加热炉设备的控制方案设计探析

余凯

摘要：加热炉是工业生产部门最重要的设备工具之一，它具有高耗能的特点。对加热炉进行理想的设备控制，不仅可以促进工业生产部门的经济效益，而且可以节约能源，改善我国的生态环境，实现经济与资源、环境的可持续发展。本文即详细阐述了加热炉设备的控制方案设计要点。

关键词：加热炉设备；控制方案；出口温度；燃烧过程；调节阀

中图分类号： TG155.1+2文献标识码：A

一、加热炉设备概述

加热炉是炼油化工装置中最为常见的热源设备，用于向反应器、精馏塔等大型设备内的物料提供热量。被加热物料流经加热炉炉管时，加热炉膛内燃烧火焰产生的巨大热量，通过辐射和对流的方式将炉管内的物料加热升温。整个加热操作过程同时涉及加热炉的工艺侧(Process Side，炉管内物料)、燃料侧(Fuel Side，通常为燃料气或燃料油)以及空气侧(Air Side，强制通风)的交叉限制(Cross-Limiting)复杂控制。被加热物料的加热效果会直接影响到工艺装置操作的稳定性；加热所需的燃料和空气总量及配比直接关系到加热炉的燃烧效率和环保节能效果；加热炉进行升温或降温操作时，空气侧与燃料侧的联动控制方案对加热炉的稳定及安全运行具有重要意义。

二、加热炉的典型流程设计方案

根据国家相关的标准规范，为了满足尽量高的热效率，达到节能环保的目的，加热炉流程设计中通常都有余热回收系统。强制通风的加热炉余热回收系统通常包括: 1台引风机、1台鼓风机、1台热管空气预热器、1台蒸汽/空气预热器、1根独立的烟囱和若干余热回收管线等。高温烟气通过热管空气预热器对空气进行加热，以达到降低排放烟气温度，提高热效率的目的。

自然通风的加热炉余热回收系统通常只包括1台汽包(余热锅炉)、1根独立的烟囱和若干余热回收管线等。高温烟气通过加热汽包产生蒸汽供装置使用，同时达到降低排放烟气温度，提高热效率的目的。

由于自然通风的加热炉空气侧没有进风控制可言，因此加热炉的交叉限制控制方案只适用于强制通风的加热炉。相比较而言，因为强制通风加热炉可以通过“交叉限制”更好地控制空气侧进风量，实时调整空气/燃料的比率，因而可以达到更高的燃烧效率、更优越的燃烧效果并且更加节能环保。

三、 加热炉设备自动控制方案要点

（一）出口温度控制

加热炉的出口温度受诸多因素的影响，由于加热炉在加热过程中的动态反映比较慢，所以冶金企业加热炉的温度控制大多都选择串级控制方案与前馈控制方案。串级控制方案主要是依据加热炉的不同干扰位置，构建多参数、多元化的串级控制系统。在冶炼金属过程中，若需要应用气体燃料时，则必须换掉串级控制中的副调节器，对此，冶金企业可以选择浮动阀来代替，还可以在使用气体燃料前，改变燃料气的压力波动，减少其对出口温度的热作用。由于串级控制方案和前馈控制方案在实践操作过程中简单易行，因此在冶金企业部门得到广泛的应用。

（二）燃烧过程控制

加热炉在使用过程中，要尽可能地降低炉里剩余的空气量，这样，加热炉才有可能进行充分的燃烧。因此在加热炉使用时，必须对加热炉的燃烧过程进行自动控制。加热炉燃烧过程的自动控制，我们可以采取比较简单的方法。比如，通过加热炉里的含氧量信号，可以进行比值系数的修正。加热炉含氧量控制系统包括两个方面，即检测机构与执行机构，它们是加热炉含氧量控制系统安全运行的关键因素。在加热炉含氧量检测机构上，我国大多冶金企业都选择氧化锆测氧技术。在使用氧化锆测氧技术检测加热炉烟道气中的含氧量时，应正确选择测量点，注意参比气体的流量，控制锆管里的温度。目前，我国冶金企业在加热炉燃烧控制系统中的执行机构比较落后，其性能不完善，影响和制约整个系统的稳定运行。对此，冶金企业可以采用注入阻尼滞后的办法来提高燃烧控制的质量，或者增加非线性环节来改善整体的品质。

