CN105403683B - 炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，属于工业加热炉自动控制技术领域，本发明依据进加热炉燃料气供气管路的燃料气流量、压力及调节阀阀位等现有常规仪表测量过程参数，根据本发明方法的步骤确定软测量计算模型，在线实时计算燃料气的热值，其中软测量模型系数则通过采集加热炉过程相关参数的一段生产运行数据、采用本发明方法给定的步骤计算确定，对于生产过程中因燃料气组分变化导致加热炉出口温度、烟气氧含量等控制波动大的情形，依据此方法实时计算的热值结果，既可以作为及时操作调整的参考；也可以设计实施合理的前馈控制与优化策略，改进加热炉关键参数的自动控制品质；以提高加热炉运行的安全性和经济性。

Description

炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法

技术领域

本发明涉及炼油化工企业加热炉燃料气热值的在线软测量建模方法，属于工业加热炉自动控制技术领域。

背景技术

工业加热炉，是炼油化工行业的关键设备之一，广泛应用于常减压蒸馏、延迟焦化、重整、加氢裂化、加氢精制、乙烯裂解等大型炼化装置。

在炼油化工装置工艺流程中，加热炉通常用于对反应器、精馏塔等进料的加热。反应、精馏等过程对炉出口温度的平稳精密控制有很高的要求，例如乙烯裂解炉，通常要求炉出口温度波动偏差不超过±1.5℃。

另外，加热炉通常也是大型能耗设备，烟气过剩氧含量是影响运行中加热炉热效率的首要因素。在正常运行状态，烟气过剩氧含量每增加1个百分点，加热炉热效率会降低约0.5个百分点。平稳卡边控制烟气过剩氧含量，是加热炉节能降耗的关键之一。加热炉燃烧过程控制的优化，主要包括被加热介质炉出口温度的平稳精密控制，和烟气过剩氧含量的平稳卡边控制。

在加热炉过程控制中，对于加热炉热负荷的变化，燃料气量是调节手段；对于因燃料气流量、热值的变化导致的烟气氧含量变化，则相应地需要调节燃烧空气量来补偿。加热炉热负荷的变化(因进料温度、进料流量、或炉出口温度控制目标的变化)，通常是缓慢的或小幅度的。但随着炼化企业气体深加工利用技术的推广应用，经常出现燃料气热值变化快、变化幅度大的情形，燃料气热值的波动就成为加热炉过程控制的主要干扰因素。及时检测到燃料气热值的变化，并采用前馈控制技术，可以大大改进这种变化对加热炉燃烧过程控制的干扰影响，提高自动控制品质。

炼油化工企业加热炉中，热值波动快且波动幅度大的燃料气，通常是工厂管网的燃料气。为便于理解和区别，本发明方法所涉及的燃料气，除非特别说明，均指管网燃料气。

已有的燃料气热值在线检测方法，是在燃料气系统安装燃料气热值在线分析仪。但在线分析仪，通常存在一定的时间滞后，这对于加热炉快速燃烧过程的控制，是不利的。此外，在线热值分析仪因其结构复杂、内嵌微型燃烧室，与常规仪表、调节阀相比，故障率比较高，维护工作量大。

因此，建立基于常规流量、压力仪表和控制阀参数的燃料气热值在线软测量模型，在线实时检测出燃料气热值，克服时间滞后的控制困难、大大节省硬件投资、降低维护工作量、提高加热炉燃烧过程控制的平稳性和可靠性，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种简便可靠的加热炉燃料气热值在线软测量方法，实现加热炉燃料气热值的在线实时检测。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，包括以下步骤：(1)确定燃料气的组成，即确定氢和烃类物质之外的杂质含量，确定燃料气流量调节阀的流量特性；(2)确定燃料气流量调节阀两端的压差ΔP；(3)离线计算确定工程热值系数C；(4)确定燃料气热值q的在线软测量计算模型；(5)建立软测量，实现燃料气热值q的在线实时检测。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤(1)中，燃料气的组成以氢和烃类物质为主、其它杂质含量不超过燃料气总质量的5％；燃料气流量调节阀的流量特性是等百分比流量特性或直线流量特性。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤(1)中，燃料气流量调节阀两端的压差ΔP＝P-P0，其中：P为燃料气缓冲罐压力，单位为MPa；P0为炉膛压力，单位为MPa。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤(3)中，工程热值系数C值按以下步骤离线计算获得：

