CO 优化控制系统在加热炉中的应用

付满平，司春旭，安永峰

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

加热炉是石油化工生产装置中的重要设备之一，其作用是通过燃料气的燃烧为原料油的反应提供热量。作为能源消耗大户，加热炉的能耗量占企业能耗总量的50%～70%，同时产生CO2、NOx等环境污染物，因此加热炉运行状况的好坏与节能环保的程度有十分密切的关系。

宁夏石化公司炼油厂加热炉于2011 年建成投用，设计加工量为500×104t/a，设计热负荷42.43 MW。4 路进料4 路出料，燃烧器采用16 套低氮燃烧器（目前有8 火嘴燃运），加热炉炉管中高速流动的油品，被燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气所产生的热源加热，部分油品被汽化，达到在常压塔内分离各侧线产品的条件。

1 技术比较

1.1 优化前燃烧控制技术

本厂加热炉建成投用后一直采用过剩空气控制方式，即使用ZrO2检测仪检测炉膛内部氧含量，将检测结果作为入口鼓风机蝶阀开度的控制依据，进一步调节炉膛中的氧含量，来实现燃料和空气的配比控制。

1.1.1 控制方式 过剩空气控制方式有自动控制和手动控制两种，用以应对不同工况下的加热炉燃烧配比要求。

1.1.1.1 自动控制 系统工况稳定时，工艺系统稳定性、设备仪表精度要求高，投入自动控制，此时氧含量控制在平稳运行范围（2.5%～3.0%），热效率在92%以上。

1.1.1.2 手动控制 系统工况不够稳定，或受制于具体工艺条件和流程特性，未投自动控制时，需采用人工手动控制，此时氧含量控制在安全运行范围（1.5%～3.5%），加热炉热效率一般在90%～92%。

1.1.2 ZrO2检测仪的不足之处 ZrO2检测仪只能检测探头内氧含量，代表性不足，易受到空气泄漏的影响；ZrO2温度适应性差，炉膛温度高于600 ℃，对检测仪的温度适应性有较高的要求；仪器响应慢，灵敏度低。

1.2 控制系统的比选

1.2.1 CO 控制系统的提出 考虑到ZrO2检测仪的上述不足，现将ZrO2检测仪替换为CO 检测仪。也就是把传统的氧含量控制参数转化为CO 含量控制参数，来控制燃烧配比。

1.2.2 CO 分析仪的特点及技术优势

（1）ZrO2检测仪的安装位置是在炉膛内部，CO 分析仪的安装位置是在对流室后的烟道部分（见图1）。加热炉烟道部分的温度相对于炉膛内部温度较低，因而CO 分析仪的温度适应性优于ZrO2检测仪。

（2）ZrO2检测仪氧含量的检测数据来自于探头内的样品气体（工作原理见图2），数据的代表性较差，且易受到泄漏空气的影响。而CO 分析仪的检测对象是烟道内一个较大的空间范围，烟道内烟气混合均匀，光束透过烟道检测CO 可以直接反映燃烧情况，并且不易受泄漏空气影响，数据更有代表性。

图1 CO 分析仪的安装位置示意图

图2 ZrO2检测仪在炉膛内部的工作原理

（3）CO 控制系统在加热炉实际运行过程中与传统的过剩空气控制系统相比，炉内氧含量更低、排烟温度更低、燃料气能耗更少，热效率更高。

2 CO 控制系统原理与控制方法

2.1 CO控制系统原理

2.1.1 NOx减排理念 由图3 可以看出降低NOx排放量的方法可以有两个策略：第一个策略是提高氧含量，使之控制在＞10%（C 区）的范围内，在不考虑其他因素的情况下，含氧量越大减排效果越好；第二个策略是降低氧含量，使之控制在＜5%（A 区）的范围内，同样不考虑其他因素的情况下，含氧量越小减排效果越好。两种策略的原理和效果对比（见表1）。

