CN2288404Y - 油田加热炉节能控制装置 - Google Patents

Abstract

一种油田加热炉节能控制装置,属燃烧的调节或控制领域。本加热炉节能控制装置,由温度传感器、控制器和燃料调节器组成。温度传感器由热电偶和温度变送器组成,其一端与加热炉物流出口联接,另一端与控制器联接;控制器采用微机或用单片机等电子元件组装,由单片机组装的控制器由8098单片机、74HC373、74LS373锁存器、EPROM存贮器、6264、2816、存贮器、74LS138地址译码器,74HC05、74LS07、4051逻辑门,74LS245缓冲器、二极管、发光二极管、电位器、蜂鸣器等组成,控制器分别与温度传感器及燃料调节器相连;燃料调节器由调节阀和电动执行器组成,其一端与控制器联接,另一端与加热炉燃料输入口联接。使用本加热炉节能控制装置后可有效地控制加热炉输出温度,大幅度减少不必要的生产耗能。

Description

油田加热炉节能控制装置

本实用新型涉及加热炉节能控制装置，属燃烧的调节或控制领域。

在油气田及长输管道的生产流程中，不少工艺过程要求把生产物流加热升温到一定温度，因此在油气田及长输管道上广泛使用着加热炉。油气田及长输管道上使用的加热炉大都是以天然气或原油为燃料的，它们属于燃油炉或燃气炉。由于加热炉是油气田及长输管道生产流程中的主要耗能装置，因此是节能的主要对象之一。当前；对加热炉采用的节能技术主要有以下几种：

1、改善燃烧，采用高效火嘴，减少燃烧损失；

2、加强保温，减少炉体散热损失；

3、降低排烟温度，回收烟气余热；

4、燃料油乳化技术，强化燃料的燃烧过程，提高燃烧效率。

上述节能技术采用了不同的技术措施来减少加热炉能量转换过程中的各种能量损失，能够提高加热炉的热效率，但不能降低或减少加热炉输出热能中的无功热能。

在油气田及长输管道的生产过程中，为保证生产的正常运行，要求生产物流必须达到一定的工艺温度。因此，加热炉输出物流的实际温度总要超过工艺温度。这里，把无功热能定义为加热炉输出物流的温度与工艺温度的温度差值所含的热能。那么，加热炉的输出热能由工艺有效热能(加热炉输出物流达到工艺温度所具有的热能)和无功热能组成。加热炉输出热能中的无功热能对于生产不是必需的，因此无功热能是一种能量损失。目前，对油气田及长输管道加热炉采用的节能技术，没有对降低或减少加热炉无功热能损失采取措施，因此降低或减少加热炉无功热能损失的节能技术尚属空白。

目前，加热炉的燃料输入量由人工调节阀门给定。由于存在着生产工况的随机变化、生产管理条件以及操作人员素质等诸多因素的影响，因此在实际生产过程中，加热炉输出温度与工艺温度间经常存在较大的差值。由于，加热炉输出热能中，无功热能的大小跟加热炉输出温度与工艺温度差值的大小成正比，控制加热炉输出的温度就能降低加热炉的无功热能损失。并且减少加热炉不必要的燃料消耗。本实用新型的目的是提供一种加热炉节能控制装置，以通过控制加热炉输出温度稳定在给定的温度范围，从而达到降低加热炉无功热能损失的目的。

本实用新型油田加热炉节能控制装置由温度传感器、控制器和燃料调节器组成。各个组成部分的主要功能如下：

(1)温度传感器由热电偶(或热电阻)和温度变送器组成。其一端与加热炉物流出口联接，另一端与控制器联接。主要功能是测量加热炉输出物流的温度，并转换成电信号传送给控制器；

(2)控制器采用微机或用单片机等电子元件组装，由单片机组装的控制器电路设计见附图2--4。控制器的核心是软件，其中关键软件为“燃料量智能控制程序”。采用单片机组装的控制器，将“燃料量智能控制程序”固化在单片机中。

