王寧

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

偏心孔板在加熱爐出口控制中的應(yīng)用

王寧

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

介紹了加熱爐出口串級(jí)控制系統(tǒng)，并針對(duì)重沸爐出口溫度控制方案不能很好地滿足窄餾分物料的控制需求，在設(shè)計(jì)上采用一種偏心孔板流量控制方案。介紹了該串級(jí)系統(tǒng)的構(gòu)成、并建模，同時(shí)介紹了計(jì)算公式，舉出了設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例。

偏心孔板 串級(jí)控制 加熱爐 兩相流體

在煉油化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的加熱爐是管式加熱爐，可分為箱式、立式和圓筒爐三大類。對(duì)于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時(shí)進(jìn)行氣化，其溫度的高低會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在以加熱爐為塔底熱源的分餾塔控制中，中國(guó)均采用控制加熱爐出口溫度的方法。處理餾分范圍很寬的物料時(shí)，因加熱爐出口物料氣化率和熱負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致?tīng)t出口溫度有一定的變化，所以這種控制方案是可行的。但對(duì)于重整裝置的預(yù)分餾塔、汽提塔和穩(wěn)定塔等處理窄餾分物料的分餾塔來(lái)說(shuō)，只有重沸爐出口氣化率和熱負(fù)荷變化很大時(shí)，才會(huì)引起爐出口溫度很小的改變，也就是說(shuō)，重沸爐出口溫度不能靈敏地反應(yīng)氣化量和加熱爐供熱量的多少。因而，采用傳統(tǒng)的溫度控制方式并不能得到理想的控制效果。

1 加熱爐的串級(jí)控制方案

在石油化工和煉油廠中的加熱爐大多采用串級(jí)控制系統(tǒng)。加熱爐的串級(jí)控制方案，由于干擾因素以及爐子型式不同，可以選擇不同的副參數(shù)，主要有爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制;爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí)控制;爐出口溫度對(duì)燃料閥后壓力的串級(jí)控制。

1.1 爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制

爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制方案如圖1所示。當(dāng)受到燃料的壓力、熱值、煙囪抽力等干擾因素作用后，首先會(huì)影響爐膛溫度的變化，接著再影響到爐出口溫度，而前者滯后遠(yuǎn)小于后者。采用爐出口溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)控制后，就把原來(lái)滯后的對(duì)象一分為二，副回路起超前作用，能使這些干擾因素在影響到爐膛溫度時(shí)，就迅速采取控制手段，這將顯著改善控制質(zhì)量。

圖1 爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制方案示意

圖1所示控制方案對(duì)下述情況更為有效：

1) 熱負(fù)荷較大而熱強(qiáng)度較小的情況，即不允許爐膛溫度有較大波動(dòng)，以免影響設(shè)備。

2) 當(dāng)主要干擾是燃料的熱值變化，即組分變化的情況，其他串級(jí)控制方案的內(nèi)環(huán)無(wú)法感受。

3) 在同一個(gè)爐膛內(nèi)有2組爐管，同時(shí)加熱2種物料的情況。此時(shí)雖然僅控制1組溫度，但另1組亦較平穩(wěn)。

由于把爐膛溫度作為副參數(shù)，因而采用該種方案時(shí)還應(yīng)注意： 應(yīng)選擇有代表性的爐膛溫度檢測(cè)點(diǎn)，而且反應(yīng)要快,然而該類檢測(cè)點(diǎn)選擇困難，特別是對(duì)圓筒爐;為了保護(hù)設(shè)備，爐膛溫度不應(yīng)有較大波動(dòng)，所以在參數(shù)整定時(shí)，對(duì)于副控制器不應(yīng)整定的過(guò)于靈敏，且不加微分作用;由于爐膛溫度較高，測(cè)溫元件及其保護(hù)套管材料必須要耐高溫。

1.2 爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí)控制

一般情況下雖然對(duì)燃料壓力進(jìn)行了控制，但在操作過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)燃料流量的波動(dòng)成為外來(lái)主要干擾因素時(shí)，則可以考慮采用爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí)控制，如圖2a)所示。該種方案的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)燃料流量變化后，還未影響到爐出口溫度之前，其內(nèi)環(huán)即先進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減小甚至消除燃料流量的干擾，從而改善控制質(zhì)量。在某些特殊情況下，可組成爐出口溫度、爐膛溫度、燃料流量的3個(gè)參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2b)所示，但該方案使用儀表多，且整定困難。