步骤(3.1)，采集3到7天时间的加热炉过程历史数据(采样间隔1分钟)。需要采集的加热炉过程参数有：

1)FM：被加热介质流量，t/h

2)T1：被加热介质进炉前温度，℃

3)T2：被加热介质炉出口温度，℃

4)AO：加热炉烟气氧含量，％

5)TG：加热炉排烟温度，℃

6)F：管网燃料气体积流量，Nm³/h

7)F2：装置自产燃料流量，仅针对附图2的情形，Nm³/h

8)P：燃料气缓冲罐压力，MPa

9)P0：炉膛压力，MPa

10)l/L：燃料气流量调节阀阀位，百分比值换算成0～1的值。

步骤(3.2)，将上述过程历时数据，导入Excel表格中，采用曲线观察或比较标准偏差的方法，选择烟气氧含量和排烟温度最为平稳的4到8小时的一段数据作为选定时间段数据，以氧含量平稳优先选择，采用该选定时间段数据参与后续计算，对于每一过程参数，该选定时间段的数据表示为一数组，例如FM_j，j＝1,2,…,n，这里n等于选定时间段的分钟数。

步骤(3.3)，采用如下简化公式，首先计算出选定时间段的加热炉热效率η_j(％)：

η_j＝97-[(0.0083+0.031*α_j)*(TG_j+0.000135*TG_j*TG_j)-1.1]

式中：

α_j＝(21-0.0627*AO_j)/(21-AO_j)，干烟气氧含量分析仪时

α_j＝(21-0.116*AO_j)/(21-AO_j)，湿烟气氧含量分析仪时

TG_j为加热炉排烟温度。

步骤(3.4)，在通用化工数据手册中查出、或采用化学工程方法计算出：被加热介质在工作状态下的定压比热容Cp(单位：MJ/(t·℃))。Cp为常数，采用工作状态下的均值。

步骤(3.5)，计算选定时间段的加热炉热负荷Q_j(MJ/h)：

步骤(3.6)，采用倒推法计算选定时间段的燃料气热值q_use,j(MJ/Nm³)：

当加热炉只有一路燃料即被研究的管网燃料气时，

当加热炉有两路燃料，即主要一路为被研究的管网燃料气、另一路为补充燃料时，

式中：C2为补充燃料的热值，MJ/Nm³，其值是恒定、或近似恒定的，计算时视为常数，从加热炉所属装置的标定数据获得，补充燃料通常采用装置自产燃料气或燃料油。

步骤(3.7)，计算工程热值系数C值：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时：

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时：

以上两式中：n为选定时间段的数据样本总数。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤(4)中，燃料气热值q的在线软测量计算模型为：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

以上两个软测量模型公式中，

被检测变量q：燃料气的热值，单位为MJ/Nm³

输入变量l/L：燃料气流量调节阀阀位，百分比换算成0～1的值

输入变量ΔP：燃料气流量调节阀两端压差，单位为MPa

输入变量F：燃料气体积流量，单位为Nm³/h

模型系数C：工程热值系数(常数，步骤(3)计算获得)。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤(5)中软测量的在线实现，采用DCS计算功能块组态或采用上位机软测量软件。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，采用加热炉燃料供气管路中的常规测量仪表和调节阀阀位信息，通过软测量模型计算，在线实时检测加热炉燃料气热值。该软测量方法简便可靠，不存在滞后时间，与传统的配置在线燃料气热值分析仪的方法相比，更有利于加热炉的被加热介质出口温度和烟气氧含量等关键参数的控制。

下面结合附图对本发明的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明所述单路燃料时的加热炉流程示意图；

图2为本发明所述两路燃料时的加热炉流程示意图；

图3为本发明的软测量DCS功能块组态实现示意图。

具体实施方式

炼化企业的加热炉，燃料来源通常有三种情形：(一)全部由管网燃料气供给；(二)部分由加热炉所在装置自产燃料气或燃料油直供，不足部分由管网燃料气补充；(三)全部采用加热炉所在装置自产燃料气或燃料油直供。

装置自产燃料气或燃料油，组成是稳定的，因而热值也是稳定的。以装置自产燃料气或燃料油为主燃料的加热炉(管网燃料气因供热占比小、对该加热炉过程控制影响很小)，以及前述第三种情形(这种加热炉，数量占比很小)，本发明不涉及。

