CN104101105A - 一种原油加热炉温度的复合控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于本方法在加热炉串级控制和支路温度平衡模型预测控制基础上，通过加热炉出口温度设定点调节器对炉出口温度设定值T_sp进行调节。本发明还公开了一种原油加热炉温度的复合控制装置，包括可编程逻辑控制器、加热炉各支路原油流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计、炉燃料流量计、支路原油量调节阀、燃料量调节阀和监控计算机，所述监控计算机上安装有加热炉支路温度平衡先进控制器，以及加热炉炉出口温度设定点调节器。本发明能在原油品种多样、性质多变的情况下，稳定加热炉的出口温度，实现各支路出口温度平衡，还能降低能耗，增加企业经济效益。

Description

一种原油加热炉温度的复合控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及的是一种自动控制技术领域，尤其涉及的是一种原油加热炉温度的复合控制方法及其装置。

背景技术

原油加热炉在炼化企业中的主要作用是加热常压塔的进油，是炼化企业能耗最大的装置。原油加热炉出口温度的控制十分重要。一般来说，加热炉出口温度的设定值不宜频繁更改，否则容易造成生产波动；但在油种改变，性质发生变化的情况下，则需要微调出口温度。这样一方面有利于适应新油种的加工，另一方面也有利于企业的节能降耗。常规的控制方法主要是加热炉的炉膛温度与炉出口温度构成的串级控制，部分较为先进的控制方法是采用了支路温度平衡模型预测控制。但上述方法均以固定的出口温度设定点为目标，在原油品种频繁变化、能耗矛盾日益突出的今天，尚不能实现通过优化炉出口温度达到节能降耗的生产目标。

发明内容

本发明提供了一种原油加热炉的复合控制方法及其装置，在加热炉串级控制和支路温度平衡模型预测控制基础上，对炉出口温度设定值进行调节，从而在原油品种和性质发生变化的情况下，既满足了加热炉出口温度平稳、支路温度均衡的要求，又达到了企业节能降耗的目标，提高了企业经济效益和社会效益。

技术方案：

一种原油加热炉温度的复合控制方法，本方法在加热炉串级控制和支路温度平衡模型预测控制基础上，通过加热炉出口温度设定点调节器对炉出口温度设定值T_sp进行调节，调节方法基于常压塔的过汽化率VR并具体包括如下步骤：

(1)在每批次原油加工前，人工设定炉出口温度初始值T_sp0；

(2)将运行过程分为多个周期，每个周期结束后对常压塔的过汽化率VR检测并进行判断，若该周期内的过汽化率VR的平均值超限且常压塔最低侧线抽出量已达上限，则对炉出口温度设定值T_sp进行：

T_sp＝T_sp0+ΔT_sp

式中：ΔT_sp为微调量，为固定步长。

具体的，该复合控制方法的步骤为：

(1)在监控计算机上设置工作参数，包括炉出口温度初始值T_sp0和支路温度偏差范围；

(2)设置加热炉支路温度平衡先进控制器的控制参数，包括采样周期、支路流量偏差上下限、支路温度偏差权重、支路流量变化权重；

(3)通过可编程逻辑控制器的输入模块采集实时值，包括炉出口温度值、炉膛温度值、燃料流量值、加热炉支路原油量值、支路温度值；

(4)分A、B两方面同时进行：

A：将炉出口温度与炉膛温度构成串级控制并计算出应增加或减少的加热炉的燃料流量。其中炉出口温度为主被控参数，炉膛温度为副被控参数；优选的计算方式为：将步骤(3)采集的炉膛温度值与炉膛温度目标值进行比较，得出炉膛温度偏差，基于此偏差炉膛温度采用常规的比例积分(PI)控制；步骤(3)采集的炉出口温度值与炉出口温度目标值进行比较，得出炉出口温度偏差，基于此偏差采用常规的比例积分微分(PID)。

B：建立支路温度与燃料流量关系的数学模型，采用模型预测控制方法计算出支路温度偏差；采用二次规划的方法优化计算出各支路的原油流量，优化计算时确保各支路的原油流量偏差在一定的范围以内。优选的，采用模型预测控制中阶跃建模(FSR)方法，首先得到支路温度与燃料流量的数学模型，称为内部模型；步骤(3)采集的支路温度值与基于加热炉支路温度平衡先进控制器内部模型的预测值进行比较，得出支路温度偏差，并基于此偏差对内部模型的预测值进行校正，校正的方法可以采用模型预测控制中常用的加权因子修正；加热炉支路温度平衡先进控制器采用二次规划的方法，优化计算出各支路的原油流量，优化计算时确保各支路的原油流量偏差在一定的范围以内。