控制器分别与温度传感器及燃料调节器相连，主要功能是接收温度传感器输出的信号，根据接收到的温度信号作出判断，输出执行信号给燃料调节器，在临界工况下，还具有报警功能。

(3)燃料调节器由调节阀和电动执行器组成。其一端与控制器联接，另一端与加热炉燃料输入口联接。主要功能是根据控制器输出的执行信号，调节加热炉的燃料输入量。

说明附图如下：

图1为本实用新型油田加热炉节能控制装置结构示意图。

图2、3为控制器主机板电路图。

图4为键盘与显示器电路图。

图5为控制器软件程序框图。

结合附图说明实施例如下：

本实用新型油田加热炉节能控制装置(图1)由温度传感器(1)、控制器(2)和燃料调节器(3)组成。温度传感器(1)由热电偶和温度变送器组成。控制器由8098单片机、74HC373、74LS373锁存器、EPROM存贮器、6264、2816存贮器、74LS138地址译码器，74HC05、74LS07、4051逻辑门，74LS245缓冲器，二极管、发光二极管、电位器、蜂鸣器等组成。燃料调节器由调节阀和电动执行器组成。其工作原理如下：

首先，温度传感器测出加热炉输出物流的温度，并转换成电信号，输给控制器，控制器接收到温度传感器输出的信号后，其燃料量智能控制程序根据信号作出判断，如果加热炉输出温度高于设定温度范围的上限，控制器就发出执行信号给燃料调节器，让其减少加热炉的燃料输入量，由此使加热炉输出温度降低；如果加热炉输出温度低于设定温度范围的下限，控制器则使燃料调节器增加加热炉的燃料输入量，从而使加热炉输出温度提高。总之，控制器根据温度传感器测得的加热炉输出温度，相应调节加热炉的燃料输入量，使加热炉输出温度保持在设定的温度范围内，最终使加热炉的无功热能损失得以降低。

燃料量智能控制程序最主要的组成部分是根据燃料量智能控制方法编制的。该方法的基本原理是根据加热炉燃料供给量的变化与加热炉输出物流温度变化速度的动态关系，建立燃料调节阀的开度变化与物流温度变化速度动态变化的数学模型，找出改变燃料调节阀开度的最佳值，即能够使加热炉物流输出温度迅速稳定在给定值上的燃料调节阀开度。

建立燃料调节阀的开度变化与物流温度变化速度动态变化数学模型的主要推导过程如下：

首先假定：

1、燃料阀的开度与燃料流量的大小成线性关系；

2、加热介质流量在一个阶段内是稳定的；

3、燃料阀在一定的开度下，对应的燃料流量是稳定的。

过程1：燃料阀开度：Y₀＝Y_max

在时刻：S＝S₀物流温度T＝t_a

到时刻：S＝S₁物流温度T＝t_b

在时间间隔ΔS₁内：(ΔS₁＝S₁-S₀)

平均温度变化速度

过程2：燃料阀开度：Y₁＝Y_max-ΔY₁(Y₁为时间间隔ΔS₂＝S₂-S₁时段内的阀门开度，ΔY₁是时间为S₂时给定的阀门开度的变化量)

在时刻：S＝S₁物流温度T＝t_b

到时刻：S＝S₂物流温度T＝t_c

在时间间隔ΔS₂内：(ΔS₂＝S₂-S₁)

平均温度变化速度 (*)在阀开度变化ΔY₁，时间间隔ΔS＝S₂-S₁的情况下，平均温度变化速度的变化，由V₁变为V₂，即温度变化速度变化值为：

ΔV₁＝V₁-V₂

如果运行连续，在一定的范围(或区间)内，指的是时间和阀的开度变化值的范围，可以近似认为阀开度变化ΔY与温度变化速度的变化ΔV成线性关系。

问题是燃料阀的开度变化ΔY为多少，在时间间隔ΔS₂内，能使温度变化速度的变化值ΔV＝V₂。即经时间间隔ΔS₂时，ΔV＝V₂-V₃，若要使V₃＝0则需ΔV＝V₂。

因为： $V_3=\frac{t_d-t_c}{\mathrm{\Δ}{S}_2}$

(t_d为经过ΔS₂时间段后，所达到的物流温度)

