CN104279882A - 加热炉入炉流量参与其出口温度控制的方法 - Google Patents

Abstract

加热炉出口温度控制一般由该炉瓦斯流量(或压力)串级控制，针对加热炉入炉流量下降时炉温PID调节滞后易造成出口超温的弊端，提出炉温控制逻辑输出信号额外乘以入炉流量变化系数，使加热炉入炉流量快速、大幅度下降的同时，该炉燃烧瓦斯瞬时、同比例地下降，从而有效避免因出口温度滞后及温度控制PID逻辑调节滞后造成的超温。所引入的系数在加热炉入炉流量下降速度很小(幅度用户可自行设定)和入炉流量回升时不起作用，以发挥技术成熟的PID自动调节功能。

Description

加热炉入炉流量参与其出口温度控制的方法

所属技术领域

本发明涉及工厂加热炉出口温度控制技术领域，是一种改进型的通过加热炉燃烧瓦斯控制其出口温度的方法。 

背景技术

目前加热炉出口温度大部分由该炉燃烧瓦斯(或燃烧燃料油，同理)来控制。当出口温度升高，出口温度控制逻辑(一般称为主回路)输出降低瓦斯流量(或瓦斯压力，同理)，作用于瓦斯流量控制回路(一般称为副回路)。该副回路接受减小的瓦斯流量，从而关小瓦斯控制阀，达到降低出口温度的目的。 

燃料加热炉一般结构是，下部是直接受火的辐射室，工艺介质在炉管内直接受火加热；中上部是对流室，利用高温烟气与炉管内工艺介质换热以提高其进辐射室温度；上部是余热回收和负压调节机构与烟囱等。工艺介质一般对称分成多支路，先进对流室初步预热，再经辐射室直接受火升温，出辐射室后汇集于出口总管进下一工段。出口温度测量热电偶安插于出口总管上。对于各支路对应于瓦斯单独调节的加热炉，其支路出口也设测温热电偶，各支路可看作是独立小加热炉，同样适用于本描述。 

因为加热炉结构庞大，炉管很长；油品加热炉等考虑到油品气化、体积膨胀、流速加快、压降增大等原因，常将加热炉炉管逐步加粗以降低压降，从而使得出口温度反映炉内加热情况比较滞后。另一方面，当出口热电偶检测到出口温度高于设定值时，通过PID运算输出降低的瓦斯流量作用于副回路，副回路根据当前检测的瓦斯流量和主回路输出的瓦斯流量，产生信号差进行计算调 节，关小瓦斯控制阀。 

这期间有较大的时间滞后。 

当加热炉入炉流量快速下降时，造成炉管内介质流速下降，炉管内被加热的高温介质需要更长时间才传递到出口热电偶，因此出口温度表现是一段时间的平稳，然后快速的攀升。由于加热炉瓦斯流量要等到出口温度升高以后才调节，从而引起炉出口超温的不可避免。这种超温在炼油加氢的裂化反应器进料加热炉中表现尤为明显，在反应器进料温度没有设置高温联锁或联锁失效情况下极易引起反应器的超温。这种超温也难以用PID弥补，因为PID虽然可以修正一定的滞后，但对进料的减少没有前瞻性，因此不能避免出口的超温。 

下面对通用的温度控制PID作一简要介绍： 

用户设定一目标给定值，作为控制目标，计算机经与测量信号比较，产生偏差，通过PID控制方程计算，将结果传给调节机构，调节操作变量；为防止过调，常用变送器将被控变量传回重新与给定值比较运算，以产生新的偏差。如图1： 

PID调节器将给定值in(t)与实际输出值out(t)之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。一般模拟PID调节器的微分方程为： 

$u\left(t\right)=K_P[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]$

式中，偏差e(t)＝in(t)-out(t)，K_P、T_I、T_D为该控制回路设定的比例度、积分时间、微分时间。 

一般模拟PID调节器的传输函数是： 

$D\left(S\right)=\frac{U\left(S\right)}{E\left(S\right)}=K_P[1+\frac{1}{T_{I}S}+T_{D}S]$

发明内容

目前自控成熟的PID控制逻辑在操作平稳情况下，根据工艺变动修订P、I、D，能够理想地将加热炉出口温度稳定在令人满意的水平上，这点毋庸置疑。但是，当加热炉入炉流量受工厂处理量、该加热炉炉前一罐(塔)液面波动、机泵或压缩机排量波动等因素影响时，加热炉出口单靠其燃烧瓦斯流量调节往往滞后，尤其是入炉流量大幅度下降(达到联锁条件之前)时出口温度必然超温，超温程度与入炉流量下降程度和出口温度控制PID参数有关，但难以避免。本发明旨在将瓦斯入炉流量变化率引入到该加热炉出口温度的控制系统中，以实现预先调节，避免超温。 

现引入加热炉入炉流量的变化系数α，α为当前加热炉入炉流量测量值M_now与该支路一定时间t秒(由用户设定)以前的流量M_now-t之商，即α＝M_now/M_now-t。时间t取决于加热炉高位部位与出口测温热电偶之间的介质流动时间，当加热炉炉管越粗、介质流速越低时，选择的时间越长。 

