CN102865752A - 加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制的方法 - Google Patents

Abstract

加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制的方法，属于石化行业加热炉控制领域，其特征在于该方法是在一个由加热炉各控制站组成的分布式控制系统DCS、一个数据通讯服务器OPC以及一个信息管理中心的APC服务器通过以太网构成的网络控制系统中实现的，根据各支路炉管所需调整的进料分配量来调整各支路进料流量控制器的设定值，使各支路炉管出口温度接近相等，实现均衡控制；并在此基础上，在负荷改变时根据负荷调整量、调整时间得到各次调整速度，据此得到各次调整时需支路炉管进行的比例系数，来自动分段调整各支路炉管进料流量控制器的设定值，据此实现总负荷调整。本发明实现了加热炉长时间内的稳定平衡控制，保证了炉出口温度均衡性。

Description

加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制的方法

技术领域

本发明属于石化工业加热炉控制技术领域。

背景技术

随着工业化的发展，石油作为重要的能源形式，带动了石油炼制、石油化工等整个石化行业的发展。而加热炉在整个石化行业生产中占有十分重要的地位，是生产装置的关键热能设备，在几乎所有的石化装置中都有使用，如常减压蒸馏装置、乙烯裂解装置、煤化工MTP装置、延迟焦化装置，等。同时它也是石化装置的耗能大户，对节能减排起到关键作用。

加热炉的控制效果直接影响到产品质量和分布、分离效果或反应深度等。其中，加热炉炉出口温度是加热炉的关键操作变量，它反映炉膛燃烧的运行状况，与蒸馏装置的产品收率息息相关。因受燃料热值、进料流量、进料温度等众多干扰因素的影响，加热炉的温度控制一直是操作中的重点控制变量。

为了降低炉管压降和节能，使原料受热均匀，加热炉多采用多路炉管设计。尽管加热炉内各组炉管和烧嘴是按几何对称布置的，但往往因各烧嘴燃料以及送风量等不均衡而出现“偏火”现象，致使各组炉管进料在炉内吸收热量不均衡，最终导致各组炉管的出口温度不均衡，大大增加了炉管结焦的可能性，缩短了炉管的使用寿命，因此必须对支路炉管温度实施支路温度均衡控制，使加热炉的各支路温差最小，接近炉出口平均温度。同时加热炉的负荷也经常随生产情况的变化而调整，造成加热炉运行操作特性的改变，对出口及支路温度带来扰动，这也是加热炉温度控制中需要考虑的因素。

一般情况下，加热炉炉出口温度通过调节燃料系统进行控制，而支路温度均衡则通过调节支路炉管的进料流量来控制。目前的控制方法大多是根据每一支路炉管出口温度来调整所在支路的进料流量控制器的设定值，通过调整各支路流量使得各组炉管的出口温度接近相等。在已授权的发明专利——《加热炉出口温度的一种综合控制方法》中，针对两种燃料气从能量平衡的角度出发，提出了加热炉出口温度的综合控制方法。其中的支路均衡控制方法即采用了上述所提到的思路。但这种方法没有考虑到在正常调节时，加热炉的负荷是不变的要求，因而在实施时，当一支路炉管的进料发生变化时，必然会自动影响到其他支路的进料量，从而使得支路之间存在严重的耦合关系，控制效果差，达不到预期的目的。

基于此，针对加热炉的多组炉管出口温度均衡控制及负荷调整的要求，北京世纪隆博科技有限责任公司提出“加热炉炉出口温度均衡和负荷控制方法”的发明专利申请。本发明首先通过核算，计算出各支路炉管所需调整的进料分配量，然后基于该分配量调整支路进料流量控制器的设定值，动态调整相应支路所对应的进料，使各支路的热焓尽可能均衡，从而使支路出口温度接近相等，达到各组支路支路温度均衡；同时，考虑到工艺要求改变负荷（提升/降低负荷）的情况，提出负荷控制方法，在支路温度均衡控制的基础上，自动分段完成负荷的调整，减少对炉出口温度的影响，保证加热炉的平稳运行。

