CN110043801B - 一种原油加热炉及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原油加热炉及其控制系统，包括燃气调节控制系统和过量空气系数控制系统；所述控制系统加热方式为圆柱水套间接加热原油，为采用PLC自动自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式；本发明解决了现有技术中只依据原油外输温度信号进行控制，水套加热炉控制延迟度高、对于不稳定工况适应性较弱、实际过量空气系数未能实现有效控制、现有的单回路控制方案控制精度低，时间延迟度高，出油温度波动大，达不到精确控制加热炉原油出口温度的目的的技术问题。本发明通过燃气流量的前馈预判调节和反馈调节结合，使其实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性要求，以及过量空气系数的有效控制。
Description
技术领域
本发明属于原油预处理领域，具体涉及到一种原油加热炉及其控制系统。
背景技术
加热炉是联合站主要耗能设备之一，用于加热原油从而利于运输及其他生产工艺，常温下原油粘度大且流动性差，不利于长距离运输，在加热过程中加热炉将原油加热至指定温度，原油加热后粘度降低、流动性升高，有利石油运输；但原油在加热温度过高(一般>150℃)时容易发生裂解，因此需要严格控制出口油温。现有的单回路控制方案采用大小火双档调控，控制精度低，时间延迟度高，出油温度波动大，达不到精确控制加热炉原油出口温度的目的；当出现加热温度高于指定温度时，造成燃气浪费，不符合节能要求；而加热温度低于指定温度时则出油温度不符合工艺要求；同时，现有控制方案仅依靠初步计算确定给风量，对于实际过量空气系数未能实现有效控制。
中国专利201210230272.1提出加热炉智能控温系统设计，采用能够进行现场控制的PLC系统及能和PLC系统进行通讯连接的计算机上位操作系统组成智能控制系统，并通过该智能控制系统对加热炉进行六个方面的控制和设置：在炉温控制上，在炉内压力控制上，在空燃比控制上，对安全保护系统的控制，在智能控制系统上采用HMI界面，历史数据记录。该技术能够实时针对各段加热温度，对炉温、炉压进行调控，从而提高加热的利用率，同时在节能降耗方面也显示出成效，但是该技术对于不稳定工况未建立预判调节机制，不能满足原油加热过程中低延迟度的要求。华南理工大学进行了水套炉加热计算机自动控制系统的设计，采用工业计算机和工控模块组件对燃烧器进行控制，实现了恒温、无人值守、高精度的自动化控制模式，从而提高原油集输温度的控制精度，消除了安全隐患，提高了生产管理效率；然而该控制方案，依然仅依据单纯的原油外输温度信号进行控制，同样未能解决水套加热炉控制延迟度高的问题，且对于不稳定工况适应性较弱。
发明内容
为解决以上问题，本发明的目的在于提供一种新型全自动加热控制系统，将燃气流量的前馈预判调节和反馈调节相结合并对炉内过量空气系数进行反馈调节，使其实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性要求。
一种原油加热炉的控制系统，应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式，从而实现原油加热过程的自动化和远程传输控制。
所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统。
进一步的，所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节模块和反馈调节模块。
进一步的，所述控制系统对加热炉进行了以下3个方面的处理：
(1)在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块和前馈调节模块，判断当前扰动是否超过阈值；超过时，系统进行前馈调节。根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度，并结合加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，改变水套温度；通过上述扰动判断、前馈调节，可以缩短对扰动的响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求；
(2)在燃气调节控制系统中，设立了反馈调节模块。通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，进而调节燃气流量，精准控制原油实际出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求；
(3)在给风量调节控制系统中，根据燃气流量，利用空气量计算模型确定一次给风量。进而根据过量空气系数计算模型，利用烟气内含氧量获得实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为该控制回路中负反馈的输入，保证炉内过量空气系数最佳且恒定,实现原油加热的低污染和低能耗要求。