本发明只涉及两种情形：燃料全部为管网燃料气的加热炉，图1为此种情况；加热炉所在装置自产燃料少、燃料主要由管网燃料气供给的加热炉，图2此种情况。

以下是以加热炉单路燃料气及以管网燃料气为主的两路燃料情形为例，说明本发明炼化企业加热炉燃料气热值在线软测量的方法。

如图1所示为加热炉单路燃料气的情形，加热炉的燃料全部为管网燃料气。如图2所示为加热炉中为两路燃料的情形，加热炉的燃料主要为管网燃料气、还有小部分的装置自产燃料。

如图1和图2所示，管网燃料气从缓冲罐1到燃料气流量调节阀2之间装有流量测量表4，用于测量燃料气流量F；缓冲罐1上装有缓冲罐压力表5，用于测得缓冲罐压力P；管网燃料气经流量调节阀2后进入加热炉3，燃烧后产生的烟气经排烟管路排出，排烟管路上设置有测量烟气氧含量AO的烟气氧含量表7及测量排烟温度TG的排烟温度表8；加热炉3上安装有测量炉膛压力P0的炉膛压力表6；被加热介质流经的管路从加热炉3内通过，此管路上进入加热炉3前装有用于测量被加热介质流量FM的流量表11及测量被加热介质进炉前温度T1的温度表10，此管路上被加热介质出口段装有用于测量被加热介质炉出口温度T2的温度表9。

如图2所示，图2比图1中多了一路燃料来源，即除管网燃料气供给外，还由加热炉所在装置自产燃料气或燃料油供给，装置自产燃料气或燃料油进加热炉3之前装有测量装置自产燃料流量F2的流量表12。

本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法包括以下步骤：

步骤(1)，首先确定两个基本信息：

a、从企业的定期采样化验数据中查得管网燃料气的组成数据信息，判断本软测量方法检测其热值的准确性。当加热炉燃料气中，氢和烃类化合物之外的杂质含量小于燃料气总质量的5％时，本软测量方法在线实时检测出的燃料气热值，可以作为闭环控制中的前馈变量。

b、从加热炉建设施工图纸中的自控仪表规格书中查得加热炉燃料气流量调节阀的流量特性：等百分比流量特性，或直线流量特性。

步骤(2)，确定燃料气流量调节阀两端的压差ΔP：

对于炼化企业加热炉，除图1、图2中所标示的仪表及调节阀外，从缓冲罐1到燃料气流量调节阀2，可能安装的管件有直管、弯头、快开安全阀，流量孔板的压降虽然随流量而变，但其值通常只有数十千帕，变化量则更小。这些管件的压头损失，相对于燃料气流量调节阀2两端压差ΔP，可以忽略。因此：燃料气流量调节阀阀前压力可近似为燃料气缓冲罐压力P。

燃料气经燃料气流量调节阀2后、到加热炉火嘴的管路中，可能安装的管件有：直管、弯头、快开安全阀(即常开安全阀)等。这些管件的压头损失很小，故调节阀阀后压力可近似为炉膛压力P0。

因此，燃料气流量调节阀两端压差ΔP＝P-P0，其中：P为燃料气缓冲罐压力，P0为炉膛压力，单位均为MPa。

步骤(3)，离线计算确定工程热值系数C值，包括以下步骤：

步骤(3.1)，采集7天时间的加热炉过程历史数据(采样间隔1分钟)。需要采集的加热炉过程参数有：

1)FM：被加热介质流量，t/h

2)T1：被加热介质进炉前温度，℃

3)T2：被加热介质炉出口温度，℃

4)AO：加热炉烟气氧含量，％

5)TG：加热炉排烟温度，℃

6)F：管网燃料气体积流量，Nm³/h

7)F2：装置自产燃料流量(仅对附图2的情形)，Nm³/h

8)P：燃料气缓冲罐压力，MPa

9)P0：炉膛压力，MPa

10)l/L：燃料气流量调节阀阀位，计算时，百分比值换算成0～1的值

步骤(3.2)，将上述过程历时数据，导入Excel表格中，采用曲线观察或比较标准偏差的方法，选择烟气氧含量和排烟温度最为平稳的4到8小时的一段数据作为选定时间段数据，以氧含量平稳优先选择，采用参与后续计算。对于每一过程参数，该选定时间段的数据，表示为一数组，例如FM_j，j＝1,2,…,n，这里n等于选定时间段的分钟数。

步骤(3.3)，采用如下简化公式，首先计算出选定时间段的加热炉热效率η_j(％)：

η_j＝97-[(0.0083+0.031*α_j)*(TG_j+0.000135*TG_j*TG_j)-1.1]