本发明考虑了炉出口温度多方面的影响与关联因素，针对相关的多个控制要求，将各种控制方案联系在一起，可进一步保证加热炉的平稳运行，延长其运行时间，避免受热不均，降低炉管结焦的可能性，提高加热炉的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，解决常规支路温度均衡控制方法实施时各支路炉管进料严重耦合、效果差以及在加热炉总负荷发生改变时采用手工控制所带来的加热炉长时间运行不平稳的问题。

本发明的特征在于，是在一个由加热炉各控制站组成的分布式控制系统DCS、一个数据通讯服务器OPC以及一个信息管理中心的APC服务器共同构成的网络控制系统中实现的。其中：所述分布式控制系统DCS由多个控制站分布组成；所述的OPC服务器通过工业以太网与所述分布式控制器DCS相连，从所述分布式控制器DCS上采集数据信息；所述APC服务器通过工业以太网与所述OPC服务器相连，从所述的OPC服务器上获取数据信息，根据所述的数据信息输出参数；所述的OPC服务器，通过工业以太网从所述的APC服务器上获取参数，并将所述的参数通过工业以太网传送至所述的分布式控制系统DCS中。所述加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制方法依次按以下步骤实现：

步骤（1）在加热炉负荷不变条件下，加热炉支路温度均衡：

步骤（1.1）加热炉各支路炉管的温度传感器把所在支路炉管的出口温度T经以太网

按TCP/IP协议输入到所述OPC服务器；

步骤（1.2）加热炉各支路炉管的进料流量计把所在支路炉管的进料流量F_n按步骤

（1.1）所述方法输入到所述OPC服务器；

步骤（1.3）所述APC服务器从所述OPC服务器中收到步骤（1.1）~步骤（1.2）的测量数据后，按以下步骤进行加热炉各支路温度的均衡控制：

步骤（1.3.1）计算出各支路炉管的平均出口温度T₀；

步骤（1.3.2）找出所有支路炉出口温度中的最大值T_max与最小值T_min，以及最大出口温度炉管的进料流量F_T.max；

步骤（1.3.3）按下式计算所述最大出口温度的炉管的流量调节值a：

$a=\frac{F_{T.\max }}{10T_{\max }}(T_{\max }-T_0)$

若：a>0.06F_T.max，则取a=0.06F_T.max

步骤（1.3.4）计算所述最大出口温度的炉管与最小出口温度的炉管各自所对应的流量控制器的设定值。

所述最大出口温度的炉管所对应的流量控制器的调节后的进料流量设定值为F_T.max.SV+a；

所述最小出口温度的炉管所对应的流量控制器的调节后的进料流量设定值为F_T.min.SV-a，F_T.min为最小出口温度的炉管的进料流量；

步骤（1.3.5）所述APC服务器把计算的新值F_T.max.SV+a、F_T.min.SV-a通过所述OPC服务器送入所述的分布式控制系统DCS中，分别作为最大出口温度的炉管与最小出口温度的炉管各自所对应的流量控制器的设定值。

步骤（1.4）重复步骤（1.1）~步骤（1.3），直到支路炉管中的最大出口温度与所述平均温度T0的偏差小于2°C，同时要满足以下条件：支路流量控制器的设定值上限为当前进料总流量的1.1倍，下限为当前进料总流量的0.9倍；

步骤（2）加热炉的负荷控制方法，所述APC服务器依次执行以下步骤：

步骤（2.1）所述协调系统自动切断支路温度均衡控制的调节；

步骤（2.2）设定：总负荷的调整量Δh和期望的过渡时间Δs，按下式得到所述总负荷的调整速度v：

v=Δh/Δs，Δs：单位为秒

步骤（2.3）按下式计算每次调整负荷时分配到所述各支路炉管中进料的比例系数k_n：

$k_n=F_n.\mathrm{PV}/\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n.\mathrm{PV}$

