交叉限幅控制在常减压加热炉中的应用

郎微微 王 鑫

(1.中国石油大庆石化公司塑料厂，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油广东石化公司设备管理中心，广东 揭阳 515200)

交叉限幅控制在常减压加热炉中的应用

郎微微1王 鑫2

(1.中国石油大庆石化公司塑料厂，黑龙江 大庆 163714；2.中国石油广东石化公司设备管理中心，广东 揭阳 515200)

以常减压装置加热炉燃烧控制系统为例，介绍单、双交叉限幅控制的原理及其工程设计实施细节，并对加热炉采用的氧含量修正空燃比的单交叉限幅控制进行说明。

交叉限幅控制 加热炉 燃烧控制 空燃比

加热炉是石油化工生产过程中为物料提供热源的关键设备。加热炉的工艺过程是燃料在炉膛内燃烧产生热量，并不间断地向工艺过程提供热量。加热炉所消耗的燃料一般占全厂燃料总消耗的65%～80%。因此，在满足工艺过程要求的前提下，对加热炉采用有效合理的燃烧控制，最大限度地提高加热炉的燃烧效率，节约能源并减少污染，是非常必要的。

传统炼厂加热炉的串级控制方案空燃比不能达到最佳的控制效果，致使燃料浪费，而且容易产生黑烟，污染环境。为此，笔者以常减压装置加热炉为例，阐述交叉限幅控制在加热炉燃烧系统中的应用。

1 最优燃烧控制①

空燃比是指空气量与燃料量之比，即空气和燃料的混合比例。只有在燃料量与空气量比值合适的情况下，燃料才能完全燃烧，火焰温度才能达到最大值，辐射热量才能达到最高，即只有空燃比合理时，加热炉才能达到最高热效率。如果空气不足，燃烧不完全，加热炉会冒黑烟，热效率下降；若空气过量，则多余过剩的冷空气加热后由烟道排出带走大量热量，造成热量损失，热效率下降。所以，严格控制加热炉的空燃比是提高其燃烧效率的主要措施。

为了保证燃料完全燃烧，燃烧时的实际空气量要比所需理论空气量过量一点，一般常用空气过剩系数μ定量描述，即有μ=实际空气量/理论空气量。在燃烧过程中，为实现完全燃烧而又不造成过量排烟带来的热损失，通常要形成一个低空气过剩系数的燃烧条件。加热炉热效率和热损失与空气过剩系数的关系如图1所示。最优燃烧控制的目标就是不管负荷在稳定状态还是变化状态，控制较低的空气过剩系数μ，保证空气过剩系数在最佳燃烧区，实现最佳燃烧。

图1 加热炉热效率和热损失与空气过剩系数的关系 Ⅰ——空气不足区； Ⅱ——超低过剩空气燃烧区； Ⅲ——低过剩空气燃烧区； Ⅳ——高过剩空气燃烧区

2 串级比值控制

加热炉的传统燃烧控制多采用串级比值调节系统，共有两种方案。

方案一加热炉出口温度调节器的输出直接作为空气流量调节器的给定值，空气的实际流量除以空燃比所得的值作为燃料流量调节器的给定值，即空气先行的串级比值控制系统，该系统框图如图2所示。

图2 空气先行串级比值控制系统框图

方案二炉出口温度调节器的输出直接作为燃料流量调节器的给定值，然后燃料实际流量乘以空燃比所得的值作为空气流量调节器的给定值，即燃料先行的串级比值控制系统(图3)。

图3 燃料先行串级比值控制系统框图

对于串级比值调节系统，在稳态时燃料量和空气量可按一定的空燃比相互跟随变化。但由于燃料与空气控制回路的响应速度不一致(空气控制回路的时间常数比燃料控制回路大)，流量测量存在误差，特别是在燃料负荷发生变化的情况下，无法保证燃料量和空气量仍按一定的空燃比相互跟随变化，即无法保证合理的空燃比。

3 单交叉限幅控制

单交叉限幅控制是在串级比值控制的基础上，增加交叉限幅功能，以保持空燃比合理，使燃烧处于最佳状态。单交叉限幅控制以炉出口温度为主参数，燃料流量和空气流量为副参数的并联串级调节系统，并带有交叉限幅逻辑功能的比值控制系统(图4)。[1]

图4 单交叉限幅控制系统框图

单交叉限幅控制思想是通过低选器和高选器实现燃料量的增加滞后于空气量的增加，燃料量的减少先于空气量的减少。即，当需要升负荷时(升高炉出口温度)，首先提高空气流量调节器的给定值，空气量增加后，燃料流量调节器的给定值随之增加，形成“空气先行”；当需要降负荷时(降低炉出口温度)，首先降低燃料流量调节器的给定值，燃料量下降后，空气流量调节器给定值才随之下降，形成“燃料先行”。