进一步的，所述原油扰动判断模块是根据入口原油的初始温度和流量并结合扰动发生时的燃气流量，利用能量守恒式计算原油出口温度，当该温度与目标温度的差值大于阈值时，控制系统作用，否则，控制系统不作用；
进一步的，所述炉内传热计算模型，是根据原油和加热水套的基本物理参数，建立管内强制对流换热热平衡式，进而确定理论水套温度值tst2；
进一步的，所述来流原油参数发生扰动时，第(1)方面处理包含以下4个过程
S1:通过原油扰动判断模块，判断当前扰动是否超过阈值；
S2:根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度tst2；
S3:计算水套从起始温度变至理论水套温度所需吸收或释放的热量；
S4:利用积分原理，结合加热炉能承受的燃气量变化范围，确定燃气释放方式；
进一步的，在S3中，增加或释放的热量根据两种工况确定：
工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即tst2>tst1，
根据能量守恒原理，可以计算出扰动出现前后理论水套温度变温所需的热量Qrl1：
Qrl1＝CP,s·Vs·ρs·(tst2-tst1) (1)
式中CP,s是水的定压比热容，ρs是水的密度。设tst1是发生扰动前的理论水套温度，tst2是扰动发生后计算的理论水套温度,A是水套与原油的换热面积。qm,y2是扰动发生后来流原油的质量流量，t′y0是原油出液温度的设定值，tyo2是扰动发生后原油实际出液温度，ty i 2是扰动发生后来流原油的温度。ρy是原油在定性温度下的密度，CP,y是原油在定性温度下的定压比热容。考虑水套温度变化过程中向原油传递的热量散失，以水套变温过程中的算数平均温度为外侧平均水套温度，
利用传热方程得：
由于水套变化前后的温度、原油出口与入口温度相差不是很大，因此可用算数平均温差代替对数平均温差：
代入原油的进口温度、换热系数，计算出此时的平均原油出口温度：
tpj＝(0.5(tst1+tst2+tyi2)+(qm,y2·CP,y·tyi2)/(hhr·A))/((qm,y2·CP,y)/(hhr·A)+0.5)
(4)
计算水套向原油传递的热量Qrl2
Qrl2＝qm,y2(tpj-tyi2)CP,y·t (5)
其中t系统的调节时间。
水套升温所需的实际热量
Qrl＝Qrl1+Qrl2 (6)
工况二，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2<ts1t，
此时加热炉的水套实际温度高于扰动后所对应的水套理想温度，因此需要使燃气流量达到最低从而实现水套释放热量，考虑到加热炉运行过程中不能停机，本发明中设定加热炉以释放最小燃气流量的工况运行。
进一步的，在S4中，燃气释放方式同样根据两种工况确定：
工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即1st2>tst1
综合考虑燃气释放的快速性和加热炉燃气载荷限度，流量的调节方式示意图即燃气流量调节示意图如图1所示：
由示意图1知，调节过程分三部分，在水套变温时间内所释放的燃气总量为V，燃气中CH4的含量为
。并且
其中燃气调节过程中持续放出最大燃气流量的时间τ2与加热炉能承受的燃气量变化范围有关，由积分原理可得：
q1是发生扰动前的燃气流量，qm,y1是扰动发生前来流原油的质量流量，此时燃气的放热量与原油升温所需要的热量达到平衡
q1＝qm,y1·CP,y·(tyo'-tyi1)/(Qrzh·η) (9)
q2是调节过程中出现的最大燃气流量，其数值与加热炉所能承受的最大载荷相等(即传统大小火双档调节中的大火档的燃气流量)。
q3是出现扰动后，传热过程所建立的新的平衡时所需要的燃气流量
q3＝qm,y2·CP,y·(tyo'-tyi2)/(Qrzh·η) (10)
τ1是第一部分燃气流量变化的时间，τ2是第二部分持续放出最大燃气流量的时间，τ3是第三部分燃气流量变化的时间。其中τ1、τ3与燃气调节过程中的最大速率有关，为定值。
其中Qrl是水套从起始温度改变至理论水套温度实际所需总热量。Qrzh是CH4的在燃气管道内的实际单位体积热值，η是加热炉的运行效率，Pgn是燃气管内的燃气压力，Tgn是燃气管内的燃气温度，Qr′zh是标准状态下CH4的热值，T0是标准状态下的温度，取296.13K，P0是标准状态下的压力，取101.325kPa。
通过上述式子可以计算出从q1变化到q2的斜率k1以及燃气流量从q2变化到q3的斜率k2，以及持续放出最大燃气流量的时间τ2，进而确定燃气调节方式。
工况二，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2<tst1
此时加热炉以释放最小燃气流量的工况运行，即加热炉释放的燃气流量与传统大小火双档调节中的小火档的燃气流量相等；当水套温度降低至改变后的原油流量所对应的理论水套温度时，燃气流量改变至式(10)所计算的流量。