圖2 爐出口溫度對(duì)燃料流量的串級(jí)控制方案示意

1.3 爐出口溫度對(duì)燃料閥后壓力的串級(jí)控制

若加熱爐所需燃料流量較少或其輸送管道較小時(shí)，其流量測(cè)量較困難，特別是當(dāng)采用黏度較大的重質(zhì)燃料油時(shí)更難測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，壓力測(cè)量較流量方便，因而可以采用爐出口溫度對(duì)燃料閥后壓力的串級(jí)控制，如圖3所示。

圖3 爐出口溫度對(duì)燃料閥后壓力的串級(jí)控制方案示意

該方案應(yīng)用較廣，采用該方案時(shí)，需要注意的是： 如果燃料噴嘴部分堵塞，也會(huì)使閥后壓力升高，此時(shí)副控制器的動(dòng)作使閥門關(guān)小，這是不適宜的。因此，在運(yùn)行時(shí)必須防止這種現(xiàn)象發(fā)生，特別是采用重質(zhì)燃料油或燃料氣中夾帶液體時(shí)更要注意。

2 加熱爐出口差壓控制方案

2.1 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重整預(yù)加氫汽提塔底重沸爐操作靈敏度要求比較高，塔底物料餾程比較窄，液體介質(zhì)沸點(diǎn)低，進(jìn)加熱爐前為液體，當(dāng)被加熱介質(zhì)在溫度升到一定程度時(shí)，介質(zhì)氣化還要繼續(xù)吸收熱量，溫度不再升高，此時(shí)不宜采用溫度串級(jí)控制，需要在設(shè)計(jì)上采用一種特殊的偏心孔板進(jìn)行流量控制。在加熱爐出口加個(gè)偏心孔板，通過(guò)偏心孔板前后壓差控制來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱爐燃料的控制。氣化度越高，孔板前后壓差越大。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.1 測(cè)量變送單元

假設(shè)燃料氣測(cè)量?jī)x表為線性單元，動(dòng)態(tài)滯后可忽略，則有：

(1)

注： qmsp——偏心孔板的設(shè)定值；qV， qVm, qVsp——燃料氣流量的實(shí)際值、測(cè)量值與設(shè)定值；fV——燃料調(diào)節(jié)閥相對(duì)流通面積，%圖4 重沸爐出口偏心孔板串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

而孔板測(cè)量環(huán)節(jié)可用以下的一階環(huán)節(jié)來(lái)近似：

(2)

式中：KQM，K1QM——與測(cè)量?jī)x表的量程有關(guān)；T1——孔板測(cè)量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，min，T1≥0。在實(shí)際過(guò)程中這些參數(shù)基本不變，而各儀表輸出經(jīng)歸一化后均為0～100%。

(3)

式中：qV,max，qV,min——測(cè)量?jī)x表輸出信號(hào)的上下限；qmax，qmin——測(cè)量?jī)x表量程的上下限。

2.1.2 執(zhí)行器/調(diào)節(jié)閥

假設(shè)調(diào)節(jié)閥為近似線性閥，其動(dòng)態(tài)滯后忽略不計(jì)，而且

(4)

式中：KV——通常在一定范圍內(nèi)變化，這里假設(shè)KV為(0.5～1.0)，即控制器的輸出變化1%，調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流通面積變化0.5%～1.0%。

2.1.3 被控對(duì)象

1) 對(duì)于燃料氣對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為

(5)

式中：T2≥0且基本不變；K2，Kd2——通常在一定范圍內(nèi)變化。

2) 對(duì)于孔板控制對(duì)象，假設(shè)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性可表示為

(6)

根據(jù)系統(tǒng)方框圖建模，其中燃料氣控制器FC采用PI調(diào)節(jié)器，孔板控制器QC采用PID調(diào)節(jié)器。串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定過(guò)程是： 先進(jìn)行副控制器的參數(shù)整定，再在副回路閉合的前提下，進(jìn)行主控制器的參數(shù)整定。對(duì)于該系統(tǒng)中的副回路控制器FC，其廣義對(duì)象沒(méi)有明顯的純滯后，無(wú)法用響應(yīng)曲線法或臨界比度法來(lái)整定PID,這里采用經(jīng)驗(yàn)整定方法。

步驟1： 首先設(shè)定控制器PID參數(shù)的初始值為KC=1/KP=1，TI=TP=1.5，TD=0，其中，KP為副回路廣義對(duì)象的穩(wěn)態(tài)增益；TP為副回路廣義對(duì)象的一階時(shí)間常數(shù)。

