1、加熱爐的控制系統勝利煉油廠儀表車間勝利煉油廠儀表車間吳吳 愛愛 泉泉 中國石化齊魯分公司中國石化齊魯分公司勝利煉油廠儀表車間勝利煉油廠儀表車間 一、加熱爐常規溫度控制 二、加熱爐的支路平衡控制 一、加熱爐常規溫度控制 一、加熱爐常規溫度控制 在石油、化工生產過程中常見的加熱爐主要是管式加熱爐。對于加熱爐，工藝介質受熱升溫或同時進行汽化，其溫度的高低會直接影響后一工序的操作工況和產品質量，同時當爐子溫度過高時會使物料在加熱爐內分解，甚至造成結焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩操作可以延長爐管的使用壽命，因此必須嚴加控制加熱爐出口溫度。 1、加熱爐概述一、加熱爐常規溫度控制2.1 傳熱過程復雜 加熱爐是傳

2、熱設備的一種，燃料的燃燒產生熾熱的火焰和高溫的氣流，熱量主要通過輻射傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質。工藝介質在輻射室獲得的熱量約占熱負荷的7080，其余熱量在對流段獲得。因此加熱爐的傳熱過程比較復雜，想從理論上獲得其對象特性是困難的。 2、加熱爐特點一、加熱爐常規溫度控制2.2 滯后 加熱爐具有較大的時間常數和純滯后時間。特別是爐膛，它有很大的熱容量，滯后更為顯著。因此加熱爐屬于一種多容量的被控對象，可以用一階慣性環節加純滯后來近似加熱爐的對象特性。其時間常數和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質的停留時間有關，爐膛容量大，工藝介質的停留時間長，則時間常數和純滯后時間大；反之亦然。根據實踐經驗

3、，用一階慣性環節加純滯后來近似加熱爐的對象特性還是可行的。 2、加熱爐特點一、加熱爐常規溫度控制 加熱爐最主要的控制指標是工藝介質的出口溫度。此溫度是控制系統的被控變量，而操縱變量是燃料油或燃料氣的流量。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標要求相當嚴格，如允許波動范圍為(12)。3、加熱爐擾動分析 一、加熱爐常規溫度控制影響爐出口溫度的擾動因素主要有：（1）進料方面：工藝介質的流量、溫度、壓力、組分等；（2）燃料方面：燃料油(或燃料氣)的流量、溫度、壓力、成分(或熱值)、燃料油的霧化情況等；（3）其他方面：空氣質量情況（氧含量）、噴嘴的阻力、煙囪抽力等。3、加熱爐擾動分析 一、加熱爐常規溫度控制

4、在上述這些擾動因素中，有些是可控的，有些是不可控的。為了保證爐出口溫度穩定，對擾動應采取必要的措施。如對可控干擾設置控制回路，或與主要控制系統組成串級系統；對可測干擾引入前饋補償等。 3、加熱爐擾動分析 一、加熱爐常規溫度控制 加熱爐的簡單控制系統僅對出口溫度控制要求不十分嚴格；外來擾動緩慢而比較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大的加熱爐。 4、加熱爐簡單控制 一、加熱爐常規溫度控制 加熱爐的簡單控制系統僅對出口溫度控制要求不十分嚴格；外來擾動緩慢而比較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大的加熱爐。最常見的加熱爐簡單是以出口溫度為被控變量、以燃料油(或氣)為操縱變量組成的簡單控制系統。4

5、、加熱爐簡單控制 一、加熱爐常規溫度控制 加熱爐的簡單采用簡單控制系統往往很難滿足工藝上對爐出口溫度波動12的嚴格要求。因為加熱爐對象的傳遞滯后和測量滯后都較大，控制不及時。為了改善控制品質，滿足生產需要，石油化工中的加熱爐大多采用串級控制系統。由于擾動作用及加熱爐的型式不同，可以選擇不同的副變量組成不同的串級控制系統。5、加熱爐串級控制 一、加熱爐常規溫度控制常見的幾種串級控制方案 ：（1）爐出口溫度對燃料油(或燃料氣)流量的串級控制；（2）爐出口溫度對燃料油(或燃料氣)閥后壓力的串級控制；（3）爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制， 5、加熱爐串級控制 二、加熱爐支路平衡控制 二、加熱爐支路平衡

6、控制 常見加熱爐一般有兩個輻射室，每個輻射室有兩路進料。這四路進料在設計上完全一樣，從理論上講，操作結果（特別是出口溫度）應該也一樣，但實際上相差較大。為最大限度的提高加熱爐的加熱效率，降低能耗，抑制加熱爐爐管內的結焦現象，以保證加熱爐長周期的穩定運行，需要實現加熱爐各支路出口溫度偏差的最小化。 1、平衡控制的目的二、加熱爐支路平衡控制 下面以煉油廠第三常減壓裝置為例，簡要介紹先進控制系統中有關加熱爐支路平衡控制的有關知識。 二、加熱爐支路平衡控制2、儀表位號的構建規則X XX 0 0 XX .PV儀表編號，起始編號為1，取值域為整數域；數字“0”代表該位號將用于APC；表征位號來歷的字符，取