进一步的，所述第(2)方面处理，利用原油实际出液温度与目标出液温度的差值Δtyo2作为反馈调节模块负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈流量修正值Δqfuel。
所述反馈PID回路控制采用离散PID方法控制，τ时刻反馈燃气流量修正值Δqfuel(τ)为
δτ表示两次燃气流量设定的时间间隔，KP、KI、KD分别表示燃气流量反馈控制的离散系统PID参数，Δqfuel(τ)表示τ时刻反馈燃气流量修正值,Δtyo2(τ)表示发生扰动后τ时刻原油实际出液温度与目标出液温度的差值，Δtyo2(kδτ)表示发生扰动后第k次δτ刻原油实际出液温度与目标出液温度的差值，其中τ＝k·δτ。
进一步的，所述第(3)方面过量空气系数控制回路中，根据烟气内含氧量
利用燃气中CH4的含量及燃烧方程式，结合原子守恒，进而计算的实际过量空气系数
利用实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值Δα作为负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈空气量修正值Δqair。
由示意图2知,本发明还涉及一种原油加热炉，利用该系统进行控制，所述加热炉为水套加热炉，壳体由卷制筒体和两侧封头组成,整体分内外两层，内层是由耐火陶瓷纤维材料组成的保温层，可减少烟管和水套向外界的热量损失，外层是由喷刷彩漆的卷制钢板和封头焊接而成，既可以支撑炉体结构又可以减缓腐蚀。
所述烟管中间部分是由不锈钢卷制而成的圆筒形，一侧通过多根无缝管与夹持管板组焊而成的管束与烟囱相连，另一侧直接与燃烧器相连；
走油盘管是由无缝管与夹持管板组焊而成蛇形盘管，位于水套内部。
所述走油盘管外壁焊接有平直翅片，可增强管壁与水套内水的换热面积以强化换热。
氧化锆型氧传感器整体采用可拆卸结构，尾端焊接有四只贯穿烟囱壁的固定螺栓，伸出烟囱外壁的螺栓在烟囱外壁处与六角螺母配置，既起到固定作用也便于拆卸。
烟囱在传感器放置位置的上方带有检修门，便于传感器的检修与更换。
液位传感器与加水阀相连，整体采用可拆卸结构，加水阀包括放置于水套水面的浮球和垂直放置的干簧管，液位传感器头部为扁钢通过螺栓螺母配置固定在水套加热炉外壳上表面，头部扁钢与下部的干簧管由固定垂直气焊而成。
所述加热炉还包括其它物性参数传感器，所述物性参数传感器包括压力传感器、温度传感器等，整体上同样采用可拆卸结构，固定端通过螺栓螺母配置与加热炉壳体相连，测试端延伸至被测量物体内部。
该水套加热炉中扰动预判控制器、燃气调节智能控制器、空气量供给调节智能控制器均使用80C51系列的单片机，三者可以分散放置在加热炉各个部位，也可以集成在PC机上，作为本发明的一个优选的实施例，为了更形象地表现三种控制器的功能所以采用分散布置。
扰动预判控制器的输入端与进口温度传感器、进口流量传感器相连，输出端与燃气控制阀、风门控制阀等控制设备以及远程工作站相连，所述扰动预判控制器由内存储器、CPU、I/O接口组成，内存储器中嵌有本发明中提出的原油扰动判断模块算法的程序，输入接口电路接收原油进口温度信号和进口流量信号，输出接口电路将CPU运行结果传送至该水套式加热炉的控制设备和远程工作站。
燃气调节智能控制器的输入端与水套温度传感器、燃气管道压力传感器、燃气管道温度传感器相连，输出端与燃气控制阀、远程工作站和空气量供给调节智能控制器相连。燃气调节智能控制器的内存储器中嵌有本发明中提出的燃气调节控制系统算法的程序，输入接口电路接收水套温度信号、燃气管道压力信号、燃气管道温度信号；CPU调取程序指令进行运算，输出接口电路将CPU运行结果传送至燃气控制阀、远程工作站和空气量供给调节智能控制器。
空气量供给调节智能控制器的输入端与燃气调节智能控制器和氧化锆型氧传感器相连，输出端与风门控制阀和远程工作站相连。内存储器中嵌有本发明中提出的给风量调节控制系统算法的程序，输入接口电路接收燃气流量信号和烟气含氧量信号，CPU调取程序指令进行运算，输出接口电路将CPU运行结果传送至风门控制阀和远程工作站。
放空阀可以快速排除烟管内空气，用于事故发生时的紧急处理，防止事故扩大。安全阀与水套压力传感器连接，用于保护水套内气压处于安全范围之内，当水套内超压时阀门开启释放压力。水套压力传感器与安全阀组合，测量水套内压力。排污阀用于加热炉排污处理，包括加热炉内废水和污油的排放。
进一步的，其中扰动预判控制器内部嵌有本发明提出的原油扰动判断模块算法的程序，燃气调节智能控制器中嵌有本发明中提出的燃气调节控制系统算法的程序；空气量供给调节智能控制器中嵌有本发明中提出的给风量调节控制系统算法的程序；
原油进入加热炉后，燃气调节智能控制器释放燃气与空气量供给调节智能控制器供给的空气混合经燃烧器引燃后进入炉膛内燃烧，产生的烟气经过烟管加热水套内部的水进而将热量传给走油盘管内的原油，实现原油的加热。
进一步的，燃气流量调节模块包括出口温度传感器，进口温度传感器，进口流量传感器，扰动预判控制器，燃气调节智能控制器，燃气管道温度传感器，水套温度传感器。