单交叉限幅控制原理是炉出口温度调节器的输出信号(负荷信号)，决定燃料流量和空气流量调节器的给定值。同时，在燃料控制回路设有低选器，在空气控制回路设有高选器。低选器比较的参考信号是由空气流量换算成燃料的最大允许流量，高选器比较的参考信号是由燃料流量换算成空气的最小允许流量，分别与温度调节器输出的要求流量进行比较后组成交叉限幅选择控制。

燃料流量的控制。炉出口温度调节器的输出信号与实测空气流量换算成相应要求的燃料流量(防止缺氧燃烧的燃料流量上限值)相比较，较低的一方信号作为燃料流量调节器的给定值。

空气流量的控制。炉出口温度调节器的输出信号与实测燃料流量相比较，较高的一方信号换算成相应要求的空气流量(防止缺氧燃烧的空气流量下限值)作为空气流量调节器的给定值。

3.1单交叉限幅控制方案设计

某炼油厂1 000万吨常减压蒸馏装置的减压加热炉采用SHELL工艺包技术，燃烧控制采用氧含量修正空燃比的单交叉限幅控制(图5)。减压加热炉燃料为高压瓦斯和减顶脱硫后的不凝气，其中高压瓦斯为主燃料气，减顶不凝气脱硫后作为辅助燃料气。

图5 减压炉单交叉限幅控制方案

对于燃料气流量控制回路，有关模块的功能为：FX2012A(Y3)用于燃料气密度补偿；FX2012B(Y6)=Q高压瓦斯测+Q不凝气测，用于计算燃烧的总燃料气量；FX2012C(Y7)=0.9×Y6，用于设置最小燃料气流量，其输出为I2(即防止缺氧燃烧的燃料气流量下限值)；TX2019A(Y16)为低选器；FX2011E(Y5)=Q燃料气-Q不凝气测，计算高压瓦斯流量调节器的给定值，Q燃料气为TIC2019调节器的输出I0(即负荷所要求的燃料气流量)或I1(即防止缺氧燃烧的燃料气流量上限值)。

对于空气流量控制回路，有关模块的功能为：FX2011C(Y19)=Q空气测×N用/N总(N为燃烧器数量)，根据燃烧器使用情况，计算所需的空气流量；FX2011D(Y8)=Y19/0.9×F×K(F为空燃比，K为空燃比修正系数)，根据修正的空燃比，计算防止缺氧燃烧的燃料气流量上限值，其输出为I1；TX2019B(Y17)为高选器；FX2012D(Y9)=Q燃料气×F×K，根据修正的空燃比，计算防止缺氧燃烧的空气流量下限值，Q燃料气为TIC2019调节器的输出I0或I2；FX2011A(Y18)=Y9×N总/N用，用于计算空气流量调节器的给定值；FX2011F(Y10)=Y19/F×Y6，用于计算空气过剩系数。

3.2单交叉限幅控制分析

在稳态时，炉出口温度调节器TIC2019的输出信号I0小于FX2011D的输出信号I1，而大于FX2012C的输出信号为I2，燃料气流量调节器FIC2012和空气流量调节器FIC2011给定值均为I0。单交叉限幅控制系统实质上是一个温度回路作为主回路，燃料气流量回路和空气流量回路并联作为副回路的串级调节系统。

当负荷变化使炉出口温度低于给定值时，由于TIC2019调节器为反作用，其输出I0增加。空气控制回路中，I0经高选器TX2019B与I2比较，因I0>I2，故I0被选上，空气流量调节器FIC2011的给定值由温度调节器TIC2019的输出决定。FIC2011调节器为正作用，给定值增加，其输出减小，使空气调节挡板开大，空气流量增加。燃料气控制回路中，I0经低选器TX2019A与I1比较，在空气流量没有增加前，因I0>I1，故I0没有被选上，此时燃料气流量调节器FIC2012的给定值由I1确定。FIC2012调节器为反作用，I1大于稳态时的I0，给定值增加，其输出增加使燃料气阀开大，燃料气流量增加，即交叉限幅开始。只有当空气流量增加到一定值I1>I0时，I0被低选器选上，这时燃料气调节器FIC2012的给定值由温度调节器TIC2019输出决定，交叉限幅结束，系统恢复到稳定状态。即在升温过程中，空气流量先增加，燃料气流量后增加，维持空燃比合理，保证完全燃烧，不会冒黑烟。

