燒，火焰溫度才能達到最大值，輻射熱量才能達到最高，即只有空燃比合理時，加熱爐才能達到最高熱效率。如果空氣不足，燃燒不完全，加熱爐會冒黑煙，熱效率下降；若空氣過量，則多余過剩的冷空氣加熱后由煙道排出帶走大量熱量，造成熱量損失，熱效率下降。所以，嚴格控制加熱爐的空燃比是提高其燃燒效率的主要措施。

為了保證燃料完全燃燒，燃燒時的實際空氣量要比所需理論空氣量過量一點，一般常用空氣過剩系數(shù)μ定量描述，即有μ=實際空氣量/理論空氣量。在燃燒過程中，為實現(xiàn)完全燃燒而又不造成過量排煙帶來的熱損失，通常要形成一個低空氣過剩系數(shù)的燃燒條件。加熱爐熱效率和熱損失與空氣過剩系數(shù)的關系如圖1所示。最優(yōu)燃燒控制的目標就是不管負荷在穩(wěn)定狀態(tài)還是變化狀態(tài)，控制較低的空氣過剩系數(shù)μ，保證空氣過剩系數(shù)在最佳燃燒區(qū)，實現(xiàn)最佳燃燒。

圖1 加熱爐熱效率和熱損失與空氣過剩系數(shù)的關系 Ⅰ——空氣不足區(qū)； Ⅱ——超低過剩空氣燃燒區(qū)； Ⅲ——低過?？諝馊紵齾^(qū)； Ⅳ——高過剩空氣燃燒區(qū)

2 串級比值控制

加熱爐的傳統(tǒng)燃燒控制多采用串級比值調節(jié)系統(tǒng)，共有兩種方案。

方案一加熱爐出口溫度調節(jié)器的輸出直接作為空氣流量調節(jié)器的給定值，空氣的實際流量除以空燃比所得的值作為燃料流量調節(jié)器的給定值，即空氣先行的串級比值控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 空氣先行串級比值控制系統(tǒng)框圖

方案二爐出口溫度調節(jié)器的輸出直接作為燃料流量調節(jié)器的給定值，然后燃料實際流量乘以空燃比所得的值作為空氣流量調節(jié)器的給定值，即燃料先行的串級比值控制系統(tǒng)(圖3)。

圖3 燃料先行串級比值控制系統(tǒng)框圖

對于串級比值調節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)時燃料量和空氣量可按一定的空燃比相互跟隨變化。但由于燃料與空氣控制回路的響應速度不一致(空氣控制回路的時間常數(shù)比燃料控制回路大)，流量測量存在誤差，特別是在燃料負荷發(fā)生變化的情況下，無法保證燃料量和空氣量仍按一定的空燃比相互跟隨變化，即無法保證合理的空燃比。

3 單交叉限幅控制

單交叉限幅控制是在串級比值控制的基礎上，增加交叉限幅功能，以保持空燃比合理，使燃燒處于最佳狀態(tài)。單交叉限幅控制以爐出口溫度為主參數(shù)，燃料流量和空氣流量為副參數(shù)的并聯(lián)串級調節(jié)系統(tǒng)，并帶有交叉限幅邏輯功能的比值控制系統(tǒng)(圖4)。[1]

圖4 單交叉限幅控制系統(tǒng)框圖

單交叉限幅控制思想是通過低選器和高選器實現(xiàn)燃料量的增加滯后于空氣量的增加，燃料量的減少先于空氣量的減少。即，當需要升負荷時(升高爐出口溫度)，首先提高空氣流量調節(jié)器的給定值，空氣量增加后，燃料流量調節(jié)器的給定值隨之增加，形成“空氣先行”；當需要降負荷時(降低爐出口溫度)，首先降低燃料流量調節(jié)器的給定值，燃料量下降后，空氣流量調節(jié)器給定值才隨之下降，形成“燃料先行”。

單交叉限幅控制原理是爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號(負荷信號)，決定燃料流量和空氣流量調節(jié)器的給定值。同時，在燃料控制回路設有低選器，在空氣控制回路設有高選器。低選器比較的參考信號是由空氣流量換算成燃料的最大允許流量，高選器比較的參考信號是由燃料流量換算成空氣的最小允許流量，分別與溫度調節(jié)器輸出的要求流量進行比較后組成交叉限幅選擇控制。

燃料流量的控制。爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號與實測空氣流量換算成相應要求的燃料流量(防止缺氧燃燒的燃料流量上限值)相比較，較低的一方信號作為燃料流量調節(jié)器的給定值。

空氣流量的控制。爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號與實測燃料流量相比較，較高的一方信號換算成相應要求的空氣流量(防止缺氧燃燒的空氣流量下限值)作為空氣流量調節(jié)器的給定值。