原油进入加热炉加热时，首先由进口温度传感器和进口流量传感器测量出原油的进口温度和进口流量，并将数据上传至远程工作站和嵌入原油扰动判断模块算法的扰动预判控制器并由扰动预判控制器判断原油出现扰动时是否需要启动调节系统；
当原油波动的计算结果大于一定限度时，需要启动调节系统时，首先进行燃气流量的前馈调节：由水套温度传感器测量此时水套内的实际温度；
由燃气管道压力传感器、燃气管道温度传感器测量燃气管道内的温度和压力，并将信号传递上传至远程工作站和燃气调节智能控制器；
由燃气调节智能控制器按照内部设计好的燃气前馈调节程序确定燃气调节方式使得水套温度快速调整至相应温度。
进一步的,进行燃气流量反馈调节：由出口温度传感器测量被加热原油的出口温度并上传至远程工作站和燃气调节智能控制器，由燃气调节智能控制器内部的PID自动控制程序对燃气流量进行细调从而确保出油温度的调节精度满足要求。
水套还包括加水阀和液位传感器，水套的水被加热后，蒸发量变大，需要及时补充水量，液位传感器检测水套内的水位低于某一限值时，可以通过加水阀向水套内注水，当液位传感器检测到水套内的水位达到设定值时加水阀关闭，使水套内的水位一直维持在一个恒定的范围内。
进一步的,进行给风量调节：给风量调节控制系统由空气量供给调节智能控制器、氧化锆型氧传感器组成。在工作过程中，燃气调节智能控制器实时保存调节过程中的燃气流量并将其上传至远程工作站和空气量供给调节智能控制器，首先按照燃气流量初步供给燃烧所需空气量，然后由氧化锆型氧传感器测量烟气中的含氧量并将数据上传至远程工作站和空气量供给调节智能控制器；最终由空气量供给调节智能控制器按照内部的给风量调节控制系统程序对所加空气量进行调节进而保证炉膛内部在最佳过量空气系数的条件下稳定燃烧。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
一、本发明使用PLC控制系统可以实现原油加热过程的全自动化。
二、本发明将前馈调节和反馈调节结合，在出现原油参数扰动时，实现了原油实际出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性。
三、本发明设计的一种原油加热炉的控制系统，能实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性；该控制系统分为燃气调节控制系统和给风量调节控制系统两大部分，在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块，判断当前扰动是否超过阈值。
四、本发明通过炉内传热计算模型，确定理论水套温度以及燃气调节方式，快速改变水套温度，缩短响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求。
五、本发明通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，改变水套温度，精准控制实际原油出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求。
六、实时获取燃气流量，通过空气量计算模型，确定炉膛一次给风量。加装氧化锆型氧传感器获得烟气中含氧量，进而根据过量空气系数计算模型，获得炉膛内实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为过量空气系数控制中负反馈回路的输入，调整给风量保证过量空气系数最佳且恒定。
七、控制系统中的给风量调节控制系统和燃气调节控制系统共同作用，燃气调节控制系统根据加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，给风量调节控制系统根据输入燃气流量提供所需空气量，最终实现对原油出液温度控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明燃气流量调节示意图；
图2是本发明涉及的一种利用该系统进行控制的加热炉；
图3是本发明涉及的该系统的控制流程图；
本发明必要的符号说明：1-出口温度传感器 2-进口温度传感器 3-进口流量传感器4-扰动预判控制器 5-燃气调节智能控制器 6-空气量供给调节智能控制器 7-燃烧器8-烟管 9-氧化锆型氧传感器 10-走油盘管 11-水套温度传感器 12-放空阀 13-加水阀 14-安全阀 15-水套压力传感器 16-液位传感器 17-燃气管道压力传感器18-燃气管道温度传感器 19-排污阀；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
为使本发明实施例的目的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1，3所示，本发明实施例提供一种新型全自动加热控制系统，通过燃气流量的前馈预判调节和反馈调节结合，使其实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性要求，以及过量空气系数的有效控制。