图3 炉膛中的氧含量与NOx排放量的关系曲线

表1 两种降低NOx排放量策略的原理和效果对比

由表1 可以看出，氧含量过高不利于设备节能，所以从节能和环保两方面的效果考虑，降低含氧量策略比提高含氧量策略优秀很多，所以我们采用降低氧含量策略，也就是将炉膛的含氧量控制在＜5%（A 区）范围内，不考虑其他因素的情况下，含氧量越小减排效果越好。

2.1.2 CO 控制与NOx减排理念的结合

2.1.2.1 CO 的产生原理 在氧气充足的情况下，甲烷燃烧反应方程式为：

当加热炉中的燃烧空气减少时，氧气量不足以使甲烷完全转化为CO2，就会产生CO，此时反应方程式为：

CO 的产生与炉膛内的含氧量密切相关，炉膛内的含氧量越低，CO 的产生量越大。

2.1.2.2 加热炉内的燃烧状态曲线 加热炉内的燃烧状态曲线，即炉内含氧量、CO 含量和NOx含量的关系曲线（见图4）。

当加热炉内氧含量控制在0.5%～1.0%时，炉内CO和NOx的含量均可控制在排放标准以内，称之为“理想控制区”，此时对应的CO 含量为0.005%～0.015%，可以将这个范围作为炉内CO 的控制参数。

当含氧量小于0.5%时，CO 含量大于0.015%，称之为“不完全燃烧区”，此时加热炉处于“缺氧”的燃烧状态，需要通过增加含氧量的方式调整曲线进入“理想控制区”。

当含氧量大于1.0%时，CO 含量小于0.005%，此时加热炉处于“过氧”的燃烧状态，炉内NOx含量易超标，需要通过降低含氧量的方式调整曲线进入“理想控制区”。

2.2 CO 控制系统的控制方法

CO 控制系统是利用CO 检测仪来检测烟道中烟气的CO 含量，以此作为控制参数来控制鼓风机入口蝶阀的开度，从而调节加热炉内的含氧量，使燃烧配比接近理论配比，控制原理（见图5）。

（1）CO 值大于0.015%时，系统判断烟气CO 含量超标，燃烧状态为不完全燃烧的“缺氧”状态。此时提高鼓风机入口碟阀开度，提高炉内含氧量，使燃烧状态进入较为充分的“理想控制区”，从而降低烟气的CO 含量。

（2）CO 值小于0.005%时，系统判断烟气CO 含量偏低，燃烧状态为含氧量偏高的“过氧”状态。此时NOx含量容易超标，需减小鼓风机入口碟阀开度，降低炉内含氧量，使燃烧状态回归“理想控制区”，略微提高烟气CO 含量的同时，降低NOx的含量。

3 调试过程

图4 加热炉内燃烧状态曲线

图5 CO 控制系统示意图

理想状态下，一台加热炉的每个燃烧器都应按照设计参数共同分配相同的燃料量和空气量，以确保每个燃烧器的燃烧状况一致。但实际上，每个燃烧器在正常运行中的燃料和空气的损耗都不同，因而不同燃烧器的空燃比也会有所区别。因此，炉膛的燃烧情况需要定期的检查分析，如：燃烧器的火焰形式、火焰稳定性和机械缺陷，运行环境不稳定时，还可能需要检查炉膛温度和热场分布，并据此结果不断修正每一台燃烧器的燃料量和空气量，使之达到最佳空燃比。

在本次调节过程中，CO 系统调试采取“先现场调节后PID 调整”的方式来进行低氧燃烧控制，并通过两次平稳性运行验证，得到最终的稳定运行状态。

3.1 现场燃烧调节

3.1.1 入口蝶阀调整 为提高CO 控制执行机构中鼓风机入口蝶阀的灵敏性和精确度，减少了一次风门的开度，以此提升鼓风机入口蝶阀的开度，从而提高蝶阀的调节空间和CO 控制的调整精度。同时，一次风门开度的减小，也将鼓风机出口压力从调整前的1 200 Pa左右提高到了2 300 Pa 左右，因此远离了装置的联锁点，使调整更加安全。一次风门的最后开度分别为西侧35%，东侧37.5%。