(5)将步骤(4)计算得出的加热炉的燃料流量和各支路的原油流量输出并执行；

(6)将运行过程分为多个周期，每个周期结束后对常压塔的过汽化率VR检测并进行判断，若该周期内的过汽化率VR的平均值超限且常压塔最低侧线抽出量已达上限，则对步骤(1)所设定的炉出口温度设定值T_sp进行微调：

T_sp＝T_sp0+ΔT_sp

式中：ΔT_sp为微调量，为固定步长；

(7)基于微调后的炉出口温度设定值T_sp，返回步骤(3)，循环执行，直至本次加热炉控制结束。

优选的，所述周期为24h。

优选的，所述固定步长为1-2℃。

优选的，步骤(4)计算得出的加热炉的燃料流量和各支路的原油流量经可编程逻辑控制器的输出模块输出，通过调节加热炉各支路原油量调节阀和燃料量调节阀进行执行。

一种原油加热炉温度的复合控制装置，包括可编程逻辑控制器、各支路原油流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计、炉燃料流量计、加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀和监控计算机；所述的可编程逻辑控制器包括模拟量输入模块、模拟量输出模块和CPU模块，其中：CPU模块分别与模拟量输入模块和模拟量输出模块相连；监控计算机和CPU模块相连；各支路原油流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计、炉燃料流量计分别与模拟量输入模块相连；加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀分别与模拟量输出模块相连；所述的监控计算机上安装有加热炉支路温度平衡先进控制器以及加热炉出口温度设定点调节器。

所述的模拟量输入模块上设有若干输入端，加热炉各支路原油流量计、炉燃料流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计通过各个输入端分别与模拟量输入模块相连。

所述的模拟量输出模块上设有若干输出端，加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀分别与模拟量输出模块相连。

有益效果：

本发明提供了一种原油加热炉的复合控制装置及其方法，在加热炉串级控制和支路温度平衡模型预测控制基础上，对炉出口温度设定值进行调节，在原油品种改变，性质变化的情况下，不仅满足了加热炉出口温度平稳、支路温度均衡的要求，而且达到了企业节能降耗的目标，提高了企业经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明加热炉温度复合控制装置的结构示意图；

图2是本发明加热炉炉温度复合控制系统的结构框图；

图3是本发明的模拟量输入模块的连接示意图；

图4是本发明的模拟量输出模块的连接示意图；

图5是本发明加热炉温度复合控制方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以某企业原油加热炉为例，如图1所示，由初馏塔来的物料分为8路进入加热炉进行加热，企业原来的控制方案为炉膛温度与炉出口温度构成串级控制，其炉出口温度波动范围为±2℃，支路间的温度偏差最多时可达10℃左右；过汽化率要求在1～3％，而现场实测过汽化率有时超过4％。为改进控制效果，节能降耗，提高经济效益，现采用本发明技术方案。

如图1所示，8条支路原油流量与燃料流量作为操作变量，炉出口温度、8条支路的温差为被控变量。其中支路温差为该支路与8条支路温度之和的平均值之差。

如图2所示的监控计算机中的加热炉支路平衡控制器的采样周期为60s，即60秒进行一次数据采集和控制(可根据工艺变化和现场实际情况调整)。支路平衡先进控制器在每个采样周期内，先从数据库中采集实时数据，在执行完预测、二次优化后，输出新的操作变量的设定值到可编程逻辑控制器。

如图2所示，所述的CPU模块分别与模拟量输入模块和模拟量输出模块相连，监控计算机和CPU模块相连，加热炉各支路原油流量计与模拟量输入模块相连，模拟量输出模块分别与加热炉燃料调节阀和加热炉支路流量调节阀相连以传输控制信号。

CPU模块的处理过程如下：

(1)支路原油温度计、支路原油流量计、炉出口温度计、燃料流量计设于炉管上，分别用以检测加热炉支路温度、支路流量、炉出口温度、燃料流量，并将其调理成标准电流信号(4～20mA)传输至模拟量输入模块，供CPU模块处理；

(2)支路流量调节阀与燃料流量调节阀设于加热炉炉管上，其输入端接模拟量输出模块的输出端，用于调控支路原油流量、燃料流量。

本实施例中，可编程逻辑控制器包括一个模拟量输入模块和一个模拟量输出模块。

如图3(a)所示，所述的模拟量输入模块中2号和3号通道、4号和5号通道、6号和7号通道、8号和9号通道、12号和13号通道、14号和15号通道、16号和17号通道依次连接加热炉第1到第7支路流量。18号和19号通道预留。