步驟2： 再根據(jù)設(shè)定值跟蹤速度的快慢，調(diào)整控制器增益KC直到滿意為止。

將上述控制系統(tǒng)投入串級(jí)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，顯示出發(fā)散振蕩趨勢(shì)。為此，將主控制器增益KC減小50%至2.4，設(shè)定值跟蹤響應(yīng)如圖5所示，響應(yīng)曲線呈4∶1衰減振蕩，結(jié)果令人滿意。

圖5 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)定值跟蹤響應(yīng)(KC=2.4)

2.2 控制系統(tǒng)的抗干擾性能

對(duì)于加熱爐出口物料的串級(jí)控制系統(tǒng)而言，干擾進(jìn)入的位置與系統(tǒng)的抗干擾性能密切相關(guān)。對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾，如燃料氣壓力的變化，串級(jí)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。與進(jìn)入副回路的干擾完全不同對(duì)于進(jìn)料量的變化。當(dāng)爐子出口窄餾分物料產(chǎn)生兩相流，氣化率增大時(shí)，溫控的串級(jí)系統(tǒng)并不能得到滿意的效果。偏心孔板流量控制作為主回路控制，根據(jù)氣化率的大小計(jì)算偏心孔板孔徑和差壓，在主回路的抗干擾能力上得到了改善。

3 分餾塔底重沸爐出口偏心孔板的計(jì)算與設(shè)計(jì)

3.1.1 計(jì)算公式

液相為

(7)

氣相為

(8)

(9)

(10)

令

(11)

則

Sv=KSL

(12)

式中：qmhL,qmhv——汽液相物料的質(zhì)量流量，kg/h;D——管道內(nèi)徑，mm；df——相對(duì)密度； ΔpQ——差壓，kPa；SL,Sv——流量系數(shù)；MWV——?dú)庀嘞鄬?duì)分子質(zhì)量；pf——操作壓力(絕壓)，MPa；Tf——操作溫度，K；Zf——壓縮系數(shù)；Y——膨脹校正系數(shù)；k——蒸發(fā)度Cp/CV；ρf——蒸汽密度,kg/m3。

3.1.2 實(shí)例應(yīng)用

某煉廠連續(xù)重整裝置石腦油分餾塔底重沸爐出口偏心孔板應(yīng)用示例如下：

1) 已知條件： 介質(zhì)為石腦油，D=636 mm，qmhL=2.76×105kg/h,qmhv=2.65×105kg/h,df=0.498,ρf=47kg/m3，pf=1.3MPa(G),Tf=450K,MWV=101,Zf=0.72。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于不同的工況和不同的工藝介質(zhì)，加熱爐的出口控制方案也不盡相同。有傳統(tǒng)控制方式控制加熱爐出口溫度的方案，也有本文提到的針對(duì)窄餾分物料的加熱爐,采用安裝在加熱爐出口的偏心孔板差壓串級(jí)控制燃料氣的方案。雖然控制方案不同，但是最終的目的都是為了控制方案更合理、安全和可靠。本文僅以偏心孔板控制方案為例，通過(guò)建模進(jìn)一步揭示了該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和主要優(yōu)勢(shì)： 可快速克服進(jìn)入副回路的各種干擾，對(duì)副回路對(duì)象特性變化具有很強(qiáng)的魯棒性，可克服副對(duì)象的非線性與其他特性變化，對(duì)主回路中兩相流的控制也得到很好的效果。筆者通過(guò)某裝置中實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用為例，主要介紹了兩相流體偏心孔板的設(shè)計(jì)計(jì)算公式和計(jì)算方法，并同時(shí)舉出了計(jì)算實(shí)例，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

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Application of Eccentric Orifice Plate in Outlet Control of Heating Furnace

Wang Ning

(Sinopec Engineering Incorporation,Beijing,100101,China)

s: The cascade control system of heating furnace outlet is introduced. Aiming at problem that outlet temperature control scheme of reboiling furnace can’t meet control requirement of narrow fractions well, an eccentric orifice flow control scheme is adopted in design. The structure of cascade system is introduced with model constructed. Calculation formula is introduced.Application example of design is listed.

eccentric orifice; cascade control; heating furnace; two-phase fluid

王寧(1980—)，男，2008年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司儀表自控室，從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0009-04

稿件收到日期： 2016-09-27，修改稿收到日期： 2016-12-27。