王朝陽，李宏光，肖寒

(中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司吉林石化分公司 煉油廠，吉林 吉林 132021)

在煉化行業(yè)，加熱爐常規(guī)控制方案往往采用以爐出口介質(zhì)溫度作為被控變量串級(jí)控制燃料流量控制閥的簡(jiǎn)單控制回路，氧含量控制通常是由鼓風(fēng)機(jī)入口供風(fēng)調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩個(gè)控制回路相互獨(dú)立，通常是燃料調(diào)節(jié)在前，氧含量調(diào)節(jié)相對(duì)滯后，因而氧含量波動(dòng)大，無法實(shí)現(xiàn)低氧控制，加熱爐過剩空氣系數(shù)偏高[1]?！凹訜釥t空燃比耦合控制技術(shù)”也稱作“加熱爐交叉限制復(fù)雜控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是將燃料和空氣量并列作為被控變量的復(fù)雜串級(jí)控制系統(tǒng)[2-3]。其中，燃料量和空氣量各具有2個(gè)邏輯選擇器，兩者之間形成一個(gè)相互的、動(dòng)態(tài)的約束控制，使該控制系統(tǒng)能夠保證空氣和燃料在最佳燃燒比值狀態(tài)，同時(shí)裝置負(fù)荷變化過程中，也能盡量維持空氣、燃料配比處于加熱爐空燃比耦合控制范圍內(nèi)[4-5]。在不對(duì)加熱爐硬件設(shè)施進(jìn)行技改的基礎(chǔ)上，加熱爐耦合控制技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)有加熱爐提高燃燒效率、節(jié)能降耗、減少不合格排放的重要手段[6]。加熱爐控制邏輯對(duì)比如圖1所示。

圖1 加熱爐控制邏輯對(duì)比示意

1 空燃比耦合控制基本原理

某煉油廠聯(lián)合芳烴裝置二甲苯塔再沸爐(BA 601，BA 602)為二甲苯精餾系統(tǒng)提供再沸熱源，屬于立式圓筒加熱爐，主要燃料以煉油廠瓦斯、天然氣為主，燃料缺口較大時(shí)可以增補(bǔ)氣分丙烷，2臺(tái)爐設(shè)計(jì)熱負(fù)荷均為41.39 MW，燃料消耗在6×104t/a以上，是裝置的主要耗能設(shè)備。加熱爐優(yōu)化后控制邏輯如圖2所示。

圖2 加熱爐優(yōu)化后控制邏輯示意

加熱爐空燃比耦合控制系統(tǒng)基本控制原理是測(cè)量工藝側(cè)被加熱介質(zhì)的差壓，換算為加熱爐所需燃料的質(zhì)量流量，與空燃比運(yùn)算模塊1計(jì)算得到的總?cè)剂腺|(zhì)量流量進(jìn)行低選后，作為總?cè)剂腺|(zhì)量流量的設(shè)定值。工藝側(cè)被加熱介質(zhì)的質(zhì)量流量與實(shí)際工況中的燃料質(zhì)量流量經(jīng)過高選后，由空燃比運(yùn)算模塊2計(jì)算出空氣用量用于控制空氣側(cè)強(qiáng)制供風(fēng)流量。其基本原則是滿足在提高加熱爐負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先提高供風(fēng)量；在降低加熱爐負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先降低燃料量，從而始終保持空氣量有一定的過剩，確保燃燒過程合理充分。

空燃比運(yùn)算包括3個(gè)運(yùn)算模塊： 燃料側(cè)運(yùn)算模塊(空燃比運(yùn)算模塊1)、空氣側(cè)運(yùn)算模塊(空燃比運(yùn)算模塊2)、加熱爐燃料總量校正模塊?？杖急冗\(yùn)算模塊1將來自FY 26的實(shí)際空氣流量除以理想空燃比C換算得到燃料側(cè)所需要的理論燃料質(zhì)量流量，計(jì)算如式(1)所示：

qmHY25A=qVFY26/C

(1)

式中：qVFY26——實(shí)際空氣流量，m3/h；qmHY25A——根據(jù)實(shí)際風(fēng)量計(jì)算的理論燃料質(zhì)量流量，kg/h。

空燃比運(yùn)算模塊2將來自FY 25的實(shí)際燃料質(zhì)量流量乘以C換算得到供風(fēng)側(cè)所需要的理論風(fēng)量，計(jì)算如式(2)所示：

qVHY25B=qmFY25C

(2)

式中：qmFY25——實(shí)際燃料質(zhì)量總流量，kg/h；qVHY25B——根據(jù)實(shí)際燃料量計(jì)算的理論風(fēng)量，m3/h。

考慮到加熱爐燃料來源主要有煉油廠瓦斯和天然氣，二者比例調(diào)整比較頻繁。而燃料理論空燃比與高位熱值之間呈近似線性關(guān)系[7]，煉油廠瓦斯的平均熱值為44.51 MJ/kg，天然氣平均熱值為42.16 MJ/kg，因此根據(jù)實(shí)際情況以煉油廠瓦斯熱值為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)加熱爐燃料總量校正計(jì)算如式(3)所示：

qmFY25=qmFI23+0.95qmFI01

(3)