一种原油加热炉的控制系统，应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式，从而实现原油加热过程的自动化和远程传输控制。所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统。
作为本发明的一个优选的实施例，所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节和反馈调节模块。
作为本发明的一个优选的实施例，所述控制系统对加热炉进行了以下3个方面的处理：
(1)在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块和前馈调节模块，判断当前扰动是否超过阈值；超过时，系统进行前馈调节；根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度，并结合加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，改变水套温度；通过上述扰动判断、前馈调节，可以缩短对扰动的响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求；
(2)在燃气调节控制系统中，设立了反馈调节模块；通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，进而调节燃气流量，精准控制原油实际出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求；
(3)在给风量调节控制系统中，根据燃气流量，利用空气量计算模型确定一次给风量；进而根据过量空气系数计算模型，利用烟气内含氧量获得实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为该控制回路中负反馈的输入，保证炉内过量空气系数最佳且恒定,实现原油加热的低污染和低能耗要求。
作为本发明的一个优选的实施例，所述原油扰动判断模块是根据入口原油的初始温度和流量并结合扰动发生时的燃气流量，利用能量守恒式计算原油出口温度，当该温度与目标温度的差值大于阈值时，控制系统作用，否则，控制系统不作用；
作为本发明的一个优选的实施例，所述炉内传热计算模型，是根据原油和加热水套的基本物理参数，建立管内强制对流换热热平衡式，进而确定理论水套温度值；
作为本发明的一个优选的实施例，所述来流原油参数发生扰动时，第(1)方面处理包含以下4个过程
S1:通过原油扰动判断模块，判断当前扰动是否超过阈值；
S2:根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度tst2；
S3:计算水套从起始温度变至理论水套温度所需吸收或释放的热量；
S4:利用积分原理，结合加热炉能承受的燃气量变化范围，确定燃气释放方式；
作为本发明的一个优选的实施例，在S3中，增加或释放的热量根据两种工况确定：
工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即tst2>tst1
根据能量守恒原理，可以计算出扰动出现前后理论水套温度变温所需的热量Qrl1：
Qrl1＝CP,s·Vs·ρs·(tst2-tst1) (1)
式中CP,s是水的定压比热容，ρs是水的密度。设tst1是发生扰动前的理论水套温度，tst2是扰动发生后计算的理论水套温度,A是水套与原油的换热面积。qm,y2是扰动发生后来流原油的质量流量，t′y0是原油出液温度的设定值，tyo2是扰动发生后原油实际出液温度，yyi2是扰动发生后来流原油的温度。ρy是原油在定性温度下的密度，CP,y是原油在定性温度下的定压比热容。考虑水套温度变化过程中向原油传递的热量散失，以水套变温过程中的算数平均温度为外侧平均水套温度，
利用传热方程得：
由于水套变化前后的温度、原油出口与入口温度相差不是很大，因此可用算数平均温差代替对数平均温差：
代入原油的进口温度、换热系数，计算出此时的平均原油出口温度：
tp·j＝(0.5(tst1+tst2+tyi2)+(qm,y2·CP,y·tyi2)/(hhr·A))/((qm,y2·CP,y)/(hhr·A)+0.5)
(4)
计算水套向原油传递的热量Qr12
Qrl2＝qm,y2(tpj-tyi2)CP,y·t (5)
其中t系统的调节时间。
水套升温所需的实际热量
Qrl＝Qrl1+Qrl2 (6)
工况二，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2<yst1
此时加热炉的水套实际温度高于扰动后所对应的水套理想温度，因此需要使燃气流量达到最低从而实现水套释放热量，考虑到加热炉运行过程中不能停机，本发明中设定加热炉以释放最小燃气流量的工况运行。
作为本发明的一个优选的实施例，在S4中，燃气释放方式同样根据两种工况确定：
