加热炉温度控制

1、加热炉的控制系统胜利炼油厂仪表车间胜利炼油厂仪表车间吴吴 爱爱 泉泉 中国石化齐鲁分公司中国石化齐鲁分公司胜利炼油厂仪表车间胜利炼油厂仪表车间 一、加热炉常规温度控制 二、加热炉的支路平衡控制 一、加热炉常规温度控制 一、加热炉常规温度控制 在石油、化工生产过程中常见的加热炉主要是管式加热炉。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量，同时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管的使用寿命，因此必须严加控制加热炉出口温度。 1、加热炉概述一、加热炉常规温度控制2.1 传热过程复杂 加热炉是传

2、热设备的一种，燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，热量主要通过辐射传给管壁，然后由管壁传给工艺介质。工艺介质在辐射室获得的热量约占热负荷的7080，其余热量在对流段获得。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得其对象特性是困难的。 2、加热炉特点一、加热炉常规温度控制2.2 滞后 加热炉具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它有很大的热容量，滞后更为显著。因此加热炉属于一种多容量的被控对象，可以用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的对象特性。其时间常数和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质的停留时间有关，炉膛容量大，工艺介质的停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大；反之亦然。根据实践经验

3、，用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的对象特性还是可行的。 2、加热炉特点一、加热炉常规温度控制 加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度。此温度是控制系统的被控变量，而操纵变量是燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，如允许波动范围为(12)。3、加热炉扰动分析 一、加热炉常规温度控制影响炉出口温度的扰动因素主要有：（1）进料方面：工艺介质的流量、温度、压力、组分等；（2）燃料方面：燃料油(或燃料气)的流量、温度、压力、成分(或热值)、燃料油的雾化情况等；（3）其他方面：空气质量情况（氧含量）、喷嘴的阻力、烟囱抽力等。3、加热炉扰动分析 一、加热炉常规温度控制

4、在上述这些扰动因素中，有些是可控的，有些是不可控的。为了保证炉出口温度稳定，对扰动应采取必要的措施。如对可控干扰设置控制回路，或与主要控制系统组成串级系统；对可测干扰引入前馈补偿等。 3、加热炉扰动分析 一、加热炉常规温度控制 加热炉的简单控制系统仅对出口温度控制要求不十分严格；外来扰动缓慢而比较小，且不频繁；炉膛容量较小，即滞后不大的加热炉。 4、加热炉简单控制 一、加热炉常规温度控制 加热炉的简单控制系统仅对出口温度控制要求不十分严格；外来扰动缓慢而比较小，且不频繁；炉膛容量较小，即滞后不大的加热炉。最常见的加热炉简单是以出口温度为被控变量、以燃料油(或气)为操纵变量组成的简单控制系统。4

5、、加热炉简单控制 一、加热炉常规温度控制 加热炉的简单采用简单控制系统往往很难满足工艺上对炉出口温度波动12的严格要求。因为加热炉对象的传递滞后和测量滞后都较大，控制不及时。为了改善控制品质，满足生产需要，石油化工中的加热炉大多采用串级控制系统。由于扰动作用及加热炉的型式不同，可以选择不同的副变量组成不同的串级控制系统。5、加热炉串级控制 一、加热炉常规温度控制常见的几种串级控制方案 ：（1）炉出口温度对燃料油(或燃料气)流量的串级控制；（2）炉出口温度对燃料油(或燃料气)阀后压力的串级控制；（3）炉出口温度对炉膛温度的串级控制， 5、加热炉串级控制 二、加热炉支路平衡控制 二、加热炉支路平衡

6、控制 常见加热炉一般有两个辐射室，每个辐射室有两路进料。这四路进料在设计上完全一样，从理论上讲，操作结果（特别是出口温度）应该也一样，但实际上相差较大。为最大限度的提高加热炉的加热效率，降低能耗，抑制加热炉炉管内的结焦现象，以保证加热炉长周期的稳定运行，需要实现加热炉各支路出口温度偏差的最小化。 1、平衡控制的目的二、加热炉支路平衡控制 下面以炼油厂第三常减压装置为例，简要介绍先进控制系统中有关加热炉支路平衡控制的有关知识。 二、加热炉支路平衡控制2、仪表位号的构建规则X XX 0 0 XX .PV仪表编号，起始编号为1，取值域为整数域；数字“0”代表该位号将用于APC；表征位号来历的字符，取