若V₃＝0则t_d＝t_c即保持物流温度为恒定，即此时的物流温度值可保持稳定在t_c附近。

由于阀开度的变化值与温度速度变化值的比成线性关系，即 $\frac{\mathrm{\ΔY}}{\mathrm{\ΔV}}=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_1}$ 使ΔV＝V₂则取 $\mathrm{\ΔY}=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_1}\·V_2$

即能使V₃＝0因而当燃料阀开度：Y₂＝Y₁-ΔY时 $\mathrm{\ΔY}=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_1}\·V_2$

在时刻：S＝S₂物流温度T＝t_c。

到时刻：S＝S₃(取S₃＝S₂+ΔS₂)物流温度T＝t_c，即可保持物流度恒定。

本控制器的程序框图见图5。

说明图5如下：

首先启动计算机，然后输入设定温度，初始阀开度、调节量t₀、t_a、t_b、t_c、t_d、ΔY₁，输出执行信号Y＝Y_max，t₀＜t_a＜t_b＜t_c＜t_d，ΔY₁远小于Y_max。t_a、t_d为上、下限。然后比较t≥t_a如为否则重复进行比较，如为是则报警功能启动，如t＜t₀或t＞t_d则报警，记时器启动，s＝0。然后接收信号与设定温度t_b比较t≥t_b，如为否则重复比较，如为是则记录时间，s＝s₁，记时器复位，计算V₁，ΔY＝ΔY₁，输出执行信号Y＝Y-ΔY，平均温速

。然后接收信号与设定温度T_c比较，t≥t_c，如为否则重复比较，如为是则记录时间S＝S₂，记时器复位，计算V₂、ΔV，ΔY＝(ΔY/ΔV)·V₂，输出执行信号Y＝Y-ΔY，平均温速 ，温度变化速度值ΔV＝V₁-V₂，记录时间S＝S₃，将记录时间与S₂比较是否相等，S₃＝S₂，如为否则重复比较，如为是则进行

的比较，ε为给定的一个值，如为否则重复比较，如为是则进行计算 ，输出信号Y＝Y-ΔY。

使用本加热炉节能控制装置后可使：

1、有效地控制加热炉输出温度，大幅度减少不必要的生产耗能。例如，一台额定出力为6300MJ/h的燃气加热炉，平均热效率为75％，加热介质为原油，加热量140m³/h，工艺温度为55℃，炉子入口温度为45℃，没装节能控制装置前，炉子出口温度57℃～59℃，加热炉燃料气耗量为121.3m³/h，其中无功热能耗掉的燃料气量为28m³/h。安装节能控制装置后，使炉子出口温度保持在55.5℃～56℃，炉子的燃料气消耗量减为110.3m³/h，下降幅度为17.3％，其中无功热能所耗的燃料气减少到7m³/h，下降幅度达75％。

2、加热炉安装节能控制装置后，实现生产自动化，提高了生产管理水平。

3、实现加热炉运行遥控，免除人工定时到炉前巡控，减轻了现场操作人员的劳动强度。

4、加热炉出现异常工况会自动报警，有利于安全生产。

Claims (1)

1、一种油田加热炉节能控制装置，其特征是由温度传感器、控制器和燃料调节器组成，温度传感器由热电偶和温度变送器组成，其一端与加热炉物流出门联接，另一端与控制器联接；控制器采用微机或用单片机等电子元件组装，由单片机组装的控制器由8098单片机、74HC373、74LS373锁存器、EPROM存贮器，6264、2816存贮器、74LS138地址译码器，74HC05、74LS07、4051逻辑门，74LS245缓冲器，二极管、发光二极管、电位器、蜂鸣器等组成，控制器分别与温度传感器及燃料调节器相连；燃料调节器由调节阀和电动执行器组成，其一端与控制器联接，另一端与加热炉燃料输入口联接。

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