式中：

α_j＝(21-0.0627*AO_j)/(21-AO_j)，干烟气氧含量分析仪时

α_j＝(21-0.116*AO_j)/(21-AO_j)，湿烟气氧含量分析仪时

TG_j为加热炉排烟温度。

步骤(3.4)，在通用化工数据手册中查出、或采用化学工程方法计算出：被加热介质在工作状态下的定压比热容Cp(单位：MJ/(t·℃))。Cp为常数，采用工作状态下的均值。

步骤(3.5)，计算选定时间段的加热炉热负荷Q_j(MJ/h)：

步骤(3.6)，采用倒推法计算选定时间段的燃料气热值q_use,j(MJ/Nm3)：

当加热炉只有一路燃料即被研究的管网燃料气时，

当加热炉有两路燃料，即主要一路为被研究的管网燃料气、另一路为补充燃料时，

式中：C2为补充燃料(通常采用装置自产燃料气或燃料油)的热值，MJ/Nm³，其值是恒定、或近似恒定的，计算时视为常数，从加热炉所属装置的标定数据获得。

步骤(3.7)，计算工程热值系数C值：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时：

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时：

以上两式中：n为选定时间段的数据样本总数。

步骤(4)，确定燃料气热值q的在线软测量计算模型：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

以上两个模型公式中，

q为燃料气的热值，单位为MJ/Nm³

l/L为燃料气流量调节阀阀位，百分比换算成0～1的值

ΔP为燃料气流量调节阀两端压差，单位为MPa

F为燃料气体积流量，单位为Nm³/h

C为工程热值系数(常数)。

步骤(5)，建立软测量，实现燃料气热值的在线实时检测：

本发明加热炉燃料气热值在线软测量，被检测变量为燃料气热值；

软测量输入变量有：燃料气流量调节阀阀位l/L，燃料气流量调节阀两端压差ΔP，燃料气体积流量F，三个输入变量均为常规仪表检测信息或调节阀阀芯动作位置；

工程热值系数C则为模型系数。

依据步骤(4)确定燃料气热值软测量计算模型后，在加热炉的控制系统DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)上，通过DCS上计算功能块组态即可建立软测量，实时计算出燃料气热值如图3所示，图中，代表差压计算块；代表％阀位换算成0～1值；代表离线计算确定的工程热值系数值，DCS组态时为人工输入参数。

当加热炉被加热介质出口温度和烟气氧含量的控制，采用上位机先进控制系统时，也可以采用上位机软测量软件实现燃料气热值的在线实时检测。但上位机软测量软件的运算周期一般在20秒以上，不能完全检测到热值的剧烈变化，而DCS功能块运算周期快(1秒或更快)。在先进控制时仍推荐采用DCS实现该软测量，上位机先进控制系统可采集DCS的热值计算结果，作为其前馈变量。

本发明投资很小，采用加热炉装置现有常规仪表测量信号和阀位信号，通过软测量模型计算得出在线实时的燃料气热值，可靠性高，不存在采用热值分析仪测量燃料气热值所产生的时间滞后、成本高、故障率高的问题。

随着炼厂气体深加工技术的发展和气体深加工利用装置的投产，在炼化企业生产运行中，管网燃料气越来越不足以保证全厂加热炉的燃料需求，常常需要补充气化的液化气，这就导致管网燃料气热值的剧烈变化；此外，当全厂管网燃料气不足时，延迟焦化装置的间歇切塔过程对管网燃料气的波动影响就明显起来，间歇性的补充外部燃料气或气化液化气，就导致管网燃料气热值的间歇性波动。如前文提到的，燃料气热值的波动，影响加热炉过程的平稳控制。因此，研究燃料气热值的在线检测问题，逐渐重要起来。

本发明以炼油化工企业中作为加热炉主要燃料的管网燃料气(氢和轻烃气体混合物)为研究对象。对于油气田企业和其它行业的加热炉，如果燃料气也存在热值波动大、且组分以氢和轻烃气体混合物为主(其它杂质含量很小)，则同样可以应用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应置于本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)确定燃料气的组成，即确定氢和烃类物质之外的杂质含量，确定燃料气流量调节阀的流量特性；(2)确定燃料气流量调节阀两端的压差ΔP；(3)离线计算确定工程热值系数C值；(4)确定燃料气热值q的在线软测量计算模型；(5)建立软测量，实现燃料气热值q的在线实时检测。