7、值域如下：PJ：平均值；CZ：差值；BZ：比值；PC：偏差；JQ：加权平均；ZD：最大值；ZX：最小值；TC：推测值；JH：加和值。表征位号类型的字符，取值域如下：F：流量；T：温度；P：压力；L：液位；Q：热量；A：产品性质或组成。数字“0”尊重装置命名习惯，以“0”开始；二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.1.1 该计算的目的：是为常压炉的支路平衡控制提供一个被控变量。3.1.2 该计算项目的原因：在实现常压炉支路平衡控制方案的过程中，应考虑到常压炉操作的合理性和安全性，其中包括常压炉的各路分支流量偏差不要太大。实际操作中，偏差的上限可由操作人员调整。常压炉有两个辐射室，每个辐射

8、室有两路进料。每个辐射室的进料偏差分别考虑，同时也考虑两个辐射室进料的偏差。 3.1 常压炉进料流量偏差计算二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.1.3 常压炉一、二路进料流量偏差(FPC0001)计算公式如下：其中：FPC0001.PV：常压炉一、二路进料偏差，单位t/h。注：在进行计算前，应首先检验参与计算的变量状态是否正确。(以下同样要求，不再重复） 3.1 常压炉进料流量偏差计算SPBFICSPAFICPVFPC.1111.1111.0001二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.1.3 常压炉一、二路进料流量偏差(FPC0001)计算公式如下：计算输入计算输入常压炉支路

9、一流量控制回路的设定值，FIC1111A.SP，单位t/h；常压炉支路二流量控制回路的设定值，FIC1111B.SP，单位t/h。计算输出计算输出常压炉一、二路进料偏差，FPC0001.PV ，单位t/h。备注备注该计算项目在DCS中实现，运行周期为秒级。 3.1 常压炉进料流量偏差计算SPBFICSPAFICPVFPC.1111.1111.0001二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.1.4 常压炉一、二路与三、四路进料平均流量偏差(FPC0002) 计算公式如下：其中：FPC0002.PV：常压炉一、二路与三、四路进料平均流量偏差，单位t/h 。该计算项目在DCS中实现，运行周期为

10、秒级。 3.1 常压炉进料流量偏差计算2).1111.1111().1111.1111(.0002SPDFICSPCFICSPBFICSPAFICPVFPC二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.1.5 常压炉三、四路进料流量偏差(FPC0003)计算公式如下：计算输入计算输入常压炉支路三流量控制回路的设定值，FIC1111C.SP，单位t/h；常压炉支路四流量控制回路的设定值，FIC1111D.SP，单位t/h。计算输出计算输出常压炉三、四路进料偏差，FPC0003.PV ，单位t/h。备注备注该计算项目在DCS中实现，运行周期为秒级。 3.1 常压炉进料流量偏差计算SPDFICSPC

11、FICPVFPC.1111.1111.0003二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.2.1 该计算的目的：是得到常压炉Profit Controller的一个被控变量 。3.2.2 该计算项目的原因：为最大限度的提高加热炉的加热效率，抑制加热炉炉管内的结焦现象，以保证加热炉长周期的稳定运行，需要实现加热炉各支路出口温度偏差的最小化 。 3.2 常压炉出口温度偏差计算二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.2.3 常压炉支路一、二路出口温度偏差(TPC0004) 计算公式如下： 其中：TPC0004.PV：常压炉支路一、二路出口温度偏差，单位。3.2 常压炉出口温度偏差计算PVBT

12、IPVATIPVTPC.1156.1156.0004二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.2.3 常压炉支路一、二路出口温度偏差(TPC0004) 计算公式如下： 计算输入计算输入常压炉支路一出口温度，TI1156A.PV，单位；常压炉支路二出口温度，TI1156B.PV，单位。计算输出计算输出常压炉支路一、二路出口温度偏差，TPC0004.PV ，单位。该计算项目在DCS中实现，运行周期为秒级。3.2 常压炉出口温度偏差计算PVBTIPVATIPVTPC.1156.1156.0004二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.2.4 常压炉支路三、四路出口温度偏差(TPC0005)

13、 计算公式如下： 其中：TPC0005.PV：常压炉支路三、四路出口温度偏差，单位。该计算项目在DCS中实现，运行周期为秒级。3.2 常压炉出口温度偏差计算PVDTIPVCTIPVTPC.1156.1156.0005二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.3.1 该计算的目的：是得到常压炉Profit Controller的一个被控变量 。3.3.2 该计算项目的原因：为了保证加热炉的安全操作，炉膛温度是重要的安全约束。常压加热炉中在不同部位有很多热偶来检测炉膛温度。本项计算是获取众多监测点中的最高温度。常压炉有两个炉膛，分别考虑 。 3.3 常压炉炉膛最高温度计算二、加热炉支路平衡控制

