能质平衡原理的加热炉控制系统分析

马培旭

摘要：在我国社会不断发展和进步的当下，我国工业设备、工业技术不断创新。加热炉是油田联合站主要耗能设备之一，其主要的功能便是加热原油，为运输、其他生产工艺打下良好基础保障。但是在实际运用加热炉时，很容易出现诸多问题，会造成资源不必要的浪费。本文将针对传统加热炉控制系统存在的问题进行详细分析，明确能质平衡原理的加热炉控制系统优化思路，并且提出HPLD加热炉控制系统设计策略。

关键词：加热炉;控制系统改造;能质平衡原理

油田联合站一般会使用水套式加热炉，该类型的加热炉主要内部结构是由燃烧器、火筒、水套、走油盘管等组成部分所构成的。该类加热炉在实际运用的过程中，因为会产生一定幅度变化，会导致原油的实际出口温度产生一定波动，无法保障后续生产工艺顺利开展，并且会造成一定程度的资源浪费。为了保障外输原油的参数达标，一般会使用过量加热的手段增强加热炉能耗量。

1传统加热炉控制系统存在的问题

当前社会对于传统加热炉改造领域正如火如荼开展。加热炉改造热门方向非常多，在选择加热炉改造时，必须要结合石油企业切身实际情况，提出适合企业发展、符合企业长期发展规律的设计方案。当前较为常见的加热炉改造方案有以下几种。

其一，借助大火、小火双档自动切换控制系统，详细检查出原油出口的温度变化，以便于实现大火、小火的切换。但是此类控制系统在实际使用过程中会出现频繁停止、频繁启动问题，这样很容易造成不必要的资源浪费，而且还损坏燃烧器，导致燃烧器使用寿命缩短。

其二，还有借助水套温度实施双档调节开展加热炉优化。还是因为此种水套温度的检测数值存在不固定性，无法切实满足原有进口参数的变动。

其三，基于分布式偏差的支路温度一致性控制方案，借助相邻支路的温度信息将支路与相邻支路温度偏差进行控制，并将其作为控制输出，使得多支路型加热炉的分支温度保持一致。虽然此种方法实施起来相对较为简单，操作方便，但是很难保障油温控制的精准度，而且还存在延迟度较高等问题。随着加热炉系统结构不断复杂、功能不断完善，导致加热炉控制系统设计难度更大。

2能质平衡原理的加热炉控制系统优化思路

能质平衡原理的加热炉控制系统，一般是基于PLC理论之下构建出的自动化控制系统。在加热炉当中设置一次风、二次风，实现最优过量空气系数维持。此外，对加热炉换件结构进行优化，在降低排烟温度的基础上，实施尾气排放处理。为了有效解决加热炉控制系统面临的问题，便可以将能治平衡原理融入到加热炉系统优化创新当中，构建出具备高精度、低延迟的加热炉温控策略。详细对加热炉运行过程中数学物理模型进行计算，明确理论水套温度，有效确定燃气调节方向。此外，还可以在加热炉当中添加系统检测设备，实时把控加热炉内过量空气系数，切实提升原油加热的精准度，真正实现加热炉运用过程中低能耗、低延迟、高精度。

3HPLD加热炉控制系统设计

3.1燃气流量系统控制

HPLD加热炉控制系統设计当中，最为重要的便是燃气流量设计。燃气流量模块当中可以结合炉内能质平衡关系，构建出原油加热过程当中数学物理模型，设置原油扰动监测机制，及时预估工况发生扰动后的原油出口温度。在开展燃气流量控制设计时，原油出口温度预估值为（1）所示。其中为原油出口温度预估值;为燃气质量流率，单位是kg/s;为燃气中的甲烷质量分数;为甲烷的低位发热量，单位是J/kg;其中为加热炉平均运算效率，单位是%;为原油质量流率，单位是kg/s;为原油的比热容，单位是J/（kg·K）;为原油的人口温度，单位是℃。

HPLD加热炉控制系统会进一步将原油出口温度预估值和设定值的差异进行测算，监控出原油出口温度预估扰动，若超出了扰动阈值的话，便会启动燃气调节程序。先计算出理论水套的温度，公式为（2）。其中为理论水套温度;为水套与原油换热面积，单位是㎡;为内部油管道与水套之间对流换热系数，单位是W/（㎡·K）;为原油的比热容，单位是J/（kg·K）;为原油质量流率，单位是kg/s。

基于以上参数内容，对HPLD加热炉控制系统进一步计算出扰动前实际水套温度，并且将其变至扰动后理论温度过程所需要的热量以及水套变温过程，进行详细分析，明确来流原油所发生的传热量，得出实际需求的总热量。当明确水套变温整个过程，便可以明确水套变温当中原油出口平均温度估算值，燃气调节方式不同，其实际工况也存在差异。

若出现>现象，那么就说明工况扰动之后，水套的实际温度低于理论值。在此种情况下，控制系统综合考虑燃气释放快速性和加热燃炉气载荷限度，并且确定燃气流量的调节方式。若燃气流量线性增长，直到加热炉所能够承受最大燃气热量时，并且将其维持在一段时间之后，线性减少到扰动燃气流量，结合工况实际情况计算出发生扰动后的燃气流量。01若出现<现象，即工况扰动之后，水套实际温度高于理论值，控制系则会出现释放燃气流量较少的现象。燃气流量的大小和传统加热炉控制系统当中的小伙档的燃气流量一般相对平衡，直到水套温度将至最低。此外，燃气流量若改变到计算流量，那么则会实现燃气流量系统稳定。

3.2给风量系统控制

为了确保加热炉正常、高效运行，需要保持加热炉当中最优过量空气系数，以便于全面提升加热炉的加热效率。为此，加热炉控制系统需要维持燃烧过量空气系数的恒定，借助给风量系统控制手段，用两步法精准的控制加热炉的给风量。将给风量控制系统与CH4的燃烧反应式、燃烧过程构建出给风量数学模型，结合加热炉的实际加热需求、燃气流量控制模块所得出的燃气流量计算理论空气量，初步针对给风量进行明确。在加热炉运行的过程中，可以在给风量控制系统的基础上，进一步建立过量空气系数和烟气含氧量关系，在得出过量空气系数与目标过量空气系数差值的基础上，得出PID负反馈回路输入，整定PID参数，并且将其进行风量精确调节。控制系统维持加热炉在最优给风状态下稳定运行，切实降低加热炉排烟热损失，切实提升能量的使用效率。

结束语

总而言之，为了实现加热炉高质量、高效率、经济化运行，必须要对原有的加热炉开展HPLD加热炉控制系统设计改造，切实在避免能源损耗的基础上，强化加热炉的运行效率，及时调节时效并实现油温控制，展现出加热炉的实际效用。