当负荷变化使炉出口温度高于给定值时，由于TIC2019调节器为反作用，其输出I0减小。燃料气控制回路中，I0经低选器TX2019A与I1比较，因I0

由以上分析可以看出，通过燃料气控制回路的低选器TX2019A和空气控制回路的高选器TX2019B实现了燃料气量的增加滞后于空气量的增加，燃料气量的减少超前于空气量的减少，解决了负荷波动时燃料气不能完全燃烧的问题。

3.3单交叉限幅控制特点

加热炉负荷增加时，实现空气先行，燃料跟随；加热炉负荷降低时，燃料先行，空气跟随，保证燃料完全燃烧，达到了防止冒黑烟污染环境的目的。

控制系统在调节的动态过程中，既保证了空气和燃料流量的合理配比，又能使空气和燃料流量根据配比相互跟随，保证燃料流量和空气流量控制稳定，提高了抗干扰能力。

4 烟气氧含量控制(修正空燃比)

单交叉限幅控制系统实现了负荷增加时空气先行，而负荷减小时燃料气先行的控制，防止了冒黑烟，减少了污染。但在减负荷时，由于燃料气先行，空气后行，而空气控制回路响应速度慢于燃料气控制回路，因此会造成空气过剩，导致热损失增加、热效率下降，使动态空燃比过大。

在燃烧过程中，烟道内烟气氧含量的多少可反映燃烧状况的好坏，即空燃比是否合适。加热炉燃烧排烟中的氧含量随加热炉热负荷的变化而变化，一般来说，负荷高时烟气氧含量低些，负荷低时烟气氧含量高些。实际生产过程中由于加热炉负荷的变化，燃料气热值和压力波动，或加热炉不密封处和管道漏气，会导致空燃比变化，故需对空燃比进行修正[1]。在单交叉限幅控制的基础上，采用烟道内烟气氧含量修正空燃比，对空燃比进行调整，使动态空燃比合理，燃烧处于最佳状态。

AT2001为在线氧化锆氧含量分析仪，用于测量烟道内烟气的氧含量，AIC2001为烟气氧含量调节器，其输出为Ia(0%～100%)，空燃比修正系数K=0.8+0.8Ia，K的范围为0.8～1.6。

当负荷变化(减负荷)时，燃料先行，空气后行，由于空气控制回路响应速度慢于燃料控制回路，因此会造成空气量过剩，使实际空燃比增加，空气过剩系数相应增大，从而使烟气中的氧含量增加，烟气氧含量调节器AIC2001为反作用，其输出减小。一方面，经FX2012D计算输出，空气流量调节器FIC2011给定值减小，FIC2011为正作用，其输出增加，使空气调节挡板关小，空气量减少；另一方面，经FX2011D计算的输出I1增加，低选器TX2019A与I0比较，因I1>I0，故I0被选上，燃料气流量调节器FIC2012给定值不变，故燃料气流量保持不变，始终维持合理的空燃比。

由以上分析可以看出，用烟气氧含量来修正空燃比，可以有效解决单交叉限幅控制在减负荷时，动态空燃比不合理的缺点，有助于单交叉限幅控制在加热炉燃烧控制上的应用。

5 双交叉限幅控制

单交叉限幅控制在负荷急剧变化时，会引起空气量或燃料量变化过大，造成空气量过剩、动态空燃比不合理的问题。为此，在单交叉限幅控制的基础上，通过在燃料控制回路中增加高选器，在空气控制回路中增加低选器，而构成双交叉限幅控制(图6)[2]，以保证负荷急剧变化时，控制系统仍能维持合理的空燃比。

图6 双交叉限幅控制系统框图

双交叉限幅的控制思想是在燃料控制回路中加入由空气流量决定的上下限值，使燃料流量在该限定范围内变化。同样，在空气控制回路中加入由燃料流量决定的上下限值，使空气流量在该限定范围内变化。

双交叉限幅控制原理[2,3]是加热炉出口温度调节器的输出信号决定燃料流量调节器和空气流量调节器的给定值，同时，在燃料控制回路与空气控制回路都设有低选器和高选器。比较的参考信号是由实测的燃料流量或空气流量换算成相应对方的允许流量，与温度调节器输出的要求流量进行比较后组成交叉限幅选择控制。

燃料流量的控制。加热炉出口温度调节器的输出信号与实测空气流量经计算得出相应理想的最优燃烧燃料流量，再加上一个正值偏移余量相比较，较低的一方信号选择为燃料流量调节器的给定值。