如图3(b)所示，所述的模拟量输入模块中2号和3号通道、4号和5号通道、6号和7号通道、8号和9号通道、12号和13号通道、14号和15号通道、16号和17号通道依次连接加热炉第1到第7支路温度。18号和19号通道预留。

如图3(c)所示，所述的模拟量输入模块中2号和3号通道、4号和5号通道、6号和7号通道、8号和9号通道、12号和13号通道、14号和15号通道依次连接加热炉第8支路流量、第8支路温度、燃料流量、炉膛流量、炉膛温度、炉出口温度。16号和17号通道、18号和19号通道预留。

如图4(a)所示，所述的模拟量输出模块中3号和6号通道、7号和10号通道、11号和14号通道、15号和18号通道、23号和26号通道依次连接加热炉第1至第5支路流量调节阀；27号和30号通道、31号和34号通道、35号和38号通道预留。

如图4(b)所示，所述的模拟量输出模块中3号和6号通道、7号和10号通道、11号和14号通道依次连接加热炉第6至第8支路流量调节阀；、15号和18号通道连接燃料阀门；23号和26号通道；27号和30号通道、31号和34号通道、35号和38号通道预留。

CPU模块与上述模拟量输入模块、模拟量输出模块通过模块间的背板总线连接。

如图5所示，本实施例的原油加热炉出口温度控制方法，结合本实施例进行说明：

(1)在每批次原油加工前，人为设定炉出口温度初始值T_sp0；

(2)设置支路平衡先进控制器的控制参数，采样周期60s，支路流量偏差上限20t/h，支路温度偏差权重和支路流量变化权重可根据经验自行选择，本实施例选择支路温度偏差权重为10，支路流量变化权重为1；

(3)通过可编程逻辑控制器的输入模块采集实时值，包括炉出口温度值、炉膛温度值、燃料流量值、加热炉的支路流量值、支路温度值；

(4)分A、B两方面同时进行：

A方面：将炉出口温度与炉膛温度构成串级控制，其中炉出口温度为主被控参数，炉膛温度为副被控参数；将步骤(3)采集的炉膛温度值与炉膛温度目标值进行比较，得出炉膛温度偏差，基于此偏差炉膛温度采用常规的比例积分(PI)控制；将步骤(3)采集的炉出口温度值与炉出口温度目标值进行比较，得出炉出口温度偏差，基于此偏差采用常规的比例积分微分(PID)；进而计算出应增加或减少的加热炉的燃料流量；

B方面：采用模型预测中常用的阶跃建模(FSR)方法，首先得到支路温度与燃料流量的数学模型，称为内部模型；步骤(3)采集的支路温度值与基于加热炉支路温度平衡先进控制器内部模型的预测值进行比较，得出支路温度偏差，并基于此偏差对内部模型的预测值进行校正，校正的方法可以采用模型预测控制中常用的加权因子修正；加热炉支路温度平衡先进控制器采用二次规划的方法，优化计算出各支路的原油流量，优化计算时确保各支路的原油流量偏差在一定的范围以内；

(5)由串级控制与二次规划优化计算得到的燃料流量和各支路原油流量，经可编程控制器的输出模块输出，调节各支路原油量与燃料量的阀门执行；

(6)在运行过程中，根据常压塔的过汽化率VR再进行微调，调节周期为每24小时1次，假设在过去24小时内，VR平均值大于3％，即已超过VR_max，而常压塔最低侧线抽出量已达35T/h，即已达上限，此时可以降低炉出口温度设定值一个步长，本实施例中为1℃，并交人工确认通过后下发到控制器；

(7)基于微调后的炉出口温度设定值T_sp，返回步骤(3)，循环执行，直至本次加热炉控制结束。

为进一步验证本方案的可行性，在现场进行如下测试：测试前加热炉8支路温度分别为：354.52℃、352.56℃、356.53℃、358.51℃、364.50℃、358.55℃、356.54℃、357.52℃。平均温度为357.40℃，最大温差达到7.10℃。

在实施本发明后，表1为8支路温差控制效果，可见均在±1℃范围内。

	仪表位号	下限	当前值	上限
					第1只路	CTIC30401A	-1.00	0.98	1.00
第2只路	CTIC30402B	-1.00	0.96	1.00
					第3只路	CTIC30403C	-1.00	-0.95	1.00
第4只路	CTIC30404D	-1.00	0.80	1.00
					第5只路	CTIC30405E	-1.00	0.75	1.00
第6只路	CTIC30406F	-1.00	-0.90	1.00
					第7只路	CTIC30407G	-1.00	0.92	1.00
第8只路	CTIC30408H	-1.00	0.57	1.00