当α＜0.95(即设定容忍时段内入炉流量下降5％以上，具体值用户自定)时，将系数α作为炉出口温度控制的输出值的系数，传递给副回路；当α＞＝0.95(用户自定)时，不调节，即令α＝1。 

一句话：加热炉进料降低5％，当前炉瓦斯立即降低5％。 

本发明的有益效果是： 

一、加热炉出口温度控制具有前瞻性，尤其在进料快速、大幅度降低时遏制出口超温非常及时，能做到在出口温度尚未升高的情况下，加热炉瓦斯已同比例地关小。 

二、本发明对进料快速上涨和炉出口温度上升过慢并不作干预，因为在工厂实际生产中，炉温的下降远不如其快速上升危害大，因此可由出口温度的PID自动跟踪。 

附图说明

图1是一般控制逻辑原理图； 

图2是一般加热炉出口温度控制逻辑图； 

在图2中，加热炉进料的一支(其他支路未画出，等同)经流量计及控制阀，进入加热炉加热，出口进下一工段。在出口总线或对应支路上设置测温热电偶TE，该热电偶采集值TE作为炉出口温度(主回路)控制逻辑输入值M，在给定控制温度in后，炉出口温度控制逻辑产生输出值out，作为瓦斯流量控制回路(副回路)的给定值in。副回路根据实际测量瓦斯流量M与当前给定值in对照，经计算，产生输出信号out作用于瓦斯管路控制阀。经调节后的瓦斯，经燃烧放热，传递给加热炉一个新的出口温度测量值TE。 

在图2中，左上角为炉入炉流量逻辑。加热炉入炉流量控制逻辑，根据工厂实际，可能是一个简单回路，或是前一工艺设备的液面逻辑的副回路等。通过流量孔板测量出当前流量，作为入炉流量控制逻辑的测量值M，控制逻辑将测量值M与设定值in对照，经PID算法公式产生输出信号out，作用于流量控制阀。因为入炉流量的不稳定，造成炉出口温度的不稳定，立足于入炉流量来稳定出口温度，是本发明期望解决的途径。 

图3是用Matlab模拟，引入变化率前模拟程序工作图； 

图4是用Matlab模拟，引入变化率后模拟程序工作图； 

图5是进料降低4％时，引入变化率前结果模拟图； 

图6是进料降低4％时，引入变化率后结果模拟图； 

图7是进料降低10％时，引入变化率前结果模拟图； 

图8是进料降低10％时，引入变化率后结果模拟图； 

图9是进料降低20％时，引入变化率前结果模拟图； 

图10是进料降低20％时，引入变化率后结果模拟图； 

具体实施方式

由仪表工程师，利用背景技术所描述的一般PID公式，在DCS工作站模拟机上，将相关加热炉出口温度控制模块，编程实现如下思路： 

引入加热炉入炉流量的变化系数α，α为当前加热炉入炉流量测量值M_now与该支路一定时间t秒(由用户设定)以前的流量M_now-t之商，即α＝M_now/M_now-t。 

当α＜0.95(即设定容忍时段内入炉流量下降5％，具体值用户自定)时，将系数α作为炉出口温度控制的输出值的系数，传递给副回路；当α＞＝0.95(用户自定)时，令α＝1。 

仪表工程师在模拟机上完成程序编写和调试合格，可正式下装到DCS控制站，实现加热炉入炉流量参与调节该炉出口温度。 

对于本发明所设计的加热炉入炉流量参与炉出口温度控制的方法，现用Matlab对其进行模拟。通过以下3个实例，可以很直观地看出，引入变化率前，加热炉进料降低越明显，炉出口温度反弹越剧烈；而引入变化率之后，出口温度几乎看不出何时发生了变化。 

实例1：加热炉进料降低4％时： 

引入变化率前模拟程序工作图见图3： 

结果模拟图见图5： 

引入变化率之后模拟程序工作图见图4： 

结果模拟图见图6： 

实例2：加热炉进料降低10％： 

引入变化率前模拟程序工作图见图3： 

结果模拟图见图7： 

引入变化率后模拟程序工作图见图4： 

结果模拟图见图8： 

实例3：加热炉进料降低20％ 

引入变化率前模拟程序工作图见图3： 

结果模拟图见图9： 

引入变化率后模拟程序工作图见图4： 

结果模拟图见图10。 

Claims (1)

1.加热炉入炉流量参与其出口温度控制的方法，其特征是：加热炉出口温度控制逻辑的输出信号额外乘以一系数α，作为副回路瓦斯流量(或压力)控制回路的设定值。该系数α用于反映加热炉入炉流量变化率，从而在入炉流量快速、大幅度下降时比例地快速调节加热炉瓦斯流量。α为当前加热炉入炉流量测量值M_now与该支路一定时间t秒(由用户设定)以前的流量M_now-t之商，即α＝M_now/M_now-t。当α＜0.95(即设定容忍时段内入炉流量下降5％，具体值用户自定)时，将系数α作为炉出口温度控制的输出值的系数，传递给副回路；当α＞＝0.95(用户自定)时，不做调节，即令α＝1。