工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即tst2>tst1
综合考虑燃气释放的快速性和加热炉燃气载荷限度，流量的调节方式示意图即燃气流量调节示意图如图1所示：
由示意图1知，调节过程分三部分，在水套变温时间内所释放的燃气总量为V，燃气中CH4的含量为
。并且
其中燃气调节过程中持续放出最大燃气流量的时间τ2与加热炉能承受的燃气量变化范围有关，由积分原理可得：
q1是发生扰动前的燃气流量，qm,y1是扰动发生前来流原油的质量流量，此时燃气的放热量与原油升温所需要的热量达到平衡
q1＝qm,y1·CP,y·(tyo'-tyi1)/(Qrzh·η) (9)
q2是调节过程中出现的最大燃气流量，其数值与加热炉所能承受的最大载荷相等(即传统大小火双档调节中的大火档的燃气流量)。
q3是出现扰动后，传热过程所建立的新的平衡时所需要的燃气流量
q3＝qm,y2·CP,y·(tyo'-tyi2)/(Qrzh·η) (10)
τ1是第一部分燃气流量变化的时间，τ2是第二部分持续放出最大燃气流量的时间，τ3是第三部分燃气流量变化的时间。其中τ1、τ3与燃气调节过程中的最大速率有关，为定值。
其中Qrl是水套从起始温度改变至理论水套温度实际所需总热量。Qrzh是CH4的在燃气管道内的实际单位体积热值，η是加热炉的运行效率，Pgn是燃气管内的燃气压力，Tgn是燃气管内的燃气温度，Q′rzh是标准状态下CH4的热值，T0是标准状态下的温度，取296.13K，P0是标准状态下的压力，取101.325kPa。
通过上述式子可以计算出从q1变化到q2的斜率k1以及燃气流量从q2变化到q3的斜率k2，以及持续放出最大燃气流量的时间τ2，进而确定燃气调节方式。
工况二，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2<tst1
此时加热炉以释放最小燃气流量的工况运行，即加热炉释放的燃气流量与传统大小火双档调节中的小火档的燃气流量相等；当水套温度降低至改变后的原油流量所对应的理论水套温度时，燃气流量改变至式(10)所计算的流量。
进一步的，所述第(2)方面处理，利用原油实际出液温度与目标出液温度的差值Δtyo2作为反馈调节模块负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈流量修正值Δqfuel。
所述反馈PID回路控制采用离散PID方法控制，τ时刻反馈燃气流量修正值Δqfuel(τ)为
δτ表示两次燃气流量设定的时间间隔，KP、KI、KD分别表示燃气流量反馈控制的离散系统PID参数，Δqfuel(τ)表示τ时刻反馈燃气流量修正值,Δtyo2(τ)表示发生扰动后τ时刻原油实际出液温度与目标出液温度的差值，Δtyo2(kδτ)表示发生扰动后第k次δτ刻原油实际出液温度与目标出液温度的差值，其中τ＝k·δτ。
进一步的，所述第(3)方面过量空气系数控制回路中，根据烟气内含氧量
利用燃气中CH4的含量及燃烧方程式，结合原子守恒，进而计算的实际过量空气系数
利用实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值Δα作为负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈空气量修正值Δqair。
本实施例还涉及一种原油加热炉，利用该系统进行控制，如图2所示，所述加热炉为水套加热炉，壳体由卷制筒体和两侧封头组成,整体分内外两层，内层是由耐火陶瓷纤维材料组成的保温层，可减少烟管8和水套向外界的热量损失，外层是由喷刷彩漆的卷制钢板和封头焊接而成，既可以支撑炉体结构又可以减缓腐蚀。
所述烟管8中间部分是由不锈钢卷制而成的圆筒形，一侧通过多根无缝管与夹持管板组焊而成的管束与烟囱相连，另一侧直接与燃烧器7相连；
走油盘管10是由无缝管与夹持管板组焊而成蛇形盘管，位于水套内部。
所述走油盘管10外壁焊接有平直翅片，可增强管壁与水套内水的换热面积以强化换热。
氧化锆型氧传感器9整体采用可拆卸结构，尾端焊接有四只贯穿烟囱壁的固定螺栓，伸出烟囱外壁的螺栓在烟囱外壁处与六角螺母配置，既起到固定作用也便于拆卸。
烟囱在传感器放置位置的上方带有检修门，便于传感器的检修与更换。
液位传感器16与加水阀13相连，整体采用可拆卸结构，加水阀13包括放置于水套水面的浮球和垂直放置的干簧管，液位传感器16头部为扁钢通过螺栓螺母配置固定在水套加热炉外壳上表面，头部扁钢与下部的干簧管由固定垂直气焊而成。
所述加热炉还包括其它物性参数传感器，所述物性参数传感器包括压力传感器、温度传感器等，整体上同样采用可拆卸结构，固定端通过螺栓螺母配置与加热炉壳体相连，测试端延伸至被测量物体内部。
该水套加热炉中扰动预判控制器4、燃气调节智能控制器5、空气量供给调节智能控制器6均使用80C51系列的单片机，三者可以分散放置在加热炉各个部位，也可以集成在PC机上，作为本发明的一个优选的实施例，为了更形象地表现三种控制器的功能所以采用分散布置。