3.1.2 氧含量调整 确定鼓风机入口蝶阀开度为45%，将O2控制模块（AIC2101）设为自动，设定值由“2.8%”改为“2.2%”，鼓风机入口蝶阀下降，同时根据现场火焰的燃烧状况调整各燃烧器的二次风门，使其燃烧状态保持基本一致。

3.1.3 燃料量的调整 对现场的所有燃烧器的燃料阀进行调整。未工作燃烧器的燃料阀全关，正常工作燃烧器的燃料阀4 个燃烧器出口（TI2007A/B/C/D）温度分别逐渐开至最大，这样不仅能使得配风更合理，同时也能减小高压瓦斯对燃料闸阀的侵蚀。

3.2 CO 控制PID 调整

3.2.1 入口蝶阀限位设定 现场风门和燃料阀基本调整完毕后，在内操控制室进行CO 自动控制。根据加热炉（F101）的运行参数，将CO 控制执行机构鼓风机入口蝶阀开度的高低限位，设置为上限60%，下限48%。

3.2.2 CO 控制系统PID 值的调整 投用CO 控制自动前，先将加热炉负压设置为自动控制。调整负压PID值，使其烟道挡板的变化能适应进风量和负压的变化。负压自动正常后，将标准CO 控制模块（AIC1111）设置为自动控制，设定CO 控制值为0.005%，并调整PID值直至成功实现CO 的自动控制。此时氧含量基本稳定在0.9%到1.0%，且装置运行平稳，CO 控制的PID调整结果（见表2）。

表2 PID 调整结果

4 投用效果

4.1 加热炉内氧含量对比

CO 控制系统投用后炉内氧含量平均值从3.0%降低至0.9%左右，投用前过剩空气系数平均值为1.15，投用后为1.06，CO 控制前后炉内氧含量对比（见图6）。

4.2 加热炉所需燃料量对比

CO 控制系统投用后的30 d 内，在原油加工量基本不变的情况下，加热炉所需燃料量逐步稳定控制在2 724 m3/h 左右，而投运前正常运行所需燃料量平均值3 388 m3/h，加热炉所需燃料量平均每小时降低了664 m3，取得了很好的经济效益。CO 控制系统投用后的燃气消耗趋势（见图7）。

4.3 CO 控制系统投运前后现场火焰效果对比

CO 系统投运前因燃料量与送风量配比不好，火焰呈暖黄色，长而无力（CO 系统投运前火焰见图8）；CO系统投运后燃料量与送风配量比良好，火焰呈淡蓝色，燃烧良好（CO 系统投运后火焰见图9）。CO 系统对燃烧器的燃烧效果具有较好的改善作用。

图6 CO 控制后炉内氧含量对比图

图7 CO 控制系统投用后燃气消耗趋势图

图8 CO 系统投运前火焰

图9 CO 系统投运后火焰

表3 CO 系统投运前后加热炉的运行效果综合对比

4.4 CO 系统投运前后加热炉的运行效果综合对比

由CO 系统投运前后加热炉的运行效果对比（见表3）可以看出：CO 系统投运降低了燃料气的能耗，取得了很好的经济效益；同时也减少了废气的排放量，取得了很好的社会效益。

5 结语

加热炉引进理论配比燃烧优化技术，改变了传统过剩空气控制以ZrO2检测仪为主要检测仪器，炉膛含氧量为自控依据的方法，引进了以CO 检测仪为主要检测仪器，烟气CO 含量为自控依据的CO 优化控制方法来控制加热炉的燃烧效果。该技术降低了烟气中的氧含量和过剩空气，实现了燃料和空气的最佳配比，节约燃料、降低装置能耗，提高了加热炉的热效率，同时有效降低CO2和NOx等污染物的排放，取得了较好的经济效益和社会效益。