7、值域如下：PJ：平均值；CZ：差值；BZ：比值；PC：偏差；JQ：加權平均；ZD：最大值；ZX：最小值；TC：推測值；JH：加和值。表征位號類型的字符，取值域如下：F：流量；T：溫度；P：壓力；L：液位；Q：熱量；A：產品性質或組成。數字“0”尊重裝置命名習慣，以“0”開始；二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.1.1 該計算的目的：是為常壓爐的支路平衡控制提供一個被控變量。3.1.2 該計算項目的原因：在實現常壓爐支路平衡控制方案的過程中，應考慮到常壓爐操作的合理性和安全性，其中包括常壓爐的各路分支流量偏差不要太大。實際操作中，偏差的上限可由操作人員調整。常壓爐有兩個輻射室，每個輻射

8、室有兩路進料。每個輻射室的進料偏差分別考慮，同時也考慮兩個輻射室進料的偏差。 3.1 常壓爐進料流量偏差計算二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.1.3 常壓爐一、二路進料流量偏差(FPC0001)計算公式如下：其中：FPC0001.PV：常壓爐一、二路進料偏差，單位t/h。注：在進行計算前，應首先檢驗參與計算的變量狀態是否正確。(以下同樣要求，不再重復） 3.1 常壓爐進料流量偏差計算SPBFICSPAFICPVFPC.1111.1111.0001二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.1.3 常壓爐一、二路進料流量偏差(FPC0001)計算公式如下：計算輸入計算輸入常壓爐支路

9、一流量控制回路的設定值，FIC1111A.SP，單位t/h；常壓爐支路二流量控制回路的設定值，FIC1111B.SP，單位t/h。計算輸出計算輸出常壓爐一、二路進料偏差，FPC0001.PV ，單位t/h。備注備注該計算項目在DCS中實現，運行周期為秒級。 3.1 常壓爐進料流量偏差計算SPBFICSPAFICPVFPC.1111.1111.0001二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.1.4 常壓爐一、二路與三、四路進料平均流量偏差(FPC0002) 計算公式如下：其中：FPC0002.PV：常壓爐一、二路與三、四路進料平均流量偏差，單位t/h 。該計算項目在DCS中實現，運行周期為

10、秒級。 3.1 常壓爐進料流量偏差計算2).1111.1111().1111.1111(.0002SPDFICSPCFICSPBFICSPAFICPVFPC二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.1.5 常壓爐三、四路進料流量偏差(FPC0003)計算公式如下：計算輸入計算輸入常壓爐支路三流量控制回路的設定值，FIC1111C.SP，單位t/h；常壓爐支路四流量控制回路的設定值，FIC1111D.SP，單位t/h。計算輸出計算輸出常壓爐三、四路進料偏差，FPC0003.PV ，單位t/h。備注備注該計算項目在DCS中實現，運行周期為秒級。 3.1 常壓爐進料流量偏差計算SPDFICSPC

11、FICPVFPC.1111.1111.0003二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.2.1 該計算的目的：是得到常壓爐Profit Controller的一個被控變量 。3.2.2 該計算項目的原因：為最大限度的提高加熱爐的加熱效率，抑制加熱爐爐管內的結焦現象，以保證加熱爐長周期的穩定運行，需要實現加熱爐各支路出口溫度偏差的最小化 。 3.2 常壓爐出口溫度偏差計算二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.2.3 常壓爐支路一、二路出口溫度偏差(TPC0004) 計算公式如下： 其中：TPC0004.PV：常壓爐支路一、二路出口溫度偏差，單位。3.2 常壓爐出口溫度偏差計算PVBT

12、IPVATIPVTPC.1156.1156.0004二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.2.3 常壓爐支路一、二路出口溫度偏差(TPC0004) 計算公式如下： 計算輸入計算輸入常壓爐支路一出口溫度，TI1156A.PV，單位；常壓爐支路二出口溫度，TI1156B.PV，單位。計算輸出計算輸出常壓爐支路一、二路出口溫度偏差，TPC0004.PV ，單位。該計算項目在DCS中實現，運行周期為秒級。3.2 常壓爐出口溫度偏差計算PVBTIPVATIPVTPC.1156.1156.0004二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.2.4 常壓爐支路三、四路出口溫度偏差(TPC0005)

13、 計算公式如下： 其中：TPC0005.PV：常壓爐支路三、四路出口溫度偏差，單位。該計算項目在DCS中實現，運行周期為秒級。3.2 常壓爐出口溫度偏差計算PVDTIPVCTIPVTPC.1156.1156.0005二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.3.1 該計算的目的：是得到常壓爐Profit Controller的一個被控變量 。3.3.2 該計算項目的原因：為了保證加熱爐的安全操作，爐膛溫度是重要的安全約束。常壓加熱爐中在不同部位有很多熱偶來檢測爐膛溫度。本項計算是獲取眾多監測點中的最高溫度。常壓爐有兩個爐膛，分別考慮 。 3.3 常壓爐爐膛最高溫度計算二、加熱爐支路平衡控制