3.1單交叉限幅控制方案設計

某煉油廠1 000萬噸常減壓蒸餾裝置的減壓加熱爐采用SHELL工藝包技術，燃燒控制采用氧含量修正空燃比的單交叉限幅控制(圖5)。減壓加熱爐燃料為高壓瓦斯和減頂脫硫后的不凝氣，其中高壓瓦斯為主燃料氣，減頂不凝氣脫硫后作為輔助燃料氣。

圖5 減壓爐單交叉限幅控制方案

對于燃料氣流量控制回路，有關模塊的功能為：FX2012A(Y3)用于燃料氣密度補償；FX2012B(Y6)=Q高壓瓦斯測+Q不凝氣測，用于計算燃燒的總燃料氣量；FX2012C(Y7)=0.9×Y6，用于設置最小燃料氣流量，其輸出為I2(即防止缺氧燃燒的燃料氣流量下限值)；TX2019A(Y16)為低選器；FX2011E(Y5)=Q燃料氣-Q不凝氣測，計算高壓瓦斯流量調節(jié)器的給定值，Q燃料氣為TIC2019調節(jié)器的輸出I0(即負荷所要求的燃料氣流量)或I1(即防止缺氧燃燒的燃料氣流量上限值)。

對于空氣流量控制回路，有關模塊的功能為：FX2011C(Y19)=Q空氣測×N用/N總(N為燃燒器數(shù)量)，根據(jù)燃燒器使用情況，計算所需的空氣流量；FX2011D(Y8)=Y19/0.9×F×K(F為空燃比，K為空燃比修正系數(shù))，根據(jù)修正的空燃比，計算防止缺氧燃燒的燃料氣流量上限值，其輸出為I1；TX2019B(Y17)為高選器；FX2012D(Y9)=Q燃料氣×F×K，根據(jù)修正的空燃比，計算防止缺氧燃燒的空氣流量下限值，Q燃料氣為TIC2019調節(jié)器的輸出I0或I2；FX2011A(Y18)=Y9×N總/N用，用于計算空氣流量調節(jié)器的給定值；FX2011F(Y10)=Y19/F×Y6，用于計算空氣過剩系數(shù)。

3.2單交叉限幅控制分析

在穩(wěn)態(tài)時，爐出口溫度調節(jié)器TIC2019的輸出信號I0小于FX2011D的輸出信號I1，而大于FX2012C的輸出信號為I2，燃料氣流量調節(jié)器FIC2012和空氣流量調節(jié)器FIC2011給定值均為I0。單交叉限幅控制系統(tǒng)實質上是一個溫度回路作為主回路，燃料氣流量回路和空氣流量回路并聯(lián)作為副回路的串級調節(jié)系統(tǒng)。

當負荷變化使爐出口溫度低于給定值時，由于TIC2019調節(jié)器為反作用，其輸出I0增加。空氣控制回路中，I0經(jīng)高選器TX2019B與I2比較，因I0>I2，故I0被選上，空氣流量調節(jié)器FIC2011的給定值由溫度調節(jié)器TIC2019的輸出決定。FIC2011調節(jié)器為正作用，給定值增加，其輸出減小，使空氣調節(jié)擋板開大，空氣流量增加。燃料氣控制回路中，I0經(jīng)低選器TX2019A與I1比較，在空氣流量沒有增加前，因I0>I1，故I0沒有被選上，此時燃料氣流量調節(jié)器FIC2012的給定值由I1確定。FIC2012調節(jié)器為反作用，I1大于穩(wěn)態(tài)時的I0，給定值增加，其輸出增加使燃料氣閥開大，燃料氣流量增加，即交叉限幅開始。只有當空氣流量增加到一定值I1>I0時，I0被低選器選上，這時燃料氣調節(jié)器FIC2012的給定值由溫度調節(jié)器TIC2019輸出決定，交叉限幅結束，系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。即在升溫過程中，空氣流量先增加，燃料氣流量后增加，維持空燃比合理，保證完全燃燒，不會冒黑煙。

當負荷變化使爐出口溫度高于給定值時，由于TIC2019調節(jié)器為反作用，其輸出I0減小。燃料氣控制回路中，I0經(jīng)低選器TX2019A與I1比較，因I0

由以上分析可以看出，通過燃料氣控制回路的低選器TX2019A和空氣控制回路的高選器TX2019B實現(xiàn)了燃料氣量的增加滯后于空氣量的增加，燃料氣量的減少超前于空氣量的減少，解決了負荷波動時燃料氣不能完全燃燒的問題。