1、热负荷控制系统

在热负荷控制系统中，热量信号以蒸汽流量加汽包压力变化速度取而代之，可实现加热炉热负荷自动控制。当燃料量改变时，热量信号应成比例地变化，即反映蒸汽流量信号和汽包压力变化速度的变化。

2、引风控制系统

在引风控制系统中，当热负荷发生变化时，燃料也将变化。燃料量和引风量都与热负荷要求的信号成比例，而燃料量和引风量随时应保持适当比例，这样经济性好。为使燃料量和引风量做到最佳比例，检查燃料量和引风量是否比例恰当的直接指标，是采用烟气中的含氧量来校正引风量。

3、炉膛负压控制系统

由于热负荷变化，引起燃料量和引风量成比例地变化，造成炉膛负压的变化，通过引风调节器改变引风量，使炉膛负压保持在一定范围内（负压不小于20Pa）。引风量只有在炉膛负压偏离给定值后，才由引风调节器改变。

（三）联锁保护系统

冶金企业在使用加热炉时，经常发生回火事故。当能源介质因为流量低于标准而致使烧嘴中断、火焰熄灭时，就有可能发生回火事故。此外，加热炉内燃料的管道压力低于标准时也经常引发回火事故，相反，当燃料管道压力高于标准时又有可能出现脱火事故。

加热炉联锁保护系统由多个部分组成，包括温度调节器、压力调节器、火焰检测器、流量变送器以及低选器等等。若加热炉内的燃料管道压力比规定的压力大时，加热炉无法进行正常的压力调节工作，压力调节系统此时会选择低选器来进行相关的操作，这样很容易引起加热炉出口温度的变动，影响加热炉的整体质量。因此，必须保证压力调节系统科学、有效的运行，避免燃料管道压力过高，防止脱火事故的发生。只有管道压力符合标准时，温度调节系统才会使用低选器进行正常的操作工作，金属燃料出口温度才得以恢复正常。金属燃料在进入加热炉时的流量低于标准时，加热炉联锁保护系统就会出现双位信号，以便控制加热炉的电磁阀，取消加热炉里的燃料气供给量，这样可以避免回火事故的发生。

（四）调节阀的选型和口径计算

1、调节阀的选型

调节阀又称控制阀，是执行器的主要类型，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。

（1）从使用功能上选阀需注意的问题

调节功能 ；泄漏量与切断压差；防堵；耐蚀；耐压与耐温；重量与外观。

（2）综合经济效果确定阀型

高可靠性；使用寿命长；维护方便，备品备件有来源；产品价格适宜，性能价格较好。

（3）调节阀型式的优选次序

根据上述观点，特提供调节阀的优选次序：全功能超轻型调节阀→蝶阀→套筒阀→单座阀→双座阀→偏心旋转阀→ 球阀→角形阀→三通阀→隔膜阀。

在这些调节阀中，我们认为应该尽量不选用隔膜阀，其理由是隔膜是一个极不可靠的零件，使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。

2、调节阀口径计算

从调节阀的Kv计算到阀的口径确定，一般需经以下步骤:

（1）计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的Qmax和Qmin。

（2）阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数)，再确定计算压差。

（3）计算Kv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得Kvmax和Kvmin。

（4）选用Kv。根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取>Kvmax且与其最接近的一级C。

（5）调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度≯90%，最小计算流量时的开度≮10%。

（6）调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比≮10。

（7）阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C确定。

四、加热炉设备自动控制的发展趋势

当前，我国的节能技术日益发展，在节约能源方面的贡献也是越来越大。加热炉就是在这样的背景下，不断完善其节能控制系统。加热炉节能控制系统的完善主要根据燃烧过程的数学模型来寻找最优秀的燃烧过程计算机控制方案。目前，我国大部分冶金企业已经实现这一方案，比如，有些冶金企业在生产过程中依据燃烧过程数学模型来构建微机控制系统，有些冶金企业充分运用高科技完成约束控制，确保加热炉安全、有效地进行。越来越多的冶金企业开始追求燃烧模型的工作方案，将高科技引入到加热炉的运用中，加热炉设备的控制方案也在不断地完善。

参考文献

[1]张香炜，冯良，姜娣.燃气比例阀的控制方案分析[J].煤气与热力，2009.2.

[2]吴波，张静，向勇.箱式热处理炉温度控制系统设计[J].热加工工艺，2007.14.