其中，F_n.PV为控制器控制下所述各支路炉管的实际进料量，n=1,2,…,N，N为加热炉的炉管个数；

步骤（2.4）按下式计算所述各支路炉管进料流量控制器的进料流量设定值的改变量Δh_n：

Δh_n=k_n*v

步骤（2.5）按下式计算每次调整加热炉负荷时，各支路炉管流量控制器的设定值F_n′.SV:

F_n′.SV=F_n.SV+Δh_n  (n=1,2,…,N)

其中，F_n.SV为所述各支路炉管的流量控制器在每次调整前的设定值，F_n′.SV为每次调整后的设定值；

步骤（2.6）所述APC服务器把所述的各支路炉管流量控制器的设定值

F_n′.SV(n=1,2,…,N)通过所述OPC服务器送入所述的分布式控制系统DCS中，作为各支路炉管进料流量控制器的设定值。

步骤（2.7）重复步骤（2.3）~步骤（2.6），直至达到加热炉总负荷的调整量Δh为止；本发明具有以下四项技术效果：

（1）在DCS上采用现有模块建立加热炉炉出口温度均衡与负荷控制系统，进行控制系统的组态和连接以及控制语言和控制逻辑的编制，充分发挥了DCS的操作潜力。

（2）结合加热炉的工艺操作特性和要求，在实现支路温度均衡控制的同时，能够自动调整进料量，使进料总量缓慢趋向不变。该方案还进一步考虑了当工艺要求改变负荷的情况，设计了负荷控制系统，使之能够自动分段完成负荷的调整，减少操作人员的工作量和对加热炉的扰动，保证加热炉的平稳操作。

（3）方案的实施，进一步保证了加热炉的平稳运行，延长其运行时间，降低炉管结焦的可能性，从而提高加热炉的效率。

（4）支路温度均衡控制方案充分考虑了系统稳定的要求，以及存在的滞后性，方案中逐步分配调节量，巧妙消除彼此间的耦合作用，在保证调节与响应速度的前提下，确保系统的稳定。

附图说明

图1为加热炉炉出口温度均衡与负荷控制系统组态示意图。

图2为支路温度均衡控制方法流程图。

图3为负荷控制方法流程图。

图4为IMC-PID控制系统结构图。

图5为本发明的程序流程框图。

具体实施方式

本发明结合加热炉的支路温度与进料系统，包含支路温度均衡控制以及负荷控制，各部分的控制关系及方法如下：

（1）支路温度均衡控制方法

在进料负荷不变的情况下，根据各支路炉管出口温度及其管内物料所含的热焓适当调整进料量。支路温度均衡控制系统以N个支路炉管的出口温度作为输入，通过计算得到的N个输出分别作为N个进料流量控制器的设定值。

支路温度均衡系统首先计算出各支路炉管所需调整的进料分配量，然后通过调整支路中最大温度与最小温度炉管的进料流量控制器的设定值，来均衡总烃不变情况下，动态调整相应炉管所对应的进料流量，从而使该支路出口温度接近设定值，达到各组炉管支路温度均衡。具体来讲，其实现有以下步骤：

①以加热炉各支路炉管的炉出口温度的平均值作为炉管平均温度，记为T₀；

②找出所有支路炉管出口温度中的最大值T_max与最小值T_min，以及最大出口温度炉管的进料流量F_T.max；

③根据下式，计算出最大出口温度炉管的流量调节值a

$\frac{T_{\max }-T_0}{\mathrm{\ΔF}}=\frac{T_{\max }}{F_{T.\max }}\⇒\mathrm{\ΔF}=\frac{F_{T.\max }}{T_{\max }}(T_{\max }-T_0)$