式中：qmFI23——瓦斯質(zhì)量流量，kg/h；qmFI01——天然氣質(zhì)量流量，kg/h。

上述計(jì)算過程中涉及到的C值，可根據(jù)加熱爐燃料組成變化、環(huán)境溫度及加熱爐負(fù)荷變化等，人工后期手動(dòng)輸入調(diào)整，確保加熱爐在比較理想的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。C值設(shè)置上下限位，并且每次調(diào)整(增加或降低)幅度為0.1，防止C值變化過快、過大給加熱爐運(yùn)行造成不必要的波動(dòng)。

2 加熱爐空燃比耦合控制方案

該裝置DCS采用日本橫河的CS3000系統(tǒng)。根據(jù)圖2所示的控制邏輯，在工程師站重新編寫和下裝了加熱爐控制回路，從而實(shí)現(xiàn)了加熱爐控制回路按照空燃比進(jìn)行優(yōu)化控制。當(dāng)需要降低加熱爐負(fù)荷時(shí)，加熱爐出口介質(zhì)差壓(PDC 01)設(shè)定值降低，通過差壓與空燃比運(yùn)算模塊1進(jìn)行低選，然后串級(jí)控制燃料總流量(FC 25)。該總流量為燃料氣流量(FC 23)、天然氣流量(FIQBA 601)等進(jìn)行等熱值換算之和，串級(jí)控制燃料氣流量回路調(diào)整燃料供應(yīng)。同時(shí)，設(shè)置燃料氣流量控制供風(fēng)調(diào)節(jié)回路，設(shè)置燃料氣流量和天然氣流量分別通過各自空燃比計(jì)算出所需空氣流量(理想空氣量)，作為加熱爐引風(fēng)機(jī)(GB 601A)入口空氣流量控制回路(FC 26)的設(shè)定值，達(dá)到降低供風(fēng)量的目的。提高加熱爐負(fù)荷時(shí)，先增大加熱爐供風(fēng)量，通過介質(zhì)差壓(PDC 01)與燃料總流量(FY 25)通過高選器比選后，作為空燃比運(yùn)算模塊2的輸入，通過空燃比運(yùn)算模塊計(jì)算最佳風(fēng)量作為供風(fēng)控制回路的設(shè)定值，從而提高供風(fēng)量，再通過空燃比運(yùn)算模塊1運(yùn)算后將最佳燃料消耗量作為燃料控制回路設(shè)定值調(diào)整燃料供應(yīng)，直至壓差達(dá)到設(shè)定值。

3 實(shí)施效果分析與討論

加熱爐耦合控制優(yōu)化前后主要數(shù)據(jù)對(duì)比見表1所列。

表1 加熱爐耦合控制優(yōu)化前后主要數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 操作穩(wěn)定性分析

通過表1數(shù)據(jù)對(duì)比可知，優(yōu)化前后加熱爐主要控制參數(shù)中，被加熱介質(zhì)差壓明顯趨于穩(wěn)定，更有利于二甲苯精餾塔穩(wěn)定操作，使得產(chǎn)品質(zhì)量更加趨于穩(wěn)定。

3.2 加熱爐節(jié)能效果分析

采用新的加熱爐控制系統(tǒng)后，氧體積分?jǐn)?shù)根據(jù)空燃比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從表1可以看出BA 601爐氧體積分?jǐn)?shù)平均值由優(yōu)化前的2.49%降低至優(yōu)化后的1.97%，降低了0.52%，加熱爐熱效率提升0.15%。BA 602爐氧體積分?jǐn)?shù)平均值由優(yōu)化前的2.58%降低至優(yōu)化后的2.15%，加熱爐熱效率提升0.12%。由于穩(wěn)定運(yùn)行和效率提升，燃料消耗有所降低，其中BA 601爐燃料消耗的平均值由3 333.04 kg/h降低至3 291.77 kg/h，燃料消耗降低41.27 kg/h，每年減少燃料消耗361.5 t；BA 602爐燃料消耗降低了29.19 kg/h，每年減少燃料消耗255.7 t。2臺(tái)加熱爐預(yù)計(jì)每年可實(shí)現(xiàn)燃料成本降低133.9萬元人民幣。

3.3 加熱爐鼓風(fēng)機(jī)能耗分析

從表1可以看出，優(yōu)化前后加熱爐供風(fēng)量明顯下降，其中BA 601爐供風(fēng)量降低了4.05 km3/h，節(jié)約電耗7.92 kW。BA 602爐供風(fēng)量降低了2.96 km3/h，節(jié)約電耗5.28 kW。2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)合計(jì)每年可節(jié)電1.16×105kW·h，相當(dāng)于每年節(jié)約用電成本7.86萬元人民幣。

4 結(jié)束語

通過對(duì)二甲苯加熱爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃料用量和供風(fēng)量按最佳空燃比實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了加熱爐差壓的串級(jí)控制，大幅提高了二甲苯精餾塔操作的穩(wěn)定程度，加熱爐出口介質(zhì)差壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差下降幅度分別為46.25%和53.68%。精餾塔產(chǎn)品中各組分的平均偏差下降幅度11.11%。加熱爐熱效率分別提升0.15%和0.12%。由于加熱爐熱效率的提升和二甲苯精餾系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的改善，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約燃料617.2 t，節(jié)電1.16×105kW·h，可降低成本費(fèi)用141.8萬元人民幣。