接着对原料耗能进行测试。在加工某批次原油时，经测定在过去24小时内平均过汽化率为3.5％，且常压塔最低侧线抽出量已达35T/h，此时采用本发明方案进行炉出口温度微调以降低能耗。

将出口温度设定值由当时的356℃微调1℃，降为355℃，炉出口温度实测值由原来的355.75℃最终降低为354.65，此时进料量在887.54T/h，总燃料量由原来的4797.17T/h，降低为4517.58T/h，数据如表2所示。

依据表2数据，以单耗计算，节省燃料为0.32kg/T，若按照加工量为887.54T/h计算，仅一天就可以节省燃料量887.54*0.32*24＝6.82吨。

可见，采用上述方法不仅使得原油加热炉的支路温度偏差控制在±1℃以内，而且利用常压炉设定点调节器对炉出口温度进行微调，可以达到减少燃料量的目的，提高了企业的经济效益。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本发明未涉及方法均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于本方法在加热炉串级控制和支路温度平衡模型预测控制基础上，通过加热炉出口温度设定点调节器对炉出口温度设定值T_sp进行调节，调节方法基于常压塔的过汽化率VR并具体包括如下步骤：

(1)在每批次原油加工前，人工设定炉出口温度初始值T_sp0；

(2)将运行过程分为多个周期，每个周期结束后对常压塔的过汽化率VR检测并进行判断，若该周期内的过汽化率VR的平均值超限且常压塔最低侧线抽出量已达上限，则对炉出口温度设定值T_sp进行：

T_sp＝T_sp0+ΔT_sp

式中：ΔT_sp为微调量，为固定步长。

2.根据权利要求1所述的一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于该复合控制方法的具体步骤为：

(1)在监控计算机上设置工作参数，包括炉出口温度初始值T_sp0和支路温度偏差范围；

(2)设置加热炉支路温度平衡先进控制器的控制参数，包括采样周期、支路流量偏差上下限、支路温度偏差权重、支路流量变化权重；

(3)通过可编程逻辑控制器的输入模块采集实时值，包括炉出口温度值、炉膛温度值、燃料流量值、加热炉支路原油量值、支路温度值；

(4)分A、B两方面同时进行：

A：将炉出口温度与炉膛温度构成串级控制，计算出应增加或减少的加热炉的燃料流量；

B：建立支路温度与燃料流量关系的数学模型，采用模型预测控制方法计算出支路温度偏差；采用二次规划的方法优化计算出各支路的原油流量，优化计算时确保各支路的原油流量偏差在一定的范围以内；

(5)将步骤(4)计算得出的加热炉的燃料流量和各支路的原油流量输出并执行；

(6)将运行过程分为多个周期，每个周期结束后对常压塔的过汽化率VR检测并进行判断，若该周期内的过汽化率VR的平均值超限且常压塔最低侧线抽出量已达上限，则对步骤(1)所设定的炉出口温度设定值T_sp进行微调：

T_sp＝T_sp0+ΔT_sp

式中：ΔT_sp为微调量，为固定步长；

(7)基于微调后的炉出口温度设定值T_sp，返回步骤(3)，循环执行，直至本次加热炉控制结束。

3.根据权利要求1或2所述的任一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于所述周期为24h。

4.根据权利要求1或2所述的任一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于所述固定步长为1-2℃。

5.根据权利要求1或2所述的任一种原油加热炉温度的复合控制方法，其特征在于步骤(4)计算得出的加热炉的燃料流量和各支路的原油流量经可编程逻辑控制器的输出模块输出，通过调节加热炉各支路原油量调节阀和燃料量调节阀进行执行。

6.一种原油加热炉温度的复合控制装置，其特征在于，包括可编程逻辑控制器、各支路原油流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计、炉燃料流量计、加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀和监控计算机；所述的可编程逻辑控制器包括模拟量输入模块、模拟量输出模块和CPU模块，其中：CPU模块分别与模拟量输入模块和模拟量输出模块相连；监控计算机和CPU模块相连；各支路原油流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计、炉燃料流量计分别与模拟量输入模块相连；加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀分别与模拟量输出模块相连；所述的监控计算机上安装有加热炉支路温度平衡先进控制器以及加热炉出口温度设定点调节器。

7.根据权利要求6所述的一种原油加热炉温度的复合控制装置，其特征在于：所述的模拟量输入模块上设有若干输入端，加热炉各支路原油流量计、炉燃料流量计、各支路温度计、炉出口温度计、炉膛温度计通过各个输入端分别与模拟量输入模块相连。

8.根据权利要求6所述的一种原油加热炉温度的复合控制装置，其特征在于：所述的模拟量输出模块上设有若干输出端，加热炉各支路原油量调节阀、燃料量调节阀分别与模拟量输出模块相连。