淺談工業加熱爐主要儀表控制回路

王增輝

【摘要】加熱爐的出口溫度、爐膛壓力、燃燒效率等控制回路是加熱爐最重要的控制回路，是加熱爐復雜控制及自動控制的基礎，只靠單回路控制系統已經無法滿足加熱爐工藝生產的要求，加熱爐的復雜控制系統對加熱爐安全穩定、高效的運行起到重要的作用。

【關鍵詞】加熱爐、溫度、爐膛壓力、燃燒效率、控制回路

【中圖分類號】TP273 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0141-02

1、加熱爐介紹

加熱爐是工業生產中將物料或工件加熱的設備，是工業中非常常見的加熱設備，是利用燃料在爐膛內燃燒時產生高溫火焰與煙氣的熱能加熱爐管或傳送帶上物料、元件等，使其達到后續工藝過程所要求的溫度或在爐管中進行化學反應。其普遍應用于石油、化工、冶金、機械、熱處理、建材、材料、輕工、制藥等諸多行業領域。

加熱爐根據不同類型所分類也非常多，其中主要的分類為：

按熱源劃分有燃料加熱爐（固體、液體、氣體）、電能加熱爐（電阻加熱爐、感應加熱爐、微波加熱爐）；

按照爐子的作業方式分為：直接加熱方式（焚燒爐、平爐、轉爐等）；間接加熱方式（輻射爐、感應爐等）；

按照結構及安裝方式分為：圓筒爐、立式加熱爐，臥式加熱爐、大型方爐等；

按照用途分為：焚燒爐；物料加熱爐；裂解爐；煉鐵爐；軋鋼鍛造爐；熱處理爐；水泥窯爐；陶瓷窯爐，玻璃窯爐等；

按燃燒方式分為：直火焰式、附墻火焰式、無焰燃燒式等；

按燃燒器布置方式分為：底燒、頂燒、側燒、頂側燒式等。

2、管式加熱爐結構及控制原理

在石油化工領域，加熱爐已經成為合成氣、加氫裂化、加氫精制、乙烯裂解等生產過程中進行原料熱處理、石腦油裂解、加氫轉化反應等的重要設備，對整套產品裝置的質量、效率、能耗及安全運轉起著重要作用。根據石油化工領域工藝過程的特點及要求，這種加熱爐主要以管式加熱爐為主，石化裝置加熱爐爐管內流動的物料通常是高溫、高壓、易燃、易爆的烴類物質；被加熱介質或物料易在爐管內結焦；爐膛溫度和物料溫度的控制要求高；加熱方式以直接受火底燒式為主；主要燃料為易燃易爆的液體或氣體燃料；危險性大；操作條件苛刻；并需要長周期連續運轉。

本文以管式加熱爐為例，重點介紹工業加熱爐的出口溫度、爐膛壓力、燃燒效率等幾個重要控制回路。

根據加熱爐的結構可以看出，管式加熱爐的主要結構由燃燒器、輻射室、爐管、對流室、余熱回收系統及煙道系統組成。

根據工藝要求的不同，加熱爐的工藝控制參數也有很大的不同，但總體來看，加熱爐的主要控制回路包括爐膛溫度控制，爐膛壓力控制，爐管物料出口溫度控制，物料流量控制，加熱燃燒率控制等主要控制回路，如圖二加熱爐主要控制對象圖。為了保證加熱爐燃燒的溫度、物料的加熱溫度、壓力及流量等滿足工藝產品的要求，加熱爐的控制要求非常嚴格，隨著自動化儀表及控制系統的發展，特別是PLC系統、DCS系統和總線系統等集成化、大型化工業控制系統的成熟應用，加熱爐的自動控制系統也進一步得到提高和完善。但采用單回路控制系統往往很難滿足工藝要求，因為當加熱爐將工藝介質從加熱到數百度甚至一千度以上時，加熱爐的熱負荷會很大。當燃料供給的壓力或爐管中物料的熱值有變化時，就會引起加熱爐出口溫度的明顯變化。如只采用單回路控制，當加熱量改變后，由于傳遞滯后及測量滯后較大，控制作用不及時，而使加熱爐出口溫度波動較大，導致無法滿足工藝生產要求。因此單回路控制系統僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴格；對外來影響要求低，且不頻繁；爐膛容量較小的加熱爐系統。

隨著石油化工產業的發展和深化，對加熱爐的處理能力及處理精度要求也越來越高，也就要求加熱爐的控制精度也要進行進一步的提高，只靠單回路控制系統已經無法滿足工藝生產的要求，加熱爐的控制系統也就又單回路控制向更加復雜的回路控制發展。

1）、加熱爐出口溫度的控制：

加熱爐出口溫度直接影響加物料工藝參數及品質，是加熱爐最重要的工藝參數。最簡單的出口溫度控制方法就是采用單回路的反饋控制（如圖三），但該方法沒有考慮燃料量變化、進料量及進料溫度變化對出口溫度的影響。因此，在單回路控制的基礎上引入燃料流量控制，組成串級回路控制，控制燃料的進料波動，提高燃燒效率，穩定爐溫。同時，串級控制系統也可以將出口溫度控制器的輸出作為爐膛溫度的設定值，爐膛溫度控制器的輸出作為燃料量的給定值，燃料量控制器再去控制調節閥。這種串級控制利用爐膛溫度的重要信息，有利于克服某些裝置燃料壓力及進料變化引起的波動。

