CN116464984A - 一种基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法，包括：S1、按照预设时间间隔通过设置于燃料气进料管处的燃料气组分传感器获取燃料气实时组分信息；S2、基于所述燃料气实时组分信息和燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值；S3、根据优化控制切换逻辑，通过燃料气流量控制器根据所述燃料气优化流量值或所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。本发明比较传统的温度流量控制方案，控制周期短，调节速度快，减少了控制难度；在燃料气组分发生变化后，依旧可以通过优化燃料气进料流量提供稳定的热量，进而保持炉膛温度恒定，提高了系统稳定性，也减少了操作员操作强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法。
背景技术
燃料气系统作为石油化工行业内企业最庞大和复杂的公用工程，几乎涉及到厂区内所有的生产装置，其主要作用是作为厂区内需加热反应炉的提供热源，各反应炉通过燃料气燃烧释放出的热量维持反应产物所需要的温度。燃料气主要来源于生产过程中的各种副产物中的小分子气体，主要成分有甲烷，乙烷，CO，氮气，氢气，硫化氢，水等，其中甲烷，乙烷，CO，氢气，硫化氢为可燃气体，氮气和水为不可燃气体。燃料气中的可燃气体在反应炉炉膛中与氧气发生反应，释放出热量；其中的不可燃气体在炉膛中不发生反应，随反应结束后的废气排出炉膛外。随着燃料气组分中不可燃气体比例增加，同等流量下燃烧释放的热量随之下降，进而影响到各反应炉温度平衡。
因燃料气的燃烧加热是一个热辐射的温度传递过程，随着炉膛压力和原理组分的改变，燃料气的燃烧范围都会发生变化，无法通过对应的温度传感器直接测量燃料气燃烧温度，工业上对于燃料气的控制主要有单回路流量控制方案、温度流量控制方案和热值流量控制方案三种控制方法。
单回路流量控制是通过使燃料气的进料流量恒定进而减少温度波动的控制方法。通过在燃料气进料管线上的安装流量传感器，将燃料气的实时流量作为负反馈构建单回路闭环流量控制回路，通过调节流量控制器参数可达到燃料气的流量稳定控制。但此方案当燃料气组分或工艺情况发生改变时，燃料气燃烧产生的热量不能满足反应炉的需求，就会造成反应炉的温度波动，影响反应进程。且此方案的流量设定值是由操作员人工设置，对操作员的个人经验要求较高，增加了操作员的学习难度和工作强度。但此方案为最基础的控制方案，被用于在多数厂区中，后续的温度流量控制和热值流量控制都是基于单回路流量控制的改进方案。
温度流量控制并不是直接测量燃料气的燃烧温度，而是通过测量反应炉的反应物的出口温度进而补偿燃料气的进料流量的控制方案，此方案的温度测量处于整个反应过程中的最下游，滞后比较严重，而且受反应进程、进料原理和燃料气进料流量多重因素影响，各变量直接耦合器较高，调节难度大且操作复杂。
热值流量控制是通过测量燃料气的热值系数补偿进料流量的一种控制方案，热值传感器可以测量出进料流量的热值，以进料流量的热值进行参考补偿进料流量，此方案中热值传感器具有一定的局限性，一方面因为热值传感器测试时间较长，会给系统带来较大的滞后性，当燃料气组分发生变化后，无法根据燃料气组分快速调整，降低控制效果；另一方面因为燃料气自身组分复杂且变化性大，复杂的成分组合会降低热值传感器的测量精度，进而到整个热值流量控制系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供了一种基于燃料气组分变化的炉膛温度控制方法，此方案通过测量燃料气的组分，根据燃料气的组分变化优化燃料气的进料流量，进而达到加热炉炉膛温度稳定控制的效果，同时也减轻了操作员的操作负荷。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于燃料气组分变化的炉膛温度控制方法，包括：
S1、按照预设时间间隔通过设置于燃料气进料管处的燃料气组分传感器获取燃料气实时组分信息；
S2、基于所述燃料气实时组分信息和燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值；
S3、根据优化控制切换逻辑，通过燃料气流量控制器根据所述燃料气优化流量值或所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
可选地，所述S1之前还包括：
在燃料气系统首次运行且燃料气流量稳定后，通过所述燃料气组分传感器获取初始燃料气组分信息，作为燃料气稳定组分信息；
基于炉膛温度预设范围和燃料气稳定组分信息确定所述燃料气流量设定值。
可选地，所述S3之后还包括：
利用流量检测传感器实时获取并显示所述燃料气进料流量。
可选地，所述S3中所述优化控制切换逻辑包括：
利用优化控制切换开关实现优化控制切换，当打开优化控制时，采用所述燃料气优化流量值设置燃料气进料流量；否，则采用所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
可选地，所述燃料气的组成包括以下气体的一种或多种：
甲烷，乙烷，氢气，一氧化碳和氮气。
可选地，所述S2包括：
S21、获取燃料气稳定组分信息；
S22、利用如下公式计算所述燃料气优化流量值：