14、3、常壓爐的工藝計算3.3.3常壓爐爐膛最高溫度一常壓爐爐膛最高溫度一(TZD0006A) 。計算描述 ：其中：TZD0006A.PV：常壓爐爐膛最高溫度一，單位；TI1712A.PV：常壓爐爐膛溫度測量值值一，單位；TI1712C.PV：常壓爐爐膛溫度測量值三，單位；TI1712E.PV：常壓爐爐膛溫度測量值五，單位。3.3 常壓爐爐膛最高溫度計算).1712,.1712,.1712(.0006PVETIPVCTIPVATIMAXPVATZD二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.3.3常壓爐爐膛最高溫度一常壓爐爐膛最高溫度一(TZD0006A) 計算描述 ：計算輸入計算輸入常壓爐爐膛

15、溫度測量值一，TI1712A.PV，單位；常壓爐爐膛溫度測量值三，TI1712C.PV，單位；常壓爐爐膛溫度測量值五，TI1712E.PV，單位。計算輸出：計算輸出：常壓爐爐膛最高溫度一，TZD0006A.PV，單位。備注：備注：該計算項目在DCS中實現，運行周期為秒級。3.3 常壓爐爐膛最高溫度計算).1712,.1712,.1712(.0006PVETIPVCTIPVATIMAXPVATZD二、加熱爐支路平衡控制3、常壓爐的工藝計算3.3.3常壓爐爐膛最高溫度二常壓爐爐膛最高溫度二(TZD0006B) 。計算描述 ：其中：TZD0006B.PV：常壓爐爐膛最高溫度二，單位；TI1712B.

16、PV：常壓爐爐膛溫度測量值二，單位；TI1712D.PV：常壓爐爐膛溫度測量值四，單位；TI1712F.PV：常壓爐爐膛溫度測量值六，單位 。3.3 常壓爐爐膛最高溫度計算).1712,.1712,.1712(.0006PVFTIPVDTIPVBTIMAXPVBTZD二、加熱爐支路平衡控制4、常壓爐系統Profit Controller設計4.1.1實現常壓爐支路平衡控制。其中，常壓爐支路平衡控制包括： 通過調整各支路的流量平衡加熱強度 在調整各支路流量同時保持總流量恒定 實現各支路出口溫度的平衡4.1.2通過加熱爐支路平衡控制，可以： 改進加熱爐熱效率 降低加熱爐爐管結焦的可能性 。 4.1

17、 控制目標二、加熱爐支路平衡控制4、常壓爐系統Profit Controller設計 通過操縱一組獨立變量（操縱變量），常壓爐系統控制器能夠使一組非獨立變量（被控變量）穩定于目標狀態點，或處于約束范圍內。通過引入干擾變量，控制器可實現前饋控制來消除干擾影響。 預測控制算法利用動態模型，確定與被控變量有關的操縱變量和干擾變量的影響。上述模型是通過對裝置進行階躍測試后辨識獲得。4.2 控制策略二、加熱爐支路平衡控制4、常壓爐系統Profit Controller設計 在Profit Controller內部，一個線性規劃或二次規劃優化器于控制算法共同確定應對操縱變量施加的調節量。其中，成本函數可以

18、在線調整以反映裝置目標和經濟特性方面的變化。線性規劃的成本函數能夠實現裝置處理能力的最大化。 （具體控制策略參考控制器關系矩陣具體控制策略參考控制器關系矩陣） 4.2 控制策略二、加熱爐支路平衡控制4、常壓爐系統Profit Controller設計 本項目中常壓爐系統潛在的約束是輻射室爐管表面溫度，但由于該溫度并未測量，所以以控制爐膛溫度和實現加熱爐支路平衡控制為目標。 4.3 潛在的控制約束二、加熱爐支路平衡控制4、常壓爐系統Profit Controller設計該控制器包含14個CV，4個MV，2個DV 。下表是常壓爐系統Profit Controller的變量 4.4 控制器的結構類類型型位號位號描述描述備注備注CV01FI1340.PV常壓爐總進料流量約束型CVCV02TPC0004.PV*常壓爐支路一、二出口溫度偏差約束型CVCV03TPC0005.PV*常壓爐支路三、四出口溫度偏差約束型CVCV04FPC0001.PV*常壓爐一、二路進料流量偏差約束型CVCV05FPC0002.PV*常壓爐一、二路與三、四路進料平均流量偏差約束型CVCV06FPC0003.PV*常壓爐三、四路進料流量偏差約束型CVCV07TZD0006A.PV*常壓爐左爐膛最高溫度約束