在燃料油作為燃料的系統中，通入一定的蒸汽使燃料成分霧化，可以提高燃燒效率。假如燃料油壓力變化較大時，僅采用蒸汽壓力控制不能確保燃料油得到良好的霧化，進行充分的燃燒造成燃料的浪費和溫度波動。因此引入采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力比值控制或二者流量的比值控制能更好的控制燃料的燃燒和加熱爐出口溫度控制。

這樣整個加熱爐的出口溫度控制回路就將出口溫度控制、爐膛溫度控制、燃料供給回路控制組合成串級、前饋、反饋、比值控制系統，從而組成一個比較復雜的控制回路，提高控制精度。

2）加熱爐爐膛壓力控制：

加熱爐爐膛壓力是加熱爐控制回路的另一個重要的參數。爐膛壓力過高時，爐膛向外噴火，導致大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也易燒壞爐子的鋼結構，降低爐子的使用壽命，同時還會導致勞動環境的惡化，危及操作人員的安全；爐膛壓力過低，會吸入大量的冷空氣，漏風熱損失和排煙熱損失增大，同時會影響到爐管的氧化，降低爐管壽命。因此，爐膛壓力的控制能保證加熱爐最佳燃燒狀態，保證加熱爐的生產效率和穩定產出。

爐膛壓力主要與進風量和引風量直接相關，目前多采用單變量控制加上送風量前饋調引風來進行控制（如圖五）。

3）加熱爐燃燒效率控制：

煙氣含氧量是標志燃燒狀況的重要參數，煙氣含氧量的大小能反映出加熱爐的燃燒情況，含氧量不足時，燃料燃燒不充分造成大量的燃料損失，煙氣中CO等含量增加，對大氣環境造成了危害；含氧量過大時，空氣流動大造成煙氣帶走大量的熱量，并導致空氣中的N2在高溫下與O2發生化學反應生成NOx，造成污染。因此控制煙氣含氧量不僅可以提高加熱爐的熱效率，更有利用裝置的環保、安全運行。

風機轉速、爐膛溫度、燃料量煙氣含氧量有直接的影響。在控制氧含量回路中將燃料量的變化引入反饋控制回路，與風機轉速、爐膛溫度組成串級回路，可以很好的解決加熱爐燃燒效率控制（如圖六）。

3、復雜控制回路應用

但隨著加熱爐工藝技術進步，裝備制造工藝的提高以及產能效率要求的最大化，導致對操作條件的要求更加嚴格，各種參數間的相關關系更加復雜，為適應生產發展的需要，產生了復雜控制系統。復雜控制系統就是在單回路控制系統的基礎上，再增加計算、控制環節或者其他環節構成。以上控制回路是加熱爐控制的重要基本控制回路，關系到整個裝置的產品質量和運行效率，也都屬于復雜控制系統。采用復雜控制對提高控制產品品質，擴大自動化應用范圍起著關鍵性作用。通常復雜控制系統約占全部控制系統的10%，但對生產過程的貢獻則達80%。

以乙烯裂解加熱爐出口溫度復雜控制為例，目前，每臺乙烯裂解爐爐管并不是由單一一組爐管組成，一般會有6到8組爐管均勻分布在兩個爐膛內，裂解爐的穩定運行要求每個爐管的溫度要基本一致，不能超過某一限值。雖然爐管與爐膛的燒嘴在爐膛內進行均勻布置，但每條燃料支路與每條爐管進料并不總能保持平衡，一旦受到某一條件的影響就會產生爐管受熱不均現象，導致不同爐管間溫度偏差過大，對產品質量及產量都會產生重要影響。因此，要對爐口出口溫度進行均衡控制，以多組爐管平均溫度為基準，對每組爐管進料調節器的設定點進行再分配，使每組爐管出口溫度與平均爐管出口溫度之差最小，這樣可避免各組爐管間進料流量出現較大的偏差。同時，當某組爐管進料量因溫度均衡控制而改變后，可通過自動調整其他幾組爐管進料量控制模塊的設定值，將其改變的流量再分配到另外的爐管進料量中予以補償。該復雜控制回路通過求和模塊求出進料總量作為總通量控制器的過程變量值，通過與其設定值的比較，自動調整總進料量從而達到控制進料總量趨于不變的目的，以保證工藝產品產量和質量的要求。

4、結束語

不管加熱爐控制回路的要求多高，多復雜，其重要控制回路都是對加熱爐爐口溫度、爐膛壓力、物料流量、加熱燃燒率等參數的控制。只要掌握了最基本的控制回路并加以組合利用，其控制參數的調整都能夠得到很好的解決，保證加熱爐正常、高效、平穩的運行。