其中ΔF为最大出口温度所在支路炉管的进料流量调整量的理论值

$a=\mathrm{\ΔF}/10=\frac{F_{T,\max }}{10T_{\max }}(T_{\max }-T_0)$

If a>0.06F_T.max then a=0.06F_T.max

在实际操作中，不希望进料流量控制器的设定值改变太大，对生产带来不必要的扰动，因此，对每次的调整量设定上限值，使之最大不超过最大温度炉管的进料流量F1的6%；

④将a分配到最大出口温度与最小出口温度炉管所对应的流量控制器的设定值上。

if T_max-T₀>2then

F_T.max.SV+a

F_T.min.SV-a

重复上述过程②~④，直至炉管的最大温度与平均温度的偏差小于2℃。

此外，考虑到温度对象的滞后性，对于进料流量控制器的最终设定值也要做出约束，防止因调整过度而造成温度系统调节失衡。在此，设定进料流量控制器的上限值为进料总流量的1.1倍，下限值为进料总流量的0.9倍。

（2）负荷控制方法

负荷控制：当工艺要求负荷改变（提升/降低负荷）时，由负荷控制系统设定进料流量控制器的设定值，负荷控制系统将自动分段完成负荷的调整，减少对炉出口温度的影响，保证加热炉的平稳运行。

负荷控制是一个比较复杂的过程，涉及的因素很多，过去都是手工谨慎地逐步提减量，如操作不好，会使炉出口温度长时间、大范围变化。我们采取自动负荷平稳控制，当工艺要求改变负荷时，负荷控制系统将投入运行，自动分段完成负荷的调整。此时，负荷控制系统以负荷调整量、负荷调整时间以及N个支路的烃流量作为输入，通过计算得到的N个输出分别作为N个烃流量控制器的设定值。

负荷控制系统根据负荷的改变量以及期望的过渡时间（从原来的负荷调整到新负荷所需的时间），系统自动按斜波函数调整负荷设定值，使之能够平稳到达新的负荷状态，减少对各支路炉管出口温度的影响。其具体步骤为：

①设定总负荷的调整量Δh和期望的过渡时间Δs，并计算出总负荷的调整速度（即：每秒改变的负荷量）：v=Δh/Δs

②计算每次调整负荷时，分配到各个支路炉管进料的比例系数。

$k_n=\frac{F_n.\mathrm{PV}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n.\mathrm{PV}},(n=\mathrm{1,2},...,N)$

其中，F_n.PV为各支路炉管的进料量。

③计算分配到各个支路炉管进料流量控制器的设定值的改变量。

Δh_n=k_n*v    (n=1,2,…,N)

④计算每次调整负荷时，进料流量控制器的设定值。

F_n′.SV=F_n.SV+Δh_n  (n=1,2,…,N)

重复第②~④步，直到负荷调整完成。

所举实施例加热炉有N=4支路炉管，相应地具有4个支路的进料，以及4个支路的炉出口温度。各参数如下：

其中，4个进料控制器分别为：FIC1001~FIC1004。

参照图1，加热炉炉出口温度均衡与负荷控制系统包括支路温度均衡控制系统以及负荷控制系统。其具体控制方法为：

（1）当加热炉负荷不变时，由支路温度均衡控制系统设定4个进料流量控制器的设定值。具体计算过程结合图2进行说明。

①通过最大/最小选择模块得到第1支路炉管的温度最大，为828℃，对应的进料流量为5989KG/H；第4支路炉管的温度最低，为820℃，4组炉出口温度的平均值为824℃；

②通过设定值调整量计算模块得到设定值的调整量，公式如下：

$\frac{828-824}{\mathrm{\ΔF}}=\frac{828}{5989}$

可得：a=ΔF/10=2.8

③通过进料流量控制器设定值计算模块，得到各进料流量控制器的设定值，如下：

第1支路炉出口温度最大，在进料流量控制器原有设定值基础上加上调整量；

第4支路炉出口温度最小，在进料流量控制器原有设定值基础上减去调整量a；

第2,3支路进料流量控制器则保持原有设定值不变。

④重复上述过程②~③，直至炉管的最大温度与平均温度的偏差小于2℃。

由于1支路炉管的进料不断增加，其出口温度将逐步减低；4支路炉管的进料不断减少，其出口温度将逐步增大，同时在进料调整上，兼顾了增量和降量，因此能够保持加热炉负荷不变。