扰动预判控制器4的输入端与进口温度传感器2、进口流量传感器3相连，输出端与燃气控制阀、风门控制阀等控制设备以及远程工作站相连，所述扰动预判控制器4由内存储器、CPU、I/O接口组成，内存储器中嵌有本发明中提出的原油扰动判断模块算法的程序，输入接口电路接收原油进口温度信号和进口流量信号，输出接口电路将CPU运行结果传送至该水套式加热炉的控制设备和远程工作站。
燃气调节智能控制器5的输入端与水套温度传感器11、燃气管道压力传感器17、燃气管道温度传感器18相连，输出端与燃气控制阀、远程工作站和空气量供给调节智能控制器6相连。燃气调节智能控制器5的内存储器中嵌有本发明中提出的燃气调节控制系统算法的程序，输入接口电路接收水套温度信号、燃气管道压力信号、燃气管道温度信号；CPU调取程序指令进行运算，输出接口电路将CPU运行结果传送至燃气控制阀、远程工作站和空气量供给调节智能控制器6。
空气量供给调节智能控制器6的输入端与燃气调节智能控制器5和氧化锆型氧传感器9相连，输出端与风门控制阀和远程工作站相连。内存储器中嵌有本发明中提出的给风量调节控制系统算法的程序，输入接口电路接收燃气流量信号和烟气含氧量信号，CPU调取程序指令进行运算，输出接口电路将CPU运行结果传送至风门控制阀和远程工作站。
放空阀12可以快速排除烟管8内空气，用于事故发生时的紧急处理，防止事故扩大。安全阀14与水套压力传感器15连接，用于保护水套内气压处于安全范围之内，当水套内超压时阀门开启释放压力。水套压力传感器15与安全阀1组合，测量水套内压力。排污阀19用于加热炉排污处理，包括加热炉内废水和污油的排放。
最后，为更好的说明本发明的实施例，对本发明进行进一步的阐述：
进一步的，其中扰动预判控制器4内部嵌有本发明提出的原油扰动判断模块算法的程序，燃气调节智能控制器5中嵌有本发明中提出的燃气调节控制系统算法的程序；空气量供给调节智能控制器6中嵌有本发明中提出的给风量调节控制系统算法的程序；
原油进入加热炉后，燃气调节智能控制器5释放燃气与空气量供给调节智能控制器6供给的空气混合经燃烧器7引燃后进入炉膛内燃烧，产生的烟气经过烟管8加热水套内部的水进而将热量传给走油盘管10内的原油，实现原油的加热。
进一步的，燃气流量调节模块包括出口温度传感器1，进口温度传感器2，进口流量传感器3，扰动预判控制器4，燃气调节智能控制器5，燃气管道温度传感器18，水套温度传感器11。
以下为本发明其中一个实施例原油实际出液温度的控制方式：
原油进入加热炉加热时，首先由进口温度传感器2和进口流量传感器测量3出原油的进口温度和进口流量，并将数据上传至远程工作站和嵌入原油扰动判断模块算法的扰动预判控制器4并由扰动预判控制器4判断原油出现扰动时是否需要启动调节系统；
当原油波动的计算结果大于一定限度时，需要启动调节系统时，首先进行燃气流量的前馈调节：由水套温度传感器11测量此时水套内的实际温度；
由燃气管道压力传感器17、燃气管道温度传感器18测量燃气管道内的温度和压力，并将信号传递上传至远程工作站和燃气调节智能控制器5；
由燃气调节智能控制器5按照内部设计好的燃气前馈调节程序确定燃气调节方式使得水套温度快速调整至相应温度。
进一步的,进行燃气流量反馈调节：由出口温度传感器1测量被加热原油的出口温度并上传至远程工作站和燃气调节智能控制器5，由燃气调节智能控制器5内部的PID自动控制程序对燃气流量进行细调从而确保出油温度的调节精度满足要求。
水套还包括加水阀13和液位传感器16，水套的水被加热后，蒸发量变大，需要及时补充水量，液位传感器检测水套内的水位低于某一限值时，可以通过加水阀13向水套内注水，当液位传感器检测到水套内的水位达到设定值时加水阀关闭，使水套内的水位一直维持在一个恒定的范围内。
进一步的,进行给风量调节：给风量调节控制系统由空气量供给调节智能控制器6、氧化锆型氧传感器9组成。在工作过程中，燃气调节智能控制器5实时保存调节过程中的燃气流量并将其上传至远程工作站和空气量供给调节智能控制器6，首先按照燃气流量初步供给燃烧所需空气量，然后由氧化锆型氧传感器9测量烟气中的含氧量并将数据上传至远程工作站和空气量供给调节智能控制器6；最终由空气量供给调节智能控制器6按照内部的给风量调节控制系统程序对所加空气量进行调节进而保证炉膛内部在最佳过量空气系数的条件下稳定燃烧。
以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案，不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式；
所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统；
所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节模块和反馈调节模块；
所述控制系统对加热炉进行了以下3个方面的处理：