2.根据权利要求1所述的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，燃料气的组成以氢和烃类物质为主、其它杂质含量不超过燃料气总质量的5％；燃料气流量调节阀的流量特性是等百分比流量特性或直线流量特性。

3.根据权利要求1所述的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中，燃料气流量调节阀两端压差ΔP＝P-P0，其中：P为燃料气缓冲罐压力，P0为炉膛压力，单位均为MPa。

4.根据权利要求1所述的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，工程热值系数C值按以下步骤离线计算获得：

步骤(3.1)，采集3到7天时间的加热炉过程历史数据，采样间隔1分钟，需要采集的加热炉过程参数有：

1)FM：被加热介质流量，t/h

2)T1：被加热介质进炉前温度，℃

3)T2：被加热介质炉出口温度，℃

4)AO：加热炉烟气氧含量，％

5)TG：加热炉排烟温度，℃

6)F：管网燃料气体积流量，Nm³/h

7)F2：装置自产燃料流量，Nm³/h

8)P：燃料气缓冲罐压力，MPa

9)P0：炉膛压力，MPa

10)l/L：燃料气流量调节阀阀位，百分比值换算成0～1的值；

步骤(3.2)，将上述过程历时数据，导入Excel表格中，采用曲线观察或比较标准偏差的方法，选择烟气氧含量和排烟温度最为平稳的4到8小时的一段数据作为选定时间段数据，以氧含量平稳优先选择，采用该选定时间段数据参与后续计算，对于每一过程参数，该选定时间段的数据，表示为一数组FM_j，j＝1,2,…,n，这里n等于选定时间段的分钟数；

步骤(3.3)，采用如下简化公式，首先计算出选定时间段的加热炉热效率η_j，用百分比表示：

η_j＝97-[(0.0083+0.031*α_j)*(TG_j+0.000135*TG_j*TG_j)-1.1]

式中：

α_j＝(21‐0.0627*AO_j)/(21‐AO_j)，干烟气氧含量分析仪时

α_j＝(21-0.116*AO_j)/(21-AO_j)，湿烟气氧含量分析仪时

TG_j为加热炉排烟温度；

步骤(3.4)，在通用化工数据手册中查出、或采用化学工程方法计算出被加热介质在工作状态下的定压比热容Cp，其单位：MJ/(t·℃)，Cp为常数，采用工作状态下的均值；

步骤(3.5)，计算选定时间段的加热炉热负荷Q_j，单位为MJ/h：

$Q_j=\frac{Cp*(T{2}_j-T{1}_j)*{\mathrm{FM}}_j}{{\mathrm{\η}}_j/100}$

步骤(3.6)，采用倒推法计算选定时间段的燃料气热值q_use,j，单位为MJ/Nm³：

当加热炉只有一路燃料即被研究的管网燃料气时，

$q_{use,j}=\frac{Q_j}{F_j}$

当加热炉有两路燃料，即主要一路为被研究的管网燃料气、另一路为补充燃料时，

$q_{use,j}=\frac{Q_j-C2*F{2}_j}{F_j}$

式中：C2为补充燃料的热值，MJ/Nm³，其值是恒定、或近似恒定的，计算时视为常数，从加热炉所属装置的标定数据获得，补充燃料采用装置自产燃料气或燃料油；

步骤(3.7)，计算工程热值系数C值：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时：

$C=\frac{1}{n}*\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\frac{q_{use,j}}{\frac{(P_j-P{0}_j)*e^{{(1/L)}_j}}{{F_j}^2}}\]$

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时：

$C=\frac{1}{n}*\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\frac{q_{use,j}}{{{(l/L)}_j}^2*\frac{(P_j-P{0}_j)}{{F_j}^2}}\]$

上述两式中：n为选定时间段的数据样本总数。

5.根据权利要求1所述的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，燃料气热值q的在线软测量计算模型为：

当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

$q=C*\frac{\mathrm{\Δ}P*e^{l/L}}{F^2}$

当燃料气流量调节阀为直线流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：

$q=C*{(l/L)}^2*\frac{\mathrm{\Δ}P}{F^2}$

以上两个模型公式中，

q为燃料气的热值，单位为MJ/Nm³

l/L为燃料气流量调节阀阀位，百分比换算成0～1的值

ΔP为燃料气流量调节阀两端压差，单位为MPa

F为燃料气体积流量，单位为Nm³/h

C为工程热值系数。

6.根据权利要求1所述的炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中软测量的在线实现，采用DCS计算功能块组态，或采用上位机软测量软件。