（2）负荷控制系统

当工艺要求加热炉负荷改变时，由负荷控制系统设定4个进料流量控制器的设定值，此时，支路温度均衡控制系统被切断。具体计算过程结合图3进行说明。

①操作人员输入负荷调整量Δh=300KG/h和期望的过渡时间t=1000s，基准调整速率计算模块将计算出总负荷的调整速度（即：每秒改变的负荷量）：

v=Δh/t=300/1000=0.3KG/h/s

②支路调整系数计算模块根据总负荷调整前一时刻4组炉管的进料量，计算出每次调整负荷时，分配到各个支路炉管进料的比例系数，计算公式及结果如下：

$k_1=\frac{F_1.{\mathrm{PV}}_1}{F_1.{\mathrm{PV}}_1+F_2.{\mathrm{PV}}_2+F_3.{\mathrm{PV}}_3+F_4.{\mathrm{PV}}_4}=0.26$

$k_2=\frac{F_2.{\mathrm{PV}}_2}{F_1.{\mathrm{PV}}_1+F_2.{\mathrm{PV}}_2+F_3.{\mathrm{PV}}_3+F_4.{\mathrm{PV}}_4}=0.24$

$k_3=\frac{F_3.{\mathrm{PV}}_3}{F_1.{\mathrm{PV}}_1+F_2.{\mathrm{PV}}_2+F_3.{\mathrm{PV}}_3+F_4.{\mathrm{PV}}_4}=0.25$

$k_4=\frac{F_4.{\mathrm{PV}}_4}{F_1.{\mathrm{PV}}_1+F_2.{\mathrm{PV}}_2+F_3.{\mathrm{PV}}_3+F_4.{\mathrm{PV}}_4}=0.25$

③通过支路负荷调整量计算模块，计算分配到各个支路炉管进料流量控制器的设定值的改变量。

Δh₁=k₁*v=0.26*0.3=0.078   Δh₂=k₂*v=0.24*0.3=0.072

Δh₃=k₃*v=0.25*0.3=0.075   Δh₄=k₄*v=0.25*0.3=0.075

④进料流量控制器设定计算模块计算出，每次调整负荷时，进料流量控制器的设定值。

F₁.SV=F₁.SV+Δh₁   F₂.SV=F₂.SV+Δh₂

F₃.SV=F₃.SV+Δh₃   F₄.SV=F₄.SV+Δh₄

重复第②~④步，直到负荷调整完成。负荷控制系统将在指定的时间内完成负荷的调整。

如图2~4所示的控制模块，全部在DCS（横河DCS系统）的FCS上实现控制系统的组态和连接以及控制语言和控制逻辑的编制。在加热炉炉出口温度均衡与负荷控制系统建立完成后，需在实际生产装置上进行实际投运，并进行控制器参数的现场调试，最终实现支路温度均衡及负荷调整控制。

Claims (1)

1.加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制的方法其特征在于：是在一个由加热炉各控制站组成的分布式控制系统DCS、一个数据通讯服务器OPC以及一个信息管理中心的先进控制APC服务器共同构成的网络控制系统中实现的，其中：所述分布式控制系统DCS由多个控制站分布组成；所述的OPC服务器通过工业以太网与所述分布式控制器DCS相连，从所述分布式控制器DCS上采集数据信息；所述APC服务器通过工业以太网与所述OPC服务器相连，从所述的OPC服务器上获取数据信息，根据所述的数据信息输出参数；所述的OPC服务器，通过工业以太网从所述的APC服务器上获取参数，并将所述的参数通过工业以太网传送至所述的分布式控制系统DCS中，所述加热炉支路温度均衡与加热炉负荷控制方法依次按以下步骤实现：