空气流量的控制。加热炉出口温度调节器的输出信号与实测燃料流量，再加上一个负值偏移余量相比较，较高的信号经计算得出相应的最优燃烧空气流量作为空气流量调节器的给定值。

5.1双交叉限幅控制分析

在稳态时，对于燃料控制回路，炉出口温度调节器的输出信号I0(负荷所要求的燃料气流量)大于I3(防止过氧燃烧的燃料气流量下限值)，而小于I1(防止缺氧燃烧的燃料气流量上限值)；对于空气控制回路，炉出口温度调节器的输出信号I0小于I4(防止过氧燃烧的燃料气流量上限值)，而大于I2(防止缺氧燃烧的燃料气流量下限值)，燃料气流量调节器和空气流量调节器给定值均为I0。负荷在正常范围内波动时，其工作过程与单交叉限幅控制相同[2]。

当负荷急剧增加时，I0急剧上升，在燃料控制回路中，因I0>I3，高选器HF选通I0，由于空气流量响应迟缓，故I0>I1，低选器LF选通I1，作为燃料流量调节器的给定值，燃料流量给定值按I1缓缓上升，使燃料流量变化平稳；同时在空气控制回路中，因I0>I4，低选器LA选通I4，又因I4>I2，高选器HA选通I4，作为空气流量调节器的给定值，空气流量给定值按I4缓缓上升，使空气流量变化平稳，即交叉限幅开始。当I1增加到I1>I0时，低选器LF选通I0，作为燃料流量调节器的给定值，当I4增加到I4>I0时，低选器LA选通I0，作为空气流量调节器的给定值，交叉限幅结束，系统恢复到稳定状态，负荷变化过程结束。在这个过程中，燃料流量和空气流量互相影响交替增加。可见，I1和I4分别给燃料流量调节器和空气流量调节器给定值一个增量，使调节器的给定值既受到限幅，又交叉上升。

当负荷急剧减小时，I0急剧下降，在燃料控制回路中，由于空气流量响应迟缓，故I0

由以上分析可以看出，双交叉限幅控制在负荷急剧升降过程中，不但根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅，燃料和空气同时受限，保持空燃比合理，使空气过剩系数稳定在最佳范围，使燃烧过程既不冒黑烟，又不使空气大量过剩。因此，双交叉限幅控制在稳态(负荷稳定)和动态(负荷急剧变化)都能维持合理的空燃比，节约能源，减少环境污染。

5.2双交叉限幅控制特点

加热炉负荷急增时，空气流量和燃料流量调节系统相互限制了流量增加的速度，设置K4>K1(图6),当增加燃料量时，将空气量多增加一些，不致出现燃料过剩而冒黑烟。

加热炉负荷急减时，空气流量和燃料流量调节系统相互限制了流量减少的速度，设置K3>K2(图6)，当减少燃料量时，将燃料量多减少一些，维持合理的空气过剩系数。

其中K1、K2、K3和K4为偏置常数，要根据实际情况和控制要求在调试中确定。

6 结束语

单、双交叉限幅控制优点是升负荷(升温)时，空气先行，燃料跟随；降负荷(降温)时，燃料先行，空气跟随，防止冒黑烟污染环境，不仅在稳态时能保持空燃比合理，而且动态时也能保持空燃比合理，特别是双交叉限幅控制效果更好。交叉限幅控制实现了加热炉燃烧过程的经济性和合理性要求，使加热炉燃烧控制水平大幅提高，这对节约能源，减少污染，改善环境起到了积极的作用，值得在石油化工装置中加热炉燃烧控制领域推广应用。

[1] 于宝全.单交叉限幅控制技术在热载体加热炉上的应用[J].石油化工化纤,2000,(3):16～19.

[2] 唐洁.简谈加热炉双交叉限幅燃烧控制系统工作原理[J].工业仪表与自动化装置,1998,(6):20～22.

[3] 周桂锋.交叉限幅控制在加热炉中的应用[J].自动化与仪器仪表,2008,(5):24～25.

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ApplicationofCrossLimitingControlinAtmosphericandVacuumFurnace

LANG Wei-wei1, WANG Xin2

(1.PlasticPlant,CNPCDaqingPetrochemicalCorporation,Daqing163714,China; 2.EquipmentManagementCenter,CNPCGuangdongPetrochemicalCorporation,Jieyang515200,China)

Taking atmospheric and vacuum furnace as an example, both principle and engineering design of single-cross and dual-cross limiting control were introduced, including the details of their implementation and making use of oxygen content to modify air-fuel ratio.

cross limiting control, heating furnace, combustion control, air-fuel ratio

TH862

A

1000-3932(2016)10-1015-07

2016-07-14(修改稿)