3.3單交叉限幅控制特點

加熱爐負荷增加時，實現(xiàn)空氣先行，燃料跟隨；加熱爐負荷降低時，燃料先行，空氣跟隨，保證燃料完全燃燒，達到了防止冒黑煙污染環(huán)境的目的。

控制系統(tǒng)在調節(jié)的動態(tài)過程中，既保證了空氣和燃料流量的合理配比，又能使空氣和燃料流量根據(jù)配比相互跟隨，保證燃料流量和空氣流量控制穩(wěn)定，提高了抗干擾能力。

4 煙氣氧含量控制(修正空燃比)

單交叉限幅控制系統(tǒng)實現(xiàn)了負荷增加時空氣先行，而負荷減小時燃料氣先行的控制，防止了冒黑煙，減少了污染。但在減負荷時，由于燃料氣先行，空氣后行，而空氣控制回路響應速度慢于燃料氣控制回路，因此會造成空氣過剩，導致熱損失增加、熱效率下降，使動態(tài)空燃比過大。

在燃燒過程中，煙道內煙氣氧含量的多少可反映燃燒狀況的好壞，即空燃比是否合適。加熱爐燃燒排煙中的氧含量隨加熱爐熱負荷的變化而變化，一般來說，負荷高時煙氣氧含量低些，負荷低時煙氣氧含量高些。實際生產過程中由于加熱爐負荷的變化，燃料氣熱值和壓力波動，或加熱爐不密封處和管道漏氣，會導致空燃比變化，故需對空燃比進行修正[1]。在單交叉限幅控制的基礎上，采用煙道內煙氣氧含量修正空燃比，對空燃比進行調整，使動態(tài)空燃比合理，燃燒處于最佳狀態(tài)。

AT2001為在線氧化鋯氧含量分析儀，用于測量煙道內煙氣的氧含量，AIC2001為煙氣氧含量調節(jié)器，其輸出為Ia(0%～100%)，空燃比修正系數(shù)K=0.8+0.8Ia，K的范圍為0.8～1.6。

當負荷變化(減負荷)時，燃料先行，空氣后行，由于空氣控制回路響應速度慢于燃料控制回路，因此會造成空氣量過剩，使實際空燃比增加，空氣過剩系數(shù)相應增大，從而使煙氣中的氧含量增加，煙氣氧含量調節(jié)器AIC2001為反作用，其輸出減小。一方面，經(jīng)FX2012D計算輸出，空氣流量調節(jié)器FIC2011給定值減小，F(xiàn)IC2011為正作用，其輸出增加，使空氣調節(jié)擋板關小，空氣量減少；另一方面，經(jīng)FX2011D計算的輸出I1增加，低選器TX2019A與I0比較，因I1>I0，故I0被選上，燃料氣流量調節(jié)器FIC2012給定值不變，故燃料氣流量保持不變，始終維持合理的空燃比。

由以上分析可以看出，用煙氣氧含量來修正空燃比，可以有效解決單交叉限幅控制在減負荷時，動態(tài)空燃比不合理的缺點，有助于單交叉限幅控制在加熱爐燃燒控制上的應用。

5 雙交叉限幅控制

單交叉限幅控制在負荷急劇變化時，會引起空氣量或燃料量變化過大，造成空氣量過剩、動態(tài)空燃比不合理的問題。為此，在單交叉限幅控制的基礎上，通過在燃料控制回路中增加高選器，在空氣控制回路中增加低選器，而構成雙交叉限幅控制(圖6)[2]，以保證負荷急劇變化時，控制系統(tǒng)仍能維持合理的空燃比。

圖6 雙交叉限幅控制系統(tǒng)框圖

雙交叉限幅的控制思想是在燃料控制回路中加入由空氣流量決定的上下限值，使燃料流量在該限定范圍內變化。同樣，在空氣控制回路中加入由燃料流量決定的上下限值，使空氣流量在該限定范圍內變化。

雙交叉限幅控制原理[2,3]是加熱爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號決定燃料流量調節(jié)器和空氣流量調節(jié)器的給定值，同時，在燃料控制回路與空氣控制回路都設有低選器和高選器。比較的參考信號是由實測的燃料流量或空氣流量換算成相應對方的允許流量，與溫度調節(jié)器輸出的要求流量進行比較后組成交叉限幅選擇控制。

燃料流量的控制。加熱爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號與實測空氣流量經(jīng)計算得出相應理想的最優(yōu)燃燒燃料流量，再加上一個正值偏移余量相比較，較低的一方信號選擇為燃料流量調節(jié)器的給定值。

空氣流量的控制。加熱爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號與實測燃料流量，再加上一個負值偏移余量相比較，較高的信號經(jīng)計算得出相應的最優(yōu)燃燒空氣流量作為空氣流量調節(jié)器的給定值。