其中，Fnew为所述燃料气优化流量值，Fset为所述燃料气流量设定值，A0-E0依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气稳定组分信息，A1-E1依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气实时组分信息。
第二方面，本发明提供了一种DCS控制系统，用于控制燃料气加热炉，包括炉膛温度控制功能块，所述炉膛温度控制功能块能够实现上述第一方面中任一项基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法。
第三方面，本发明提供了一种燃料气加热炉，包括燃料气组分传感器、燃料气流量控制器和处理器，
所述燃料气组分传感器，用于测量燃料气组分中各气体占比值，获得燃料气组分信息；
所述燃料气流量控制器，用于根据输入的燃料气流量设置参数控制燃料气进料流量；
所述处理器，用于根据按照预设时间间隔通过燃料气组分传感器获取的燃料气实时组分信息，结合输入的燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值，并利用所述燃料气优化流量值控制燃料气流量控制器实现基于燃料气组分的燃料气流量控制，从而实现加热炉温度控制。
可选地，所述燃料气组分传感器包括：甲烷气体测量传感器、乙烷气体测量传感器、氢气气体测量传感器、一氧化碳气体测量传感器和氮气测量传感器。
可选地，还包括流量检测传感器，用于实时获取并显示所述燃料气进料流量。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提出基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法，其中的燃料气组分测量测点处于燃料气燃烧前，相比较传统的温度流量控制方案，控制周期短，调节速度快，减少了控制难度。
本发明提出的控制方法在燃料气组分发生变化后，依旧可以通过优化燃料气进料流量提供稳定的热量，进而保持炉膛的温度恒定，提高了系统的稳定性，也减少了操作员的操作强度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的基于燃料气组分变化控制燃料气进料流量的工作示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法，主要包括以下步骤：
S1、按照预设时间间隔通过设置于燃料气进料管处的燃料气组分传感器获取燃料气实时组分信息；
S2、基于所述燃料气实时组分信息和燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值；
S3、根据优化控制切换逻辑，通过燃料气流量控制器根据所述燃料气优化流量值或所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
具体的，在实际应用中，所述S1之前还包括：
在燃料气系统首次运行且燃料气流量稳定后，通过所述燃料气组分传感器获取初始燃料气组分信息，作为燃料气稳定组分信息；
基于炉膛温度预设范围和燃料气稳定组分信息确定所述燃料气流量设定值。
如图2所示，在实际应用中，可以由操作员确定燃料气流量设定值。
如图2所示，在实际应用中，可以利用流量检测传感器实时获取并显示燃料气实时进料流量，并将该数据反馈给流量控制器作为根据燃料气优化流量值调节燃料气进料流量的参考。
本实施例S3中优化控制切换逻辑包括：
利用优化控制切换开关实现优化控制切换，当打开优化控制时，采用所述燃料气优化流量值设置燃料气进料流量；否，则采用所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
如图2所示，在实际应用中，操作员可以根据现场情况进行优化控制开关切换，当切换至下游时，操作员设置的燃料气流量给定值直接送至流量控制器中，此时为单回路流量控制；当切换开关切换至上游时，利用燃料气组分传感器测量的燃料气实时组分值优化操作员给定的流量设定值，将优化后的设定值(即燃料气优化流量值)送至流量控制器中，流量控制器根据新的设置值进行流量调节。
需要说明的是，因燃料气组分过于复杂，想要测出燃料气的全部组分成本昂贵且实施难度大，对于燃料气中占比很小的组分，在燃料气的燃烧过程中可以忽略不计，所以本实施例选取燃料气中主要占比成分作为优化测量参数，主要包括甲烷，乙烷，氢气，一氧化碳和氮气这五个主要组分作为测量源。
需要指出的是，这里选择的上述五种燃料气的组分类别不能作为对本发明燃料气组分类别的限制，事实上，本发明的实施人员可以根据具体的燃料气组分情况自由选择合适的类别使用本发明的优化控制方法。
为了更详细的说明本实施例S2，下面就S2所包括的子步骤进行介绍，包括：
S21、获取燃料气稳定组分信息；
S22、利用如下公式计算所述燃料气优化流量值：
其中，Fnew为所述燃料气优化流量值，Fset为所述燃料气流量设定值，A0-E0依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气稳定组分信息，A1-E1依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气实时组分信息。
