JP2005249260A

JP2005249260A - 加熱炉の制御システム

Info

Publication number: JP2005249260A
Application number: JP2004058726A
Authority: JP
Inventors: Akira Orihara; 明折原; Osamu Suenaga; 治末永
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】混合ガス燃料の組成変化，被加熱流体の負荷変動に対して、被加熱流体の温度変化が少なく、安定して運転することができる加熱炉の制御システム。
【解決手段】１〜６をコンピューターにより実行する。
１：混合ガス燃料のそれぞれの流量変化を検出し、発熱量の変化量に換算する／２：１で得た発熱量の変化量を混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトに換算する／３：被加熱流体の流量を検出し、被加熱流体の流量の流量設定値との偏差を演算する／４：手被加熱流体の流量変化が加熱炉出口温度の変化として検出されるまでの時間遅れを検出し、３で得た偏差の出力を遅らせる／５：２で得た混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトを３で得た被加熱流体の流量の流量設定値との偏差により、前記の弁開度リフトを補正する／６：５で得た補正された混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトの出力を受けて、混合ガス燃料調節弁を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉の制御システムに関する。さらに詳しくは、組成が変化する混合ガス燃料を炉内で燃焼させて加熱管内を流れる被加熱流体を加熱する加熱炉において、加熱炉の出口温度を安定化させる加熱炉の制御システムに関する。

加熱炉、例えば、ナフサ分解炉では熱源として燃料ガスを燃焼させて加熱炉内の加熱管内を流れるナフサ等の被加熱流体を加熱・分解してエチレン、プロピレン等のオレフィンを製造している。従来、このような加熱炉においては加熱管内部を流れるナフサ等の被加熱流体の出口温度を検出し、予め設定した設定温度との差に応じて燃料ガスの流量を制御して被加熱流体の温度制御が行われていた。このような制御方法では、燃料ガスの流量変化と被加熱流体の温度変化との間に時間遅れがあり、被加熱流体の出口温度を設定温度に安定化させることが困難であった。特に製油所や化学工場内で発生するガスを集めた、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン等を含む混合ガス組成が絶えず変化する混合ガス燃料を用いた場合には、混合ガス燃料の発熱量が変動し、被加熱流体の出口温度を安定化することが難しいこと、またエチレン収率の向上と言う観点からも加熱炉出口温度の安定化方法の確立が要望されていた。このような問題を解決する方法として、被加熱流体の出口温度を計測し、被加熱流体の温度を設定温度にするのに必要な燃料ガスの質量流量と被加熱流体の比率を演算し、その比率と被加熱流体の供給量とから炉内に供給する燃料ガスの流量を制御する方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開平９−１６０６５５号公報（第１頁〜第３頁）

かかる状況において、本発明は、混合ガス燃料の組成変化や被加熱流体の負荷変動に対して、被加熱流体の温度変化が少なく、安定して運転することができる加熱炉の制御システムの提供を目的とする。

本発明は、組成が変化する混合ガス燃料を炉内で燃焼させて加熱管内を流れる被加熱流体を加熱する加熱炉において、下記第１手段〜第６手段を含む加熱炉の制御システムであり、第１手段〜第６手段をコンピューターにより実行することにより、より効果的に実施することができる。
第１手段：混合されるガス燃料のそれぞれの流量変化を検出し、発熱量の変化量に換算する手段。
第２手段：第１手段で得た発熱量の変化量を混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトに換算する手段。
第３手段：被加熱流体の流量を検出し、被加熱流体の流量の流量設定値との偏差を演算する手段。
第４手段：被加熱流体の流量変化が加熱炉出口温度の変化として検出されるまでの時間遅れを検出し、第３手段で得た偏差の出力を遅らせる手段。
第５手段：第２手段で得た混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトを第３手段で得た被加熱流体の流量の流量設定値との偏差により、前記の弁開度リフトを補正する手段。
第６手段：第５手段で得た補正された混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトの出力を受けて、混合ガス燃料調節弁を制御する手段。