步骤（1）在加热炉负荷不变条件下，加热炉支路温度均衡：

步骤（1.1）加热炉各支路炉管的温度传感器把所在支路炉管的出口温度T经以太网

按TCP/IP协议输入到所述OPC服务器；

步骤（1.2）加热炉各支路炉管的进料流量计把所在支路炉管的进料流量F_n按步骤

（1.1）所述方法输入到所述OPC服务器；

步骤（1.3）所述APC服务器从所述OPC服务器中收到步骤（1.1）~步骤（1.2）的测量数据后，按以下步骤进行加热炉各支路温度的均衡控制：

步骤（1.3.1）计算出各支路炉管的平均出口温度T₀；

步骤（1.3.2）找出所有支路炉出口温度中的最大值T_max与最小值T_min，以及最大出口温度炉管的进料流量F_T.max；

步骤（1.3.3）按下式计算所述最大出口温度的炉管的流量调节值a：

$a=\frac{F_{T.\max }}{10T_{\max }}(T_{\max }-T_0)$

若：a>0.06F_T.max，则取a=0.06F_T.max；

步骤（1.3.4）计算所述最大出口温度的炉管与最小出口温度的炉管各自所对应的流量控制器的设定值：

所述最大出口温度的炉管所对应的流量控制器的调节后的进料流量设定值为F_T.max.SV+a；

所述最小出口温度的炉管所对应的流量控制器的调节后的进料流量设定值为F_T.min.SV-a，F_T.min为最小出口温度的炉管的进料流量；

步骤（1.3.5）所述APC服务器把计算的新值F_T.max.SV+a、F_T.min.SV-a通过所述OPC服务器送入所述的分布式控制系统DCS中，分别作为最大出口温度的炉管与最小出口温度的炉管各自所对应的流量控制器的设定值。

步骤（1.4）重复步骤（1.1）~步骤（1.3），直到支路炉管中的最大出口温度与所述平均温度T₀的偏差小于2°C，同时要满足以下条件：支路流量控制器的设定值上限为当前进料总流量的1.1倍，下限为当前进料总流量的0.9倍；

步骤（2）所述APC服务器从所述OPC服务器中测得加热炉的设定负荷发生变化时，所述APC服务器依次执行以下加热炉的负荷控制步骤：

步骤（2.1）通过由继电器开关电路构成的协调装置自动切断支路温度均衡控制的调节；

步骤（2.2）设定：总负荷的调整量Δh和期望的过渡时间Δs，按下式得到所述总负荷的调整速度v：

v=Δh/Δs，Δs：单位为秒

步骤（2.3）按下式计算每次调整负荷时分配到所述各支路炉管中进料的比例系数k_n：

$k_n=F_n.\mathrm{PV}/\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n.\mathrm{PV}$

其中，F_n.PV为控制器控制下所述各支路炉管的实际进料量，n=1,2,…，N，N为加热炉的炉管个数；

步骤（2.4）按下式计算所述各支路炉管进料流量控制器的进料流量设定值的改变量Δh_n：

Δh_n=k_n*v

步骤（2.5）按下式计算每次调整加热炉负荷时，各支路炉管流量控制器的设定值F_n′.SV:

F_n′.SV=F_n.SV+Δh_n，其中：n=1,2,…,N

F_n.SV为所述各支路炉管的流量控制器在每次调整前的进料量设定值，F_n′.SV为每次调整后的进料量设定值；

步骤（2.6）所述APC服务器把所述的各支路炉管流量控制器的设定值F_n′.SV，n=1,2,…,N通过所述OPC服务器送入所述的分布式控制系统DCS中，作为各支路炉管进料流量控制器的设定值。

步骤（2.7）重复步骤（2.3）~步骤（2.6），直至达到加热炉总负荷的调整量Δh为止。

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