本实施例所提出基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法，其中的燃料气组分测量测点处于燃料气燃烧前，相比较传统的温度流量控制方案，控制周期短，调节速度快，减少了控制难度。
本实施例所提出的控制方法在燃料气组分发生变化后，依旧可以通过优化燃料气进料流量提供稳定的热量，进而保持炉膛的温度恒定，提高了系统的稳定性，也减少了操作员的操作强度。
实施例二
本实施例提供了一种DCS控制系统，用于控制燃料气加热炉，包括炉膛温度控制功能块，所述炉膛温度控制功能块能够实现上述实施例一中任一项基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法。
燃料气加热炉与本实施例的DCS控制系统配套使用，能够实现燃料气组分测量、基于燃料气组分的优化流量值计算和燃料气进料流量自动控制，最终实现对加热炉炉膛温度稳定控制。
实施例三
本实施例提供了一种燃料气加热炉，包括：
燃料气组分传感器、燃料气流量控制器和处理器，
所述燃料气组分传感器，用于测量燃料气组分中各气体占比值，获得燃料气组分信息；
所述燃料气流量控制器，用于根据输入的燃料气流量设置参数控制燃料气进料流量；
所述处理器，用于根据按照预设时间间隔通过燃料气组分传感器获取的燃料气实时组分信息，结合输入的燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值，并利用所述燃料气优化流量值控制燃料气流量控制器实现基于燃料气组分的燃料气流量控制，从而实现加热炉温度控制。
所述燃料气组分传感器包括：甲烷气体测量传感器、乙烷气体测量传感器、氢气气体测量传感器、一氧化碳气体测量传感器和氮气测量传感器。
以及，还包括流量检测传感器，用于实时获取并显示所述燃料气进料流量。
需要解释的是，这里对于燃料气组分传感器的描述不构成对其组成的限制，在具体实施中，实施人员可根据情况选择符合实际燃料气组分情况的气体测量传感器构成燃料气组分传感器。
需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、按照预设时间间隔通过设置于燃料气进料管处的燃料气组分传感器获取燃料气实时组分信息；
S2、基于所述燃料气实时组分信息和燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值；
S3、根据优化控制切换逻辑，通过燃料气流量控制器根据所述燃料气优化流量值或所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1之前还包括：
在燃料气系统首次运行且燃料气流量稳定后，通过所述燃料气组分传感器获取初始燃料气组分信息，作为燃料气稳定组分信息；
基于炉膛温度预设范围和燃料气稳定组分信息确定所述燃料气流量设定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3之后还包括：
利用流量检测传感器实时获取并显示所述燃料气进料流量。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3中所述优化控制切换逻辑包括：
利用优化控制切换开关实现优化控制切换，当打开优化控制时，采用所述燃料气优化流量值设置燃料气进料流量；否，则采用所述燃料气流量设定值设置燃料气进料流量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述燃料气的组成包括以下气体的一种或多种：
甲烷，乙烷，氢气，一氧化碳和氮气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S2包括：
S21、获取燃料气稳定组分信息；
S22、利用如下公式计算所述燃料气优化流量值：
其中，Fnew为所述燃料气优化流量值，Fset为所述燃料气流量设定值，A0-E0依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气稳定组分信息，A1-E1依次为甲烷、乙烷、氢气、一氧化碳和氮气的所述燃料气实时组分信息。
7.一种DCS控制系统，其特征在于，用于控制燃料气加热炉，包括炉膛温度控制功能块，所述炉膛温度控制功能块能够实现权利要求1-6中任一项基于燃料气组分变化的炉膛温度优化控制方法。
8.一种燃料气加热炉，其特征在于，包括燃料气组分传感器、燃料气流量控制器和处理器，
所述燃料气组分传感器，用于测量燃料气组分中各气体占比值，获得燃料气组分信息；
所述燃料气流量控制器，用于根据输入的燃料气流量设置参数控制燃料气进料流量；
所述处理器，用于根据按照预设时间间隔通过燃料气组分传感器获取的燃料气实时组分信息，结合输入的燃料气流量设定值，得到燃料气优化流量值，并利用所述燃料气优化流量值控制燃料气流量控制器实现基于燃料气组分的燃料气流量控制，从而实现加热炉温度控制。
9.根据权利要求8所述的燃料气加热炉，其特征在于，所述燃料气组分传感器包括：甲烷气体测量传感器、乙烷气体测量传感器、氢气气体测量传感器、一氧化碳气体测量传感器和氮气测量传感器。
10.根据权利要求8所述的燃料气加热炉，其特征在于，还包括：
流量检测传感器，用于实时获取并显示所述燃料气进料流量。
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