本発明により、混合ガス燃料の組成変化や被加熱流体の負荷変動に対して、被加熱流体の温度変化が少なく、安定して運転することができる加熱炉の制御システムが提供できる。

本発明において、組成が変化する混合ガス燃料とは、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン等を含む混合ガス燃料であって、例えば、石油化学工場におけるナフサ分解ガスからエチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン等を抽出した残りである水素、メタン、エタン等を含むガスやプロパン、ブタン等を含むＬＰＧ等との混合ガスであって、エチレンプラントの負荷、ボイラーの負荷等によってその組成が変動しやすいものを言う。被加熱流体としては、化学プロセスの加熱炉の出口において一定温度が要求されるものであれば、特に制限されるものではないが、例えばエチレンプラントにおけるナフサ分解炉のナフサ等の炭化水素原料が挙げられる。

図１に本発明が適用される加熱炉プロセスの一例を示した。以下図１を参照して本発明を詳細に説明する。図１において、加熱炉プロセスは混合ガス燃料ライン７、密度計８、温度計９、弁入口圧力計１０、質量流量計１１、混合ガス燃料調節弁（１）１２ａ、混合ガス燃料調節弁（２）１２ｂ、弁出口圧力計（１）１３ａ、弁出口圧力計（２）１３ｂ、被加熱流体ライン１４、被加熱流体調節弁１５、流量計１６、加熱炉出口温度計１７、加熱炉１８の流れより構成され、混合ガス燃料ライン７組成が略一定である異なる組成の燃料ガスのラインが結合されている。異なる組成の燃料ガスとは、例えば、水素とメタンが主成分であるガス、エタンが主成分であるガス、プロパン、ブタンが主成分であるＬＰＧ等であり、それぞれのラインには、燃料質量流量計（１）１９、燃料質量流量計（２）２０、燃料質量流量計（３）２１が設けられている。これらの発熱量の異なる燃料ガスを、エチレンプラント、ボイラープラント等の負荷を勘案して、適宜混合して本発明における混合ガス燃料とされる。

このように組成が変化する混合ガス燃料を用いる、本発明の加熱炉の制御システムは、混合される異なるガス燃料それぞれの流量変化を検出し、それらが混合された混合ガス燃料の発熱量の変化量に換算する第１手段１、第１手段で得た発熱量の変化量を混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトに換算する第２手段２、被加熱流体の流量を検出し、被加熱流体の流量の流量設定値との偏差を演算する第３手段３、被加熱流体の流量変化が加熱炉出口温度の変化として検出されるまでの時間遅れを検出し、第３手段で得た偏差の出力を遅らせる第４手段４、第２手段で得た混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトを第３手段で得た被加熱流体の流量の流量設定値との偏差により、前記の弁開度リフトを補正する第５手段５、第５手段で得た補正された混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトの出力を受けて、混合ガス燃料調節弁を制御する第６手段６を含む構成よりなっている。

第１手段により、混合ガス燃料ライン７に結合された組成の異なるガス燃料それぞれの流量変化を検出し、混合ガス燃料の発熱量の変化量に換算する。この場合、混合されるガス燃料はそれぞれ組成が既知であるので、混合された混合ガス燃料の発熱量が演算され、変化の前後における発熱量が一定になるように、供給すべき混合ガス燃料の流量を決定する。尚、混合ガス燃料の流量は、混合ガス燃料ライン７に設けられた密度計８で計測された混合ガス燃料の密度変化を、温度計９、弁入口圧力計１０、弁出口圧力計１３ａ、１３ｂで計測された値で補正される。

この演算の基礎式は、下記式（１）、（２）で表される。

第２手段は、第１手段で得た発熱量の変化量を混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトに換算する。この弁開度リフトは、第３手段に出力されさらに被加熱流体の流量によって補正して、熱炉出口温度を一定に保つために必要な混合ガス燃料供給の制御に用いられる。例示した図１では、混合ガス燃料調節弁１２ａ、１２ｂと二基の調節弁が記載されているが、調節弁の数は炉内を均一に加熱するために必要に応じて弁を増減することができ、混合ガス燃料を分配することができる。

この弁開度リフトの計算の基礎式は、下記式（３）、（４）、（５）、（６）で表される。

第３手段は、被加熱流体の流量を検出し、設定値との偏差を演算する手段である。この偏差を第５手段へ出力し、第２手段で得た混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトを補正する。この際に、被加熱流体の流量変化が加熱炉出口温度の変化として現れるまでに時間遅れがある。この時間遅れの影響は、被加熱流体の設定流量とその時点における流量との偏差の第５手段への入力を遅らせて第２手段で得た混合燃料ガス調節弁の弁開度が補正することにより被加熱流体の出口温度（Ｔｏｕｔ）の変動をなくし、安定化することができる。