(1)在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块和前馈调节模块，判断当前扰动是否超过阈值；超过时，系统进行前馈调节；根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度，并结合加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，改变水套温度；通过上述扰动判断、前馈调节，可以缩短对扰动的响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求；
(2)在燃气调节控制系统中，设立了反馈调节模块；通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，进而调节燃气流量，精准控制原油实际出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求；
(3)在给风量调节控制系统中，根据燃气流量，利用空气量计算模型确定一次给风量；进而根据过量空气系数计算模型，利用烟气内含氧量获得实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为控制回路中负反馈的输入，保证炉内过量空气系数最佳且恒定,实现原油加热的低污染和低能耗要求；
所述原油扰动判断模块是根据入口原油的初始温度和流量并结合扰动发生时的燃气流量，利用能量守恒式计算原油出口温度，当该温度与目标温度的差值大于阈值时，控制系统作用，否则，控制系统不作用；
所述炉内传热计算模型，是根据原油和加热水套的基本物理参数，建立管内强制对流换热热平衡式，进而确定理论水套温度值；
当来流原油参数发生扰动时，第(1)方面处理包含以下4个过程：
S1:通过原油扰动判断模块，判断当前扰动是否超过阈值；
S2:根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度；
S3:计算水套从起始温度变至理论水套温度所需吸收或释放的热量；
S4:利用积分原理，结合加热炉能承受的燃气量变化范围，确定燃气释放方式；
在第(2)方面处理，利用原油实际出液温度与目标出液温度的差值Δtyo2作为反馈调节模块负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈流量修正值Δqfuel；
所述负反馈PID回路控制采用离散PID方法控制，τ时刻反馈燃气流量修正值Δqfuel(τ)为
在第(3)方面过量空气系数控制回路中，根据烟气内含氧量
利用燃气中CH4的含量及燃烧方程式，结合原子守恒，进而计算的实际过量空气系数
利用实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值Δα作为负反馈调节PID回路的输入，整定PID参数，得到反馈空气量修正值Δqair；
所述第(1)方面S3过程增加或释放的热量根据两种工况确定：
其工况一为，发生扰动后水套需要吸收热量，即tst2＞tst1
根据能量守恒原理，计算出扰动出现前后理论水套温度变温所需的热量Qrl1：
Qrl1＝CP,s·Vs·ρs·(tst2-tst1)
式中CP，s是水的定压比热容，ρs是水的密度；设tst1是发生扰动前的理论水套温度，tst2是扰动发生后计算的理论水套温度,A是水套与原油的换热面积；qm，y2是扰动发生后来流原油的质量流量，t′y0是原油出液温度的设定值，tyo2是扰动发生后原油实际出液温度，tyi2是扰动发生后来流原油的温度；ρy是原油在定性温度下的密度，CP，y是原油在定性温度下的定压比热容；考虑水套温度变化过程中向原油传递的热量散失，以水套变温过程中的算数平均温度为外侧平均水套温度，
利用传热方程得：
用算数平均温差代替对数平均温差：
代入原油的进口温度、换热系数，计算出此时的平均原油出口温度：
tpj＝(0.5(tst1+tst2+tyi2)+(qm,y2·CP,y·tyi2)/(hhr·A))/((qm,y2·CP,y)/(hhr·A)+0.5)
计算水套向原油传递的热量Qrl2
Qrl2＝qm,y2(tpj-tyi2)CP,y·t
其中t系统的调节时间；
水套升温所需的实际热量
Qrl＝Qrl1+Qrl2
其工况二为，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2＜tst1，
此时加热炉的水套实际温度高于扰动后所对应的水套理想温度，因此需要使燃气流量达到最低从而实现水套释放热量，考虑到加热炉运行过程中不能停机，设定加热炉以释放最小燃气流量的工况运行；
在S4中，燃气释放方式根据两种工况确定，其中一个工况为，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2＜tst1，
此时加热炉以释放最小燃气流量的工况运行，即加热炉释放的燃气流量与传统大小火双档调节中的小火档的燃气流量相等；当水套温度降低至改变后的原油流量所对应的理论水套温度时，燃气流量改变至q3＝qm,y2·CP,y·(tyo'-tyi2)/(Qrzh·η)所计算的流量。
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