14、3、常压炉的工艺计算3.3.3常压炉炉膛最高温度一常压炉炉膛最高温度一(TZD0006A) 。计算描述 ：其中：TZD0006A.PV：常压炉炉膛最高温度一，单位；TI1712A.PV：常压炉炉膛温度测量值值一，单位；TI1712C.PV：常压炉炉膛温度测量值三，单位；TI1712E.PV：常压炉炉膛温度测量值五，单位。3.3 常压炉炉膛最高温度计算).1712,.1712,.1712(.0006PVETIPVCTIPVATIMAXPVATZD二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.3.3常压炉炉膛最高温度一常压炉炉膛最高温度一(TZD0006A) 计算描述 ：计算输入计算输入常压炉炉膛

15、温度测量值一，TI1712A.PV，单位；常压炉炉膛温度测量值三，TI1712C.PV，单位；常压炉炉膛温度测量值五，TI1712E.PV，单位。计算输出：计算输出：常压炉炉膛最高温度一，TZD0006A.PV，单位。备注：备注：该计算项目在DCS中实现，运行周期为秒级。3.3 常压炉炉膛最高温度计算).1712,.1712,.1712(.0006PVETIPVCTIPVATIMAXPVATZD二、加热炉支路平衡控制3、常压炉的工艺计算3.3.3常压炉炉膛最高温度二常压炉炉膛最高温度二(TZD0006B) 。计算描述 ：其中：TZD0006B.PV：常压炉炉膛最高温度二，单位；TI1712B.

16、PV：常压炉炉膛温度测量值二，单位；TI1712D.PV：常压炉炉膛温度测量值四，单位；TI1712F.PV：常压炉炉膛温度测量值六，单位 。3.3 常压炉炉膛最高温度计算).1712,.1712,.1712(.0006PVFTIPVDTIPVBTIMAXPVBTZD二、加热炉支路平衡控制4、常压炉系统Profit Controller设计4.1.1实现常压炉支路平衡控制。其中，常压炉支路平衡控制包括： 通过调整各支路的流量平衡加热强度 在调整各支路流量同时保持总流量恒定 实现各支路出口温度的平衡4.1.2通过加热炉支路平衡控制，可以： 改进加热炉热效率 降低加热炉炉管结焦的可能性 。 4.1

17、 控制目标二、加热炉支路平衡控制4、常压炉系统Profit Controller设计 通过操纵一组独立变量（操纵变量），常压炉系统控制器能够使一组非独立变量（被控变量）稳定于目标状态点，或处于约束范围内。通过引入干扰变量，控制器可实现前馈控制来消除干扰影响。 预测控制算法利用动态模型，确定与被控变量有关的操纵变量和干扰变量的影响。上述模型是通过对装置进行阶跃测试后辨识获得。4.2 控制策略二、加热炉支路平衡控制4、常压炉系统Profit Controller设计 在Profit Controller内部，一个线性规划或二次规划优化器于控制算法共同确定应对操纵变量施加的调节量。其中，成本函数可以

18、在线调整以反映装置目标和经济特性方面的变化。线性规划的成本函数能够实现装置处理能力的最大化。 （具体控制策略参考控制器关系矩阵具体控制策略参考控制器关系矩阵） 4.2 控制策略二、加热炉支路平衡控制4、常压炉系统Profit Controller设计 本项目中常压炉系统潜在的约束是辐射室炉管表面温度，但由于该温度并未测量，所以以控制炉膛温度和实现加热炉支路平衡控制为目标。 4.3 潜在的控制约束二、加热炉支路平衡控制4、常压炉系统Profit Controller设计该控制器包含14个CV，4个MV，2个DV 。下表是常压炉系统Profit Controller的变量 4.4 控制器的结构类类型型位号位号描述描述备注备注CV01FI1340.PV常压炉总进料流量约束型CVCV02TPC0004.PV*常压炉支路一、二出口温度偏差约束型CVCV03TPC0005.PV*常压炉支路三、四出口温度偏差约束型CVCV04FPC0001.PV*常压炉一、二路进料流量偏差约束型CVCV05FPC0002.PV*常压炉一、二路与三、四路进料平均流量偏差约束型CVCV06FPC0003.PV*常压炉三、四路进料流量偏差约束型CVCV07TZD0006A.PV*常压炉左炉膛最高温度约束