第６手段は、加熱炉出口温度の設定値（Tｓｅｔ）、加熱炉出口温度の測定値（Tｏｕｔ）および第５手段で得られた補正された混合ガス燃料調節弁の弁開度の出力を受けて、混合ガス燃料調節弁を制御する手段であり、通常用いられるＴＩＣ制御調節計等が用いられる。

以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、もとより本発明はこれらの例により限定されるものではない。

実施例１
混合ガス燃料として、水素、メタン、エタンの混合ガスを用い、被加熱流体としてナフサを用いた場合における、本発明の加熱炉出口温度安定化制御システム使用時の混合ガス燃料密度と加熱炉出口温度との関係を示す図、および従来の温度調節計のみで制御した場合の混合ガス燃料密度と加熱炉出口温度との関係を示す図を図2、図３に示した。これらの図から、本発明の加熱炉の制御システムを用いた図２の方が従来の温度調節計のみで制御した場合の図３に比し、加熱炉出口温度が非常に安定していることが分かる。

実施例２
実施例１と同様の場合において、被加熱流体流量を変更（０．８Ｔ／Ｈ）した場合における、本発明の加熱炉出口温度安定化制御システム使用時の加熱炉出口温度への影響および従来の温度調節計のみで制御した場合の加熱炉出口温度への影響を図４、図５に示した。これらの図から、本発明の加熱炉の制御システムを用いた図４の方が従来の温度調節計のみで制御した場合の図５に比し、加熱炉出口温度が非常に安定していることが分かる。

本発明が適用される加熱炉プロセスの一例を示す図である。本発明の加熱炉出口温度安定化制御システム使用時の混合ガス燃料密度と加熱炉出口温度との関係を示す図である。従来の温度調節計のみで制御した場合の混合ガス燃料密度と加熱炉出口温度との関係を示す図である。本発明の加熱炉出口温度安定化制御システム使用時の被加熱流体流量変更時の加熱炉出口温度への影響を示す図である。従来の温度調節計のみで制御した場合の被加熱流体流量変更時の加熱炉出口温度への影響を示す図である。

符号の説明

1…第１手段、2…第２手段、３…第３手段、４…第４手段、５…第５手段、６…第６手段、７…混合ガス燃料ライン、８…密度計、９…温度計、１０…弁入口圧力計、１１…質量流量計、１２ａ…混合ガス燃料調節弁（１）、１２ｂ…混合ガス燃料調節弁（２）、１３ａ…弁出口圧力計（１）、１３ｂ…弁出口圧力計（２）、１４…被加熱流体ライン、１５…被加熱流体調節弁、１６…流量計、１７…加熱炉出口温度計、１８…加熱炉、１９…燃料質量流量計（１）、２０…燃料質量流量計（２）、２１…燃料質量流量計（３）

Claims

組成が変化する混合ガス燃料を炉内で燃焼させて加熱管内を流れる被加熱流体を加熱する加熱炉において、下記第１手段〜第６手段を含む加熱炉の制御システム。
第１手段：混合されるガス燃料のそれぞれの流量変化を検出し、混合ガス燃料の発熱量の変化量に換算する手段。
第２手段：第１手段で得た発熱量の変化量を混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトに換算する手段。
第３手段：被加熱流体の流量を検出し、被加熱流体の流量の流量設定値との偏差を演算する手段。
第４手段：被加熱流体の流量変化が加熱炉出口温度の変化として検出されるまでの時間遅れを検出し、第３手段で得た偏差の出力を遅らせる手段。
第５手段：第２手段で得た混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトを第３手段で得た被加熱流体の流量の流量設定値との偏差により、前記の弁開度リフトを補正する手段。
第６手段：第５手段で得た補正された混合ガス燃料調節弁の弁開度リフトの出力を受けて、混合ガス燃料調節弁を制御する手段。
前記、第１手段〜第６手段をコンピュータで実行することを特徴とする請求項１記載の加熱炉の制御システム。