5.1雙交叉限幅控制分析

在穩(wěn)態(tài)時，對于燃料控制回路，爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號I0(負荷所要求的燃料氣流量)大于I3(防止過氧燃燒的燃料氣流量下限值)，而小于I1(防止缺氧燃燒的燃料氣流量上限值)；對于空氣控制回路，爐出口溫度調節(jié)器的輸出信號I0小于I4(防止過氧燃燒的燃料氣流量上限值)，而大于I2(防止缺氧燃燒的燃料氣流量下限值)，燃料氣流量調節(jié)器和空氣流量調節(jié)器給定值均為I0。負荷在正常范圍內波動時，其工作過程與單交叉限幅控制相同[2]。

當負荷急劇增加時，I0急劇上升，在燃料控制回路中，因I0>I3，高選器HF選通I0，由于空氣流量響應遲緩，故I0>I1，低選器LF選通I1，作為燃料流量調節(jié)器的給定值，燃料流量給定值按I1緩緩上升，使燃料流量變化平穩(wěn)；同時在空氣控制回路中，因I0>I4，低選器LA選通I4，又因I4>I2，高選器HA選通I4，作為空氣流量調節(jié)器的給定值，空氣流量給定值按I4緩緩上升，使空氣流量變化平穩(wěn)，即交叉限幅開始。當I1增加到I1>I0時，低選器LF選通I0，作為燃料流量調節(jié)器的給定值，當I4增加到I4>I0時，低選器LA選通I0，作為空氣流量調節(jié)器的給定值，交叉限幅結束，系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，負荷變化過程結束。在這個過程中，燃料流量和空氣流量互相影響交替增加。可見，I1和I4分別給燃料流量調節(jié)器和空氣流量調節(jié)器給定值一個增量，使調節(jié)器的給定值既受到限幅，又交叉上升。

當負荷急劇減小時，I0急劇下降，在燃料控制回路中，由于空氣流量響應遲緩，故I0

由以上分析可以看出，雙交叉限幅控制在負荷急劇升降過程中，不但根據(jù)實測空氣流量對燃料流量進行上、下限幅，而且還根據(jù)實測燃料流量對空氣流量進行上、下限幅，燃料和空氣同時受限，保持空燃比合理，使空氣過剩系數(shù)穩(wěn)定在最佳范圍，使燃燒過程既不冒黑煙，又不使空氣大量過剩。因此，雙交叉限幅控制在穩(wěn)態(tài)(負荷穩(wěn)定)和動態(tài)(負荷急劇變化)都能維持合理的空燃比，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。

5.2雙交叉限幅控制特點

加熱爐負荷急增時，空氣流量和燃料流量調節(jié)系統(tǒng)相互限制了流量增加的速度，設置K4>K1(圖6),當增加燃料量時，將空氣量多增加一些，不致出現(xiàn)燃料過剩而冒黑煙。

加熱爐負荷急減時，空氣流量和燃料流量調節(jié)系統(tǒng)相互限制了流量減少的速度，設置K3>K2(圖6)，當減少燃料量時，將燃料量多減少一些，維持合理的空氣過剩系數(shù)。

其中K1、K2、K3和K4為偏置常數(shù)，要根據(jù)實際情況和控制要求在調試中確定。

6 結束語

單、雙交叉限幅控制優(yōu)點是升負荷(升溫)時，空氣先行，燃料跟隨；降負荷(降溫)時，燃料先行，空氣跟隨，防止冒黑煙污染環(huán)境，不僅在穩(wěn)態(tài)時能保持空燃比合理，而且動態(tài)時也能保持空燃比合理，特別是雙交叉限幅控制效果更好。交叉限幅控制實現(xiàn)了加熱爐燃燒過程的經(jīng)濟性和合理性要求，使加熱爐燃燒控制水平大幅提高，這對節(jié)約能源，減少污染，改善環(huán)境起到了積極的作用，值得在石油化工裝置中加熱爐燃燒控制領域推廣應用。

[1] 于寶全.單交叉限幅控制技術在熱載體加熱爐上的應用[J].石油化工化纖,2000,(3):16～19.

[2] 唐潔.簡談加熱爐雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)工作原理[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,1998,(6):20～22.

[3] 周桂鋒.交叉限幅控制在加熱爐中的應用[J].自動化與儀器儀表,2008,(5):24～25.

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ApplicationofCrossLimitingControlinAtmosphericandVacuumFurnace

LANG Wei-wei1, WANG Xin2

(1.PlasticPlant,CNPCDaqingPetrochemicalCorporation,Daqing163714,China; 2.EquipmentManagementCenter,CNPCGuangdongPetrochemicalCorporation,Jieyang515200,China)

Taking atmospheric and vacuum furnace as an example, both principle and engineering design of single-cross and dual-cross limiting control were introduced, including the details of their implementation and making use of oxygen content to modify air-fuel ratio.

cross limiting control, heating furnace, combustion control, air-fuel ratio

TH862

A

1000-3932(2016)10-1015-07

2016-07-14(修改稿)