轉化爐燃燒系統(tǒng)節(jié)能改造

O 曾 超（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）

轉化爐燃燒系統(tǒng)節(jié)能改造

O 曾 超
（四川天一科技股份有限公司 四川 610225）

針對某裝置轉化爐燃料系統(tǒng)節(jié)能降耗問題，提出了改造方案。著重介紹了轉化爐燃燒系統(tǒng)的控制原理，設計時應考慮的問題，并結合項目實例，提出了燃燒系統(tǒng)的改造方案。

轉化爐；燃燒系統(tǒng)；選擇性控制；節(jié)能改造

1.項目背景

國內某石化廠有套10000Nm3/h制氫裝置，該裝置建成至今運行了2年時間。在生產過程中發(fā)現，轉化爐燃料天然氣的消耗比設計值偏大約8%。裝置設計滿負荷情況下天然氣消耗應為500Nm3/h，但實際操作中，在保證轉化管出口溫度達到設計值前提下，消耗的天然氣在530～540Nm3/h之間波動,并且副產的蒸汽量也比設計值偏小一些。從裝置按年運行8000小時計算，將多消耗天然氣約30萬標方，工業(yè)天然氣價格按2．8元/標方計算的話，每年會額外產生約85萬元成本。本著響應國家節(jié)能減排號召，也為企業(yè)節(jié)約成本，創(chuàng)造效益，希望對該裝置進行節(jié)能改造。

2.現有方案分析

該裝置轉化爐部分流程簡圖如下：

從流程分可以看出，轉化爐為轉化反應提供熱量，余熱給一臺中壓汽包供熱副產蒸汽以及為燃燒系統(tǒng)預熱空氣。轉化爐燃料氣為兩股，一股為工藝廢氣，要求優(yōu)先燃燒，不夠的用天然氣來補充，以穩(wěn)定轉化管出口溫度。兩股均有流量計量并帶溫壓補償。

我們知道，當燃料燃燒時，燃燒的產物連同其他可能夾雜的氣體都會升高到火焰溫度，溫度的高低取決于燃料的能量含量（即燃料的熱值）。因為燃料的發(fā)熱量是以J/kg為計量單位的，所以燃料的實際數量不會影響火焰溫度。燃燒產物的顯熱或燃料和空氣的顯熱都可以用來估算火焰溫度，因為兩者都滿足能量守恒定律。熱值為H，質量流量為Wf的燃料，其燃燒所產生的熱流量Q為：

這個熱流量必須等于把燃料流量和空氣流量升高到火焰溫度T所需的熱流量，即：

式中，Wf，Wa：分別為燃料和空氣質量流量；

Cf，Ca：分別為燃料和空氣平均比熱；

Tf，Ta：分別為燃料和空氣入口溫度；

為了保證完全燃燒，必須選擇一個特定的空氣/燃料比值K，這需要根據燃料的化學成分來確定。根據公式1-1與1-2，可以求得火焰溫度為：

上述公式只有在沒有過量燃料的情況下才成立。由于燃料往往比空氣價值高的多，而且不完全燃燒會產生煙灰和一氧化碳，因此爐子總是在過量空氣下運行，但是，顯然只有在燃料和空氣都不過量的情況下火焰溫度才能達到最大值。當然，空氣中的氮氣不參與燃燒，但它起了稀釋作用，從而降低了火焰的溫度，所以大型燃燒爐一般都采用純氧作為燃料。

因為空氣過量或者不足均會使火焰溫度下降，所以火焰溫度不是一個特別容易控制的被調量。最常用的燃燒效率指標是燃燒產物中的含氧量。為保證完全燃燒所需的過量空氣量取決于燃料的性質。本項目中所用的燃料為天然氣，在5%過量空氣下的燃燒效果最好。

基于以上理論可以發(fā)現，現有裝置在燃料系統(tǒng)設計上基于某種考慮（可能是節(jié)約成本），省略了一些必要的檢測點和控制回路，沒有有效手段來檢測和控制燃燒系統(tǒng)的空燃比。如送風流量沒有檢測，爐膛煙氣氧含量沒有在線分析，還有就是操作人員水平有差異，對煙氣氧含量檢測沒有引起足夠重視，使得轉化爐熱效率沒有保持在較高水準，造成了燃料消耗偏大，副產蒸汽偏小的情況。

3.改進方案

轉化爐主要的控制任務有三個：

①使轉化管出口溫度穩(wěn)定；

②保證燃燒過程的經濟性；

③保證爐膛負壓的穩(wěn)定；

上述三個控制任務是有關聯(lián)的，為了完成這三個任務，有三個需要調節(jié)的過程量：燃料量、送風量以及引風量。新的控制方案就圍繞著這三個過程量來進行設計，用三套控制回路來完成任務，主要方案如下：

(1)設置煙氣檢測手段

根據以往項目經驗，轉化爐燃燒效率最高時，煙氣中的一氧化碳含量保持在百萬分之一（ppm）范圍，氧含量保持在1～2%范圍。對于燃燒效率的檢測可以從分析這兩種氣體含量著手，但是ppm級的一氧化碳分析儀價格比氧分析儀要高得多，而可靠性卻不如氧分析儀，噪音也大。因此，從經濟性考慮，煙氣分析常通過測量氧含量來判斷爐子的燃燒效率，對于煙氣氧含量的測量，常用氧化鋯法響應速度快，精確度較高，但氧化鋯探頭只能工作在650～850℃的高溫環(huán)境，設置時應考慮合理的位置，若位置受限，則應考慮相應措施。此處選用直插式探頭并帶溫度補償型氧化鋯分析儀。

(2)設置送風量檢測手段

從流程可知，燃料氣設置有帶溫壓補償的流量檢測系統(tǒng)，但是送風系統(tǒng)卻缺乏檢測手段，因管道較大，此處選用均速管流量計對空氣流量進行檢測，配合鼓風機入口風門檔板閥，組成送風量流量調節(jié)回路，對系統(tǒng)的空燃比進行有效控制。

(3)控制方案變更

從安全方面考慮，對燃料-空氣控制系統(tǒng)要有一定的預防措施。空氣不足會使燃料在爐中積聚，一旦點燃就可能發(fā)生爆炸，因此必須注意確保燃料的流量絕不超過給定的空氣流量所允許的值。為了防止非穩(wěn)態(tài)下燃料過剩，改造方案選用了選擇性控制（也叫超馳(override)控制）

燃料、送風系統(tǒng)改造后的控制框圖如下：

燃料氣控制回路采用轉化管出口溫度與燃料氣流量串級控制的思路，當轉化管出口溫度過低時，溫度控制器輸出增大，要求增加燃料氣供給。而燃料氣與送風組成的選擇性調節(jié)系統(tǒng)則會根據溫度控制器輸出值，來保證燃料氣流量和送風流量按一定比例進行增加或者減小，并且在動態(tài)變化的過程中也盡量維持空氣和燃料的比值在空燃比設定值K附近。

送風量控制回路采用煙氣氧含量測量與送風流量串級控制的思路。由于此轉化爐涉及兩種燃料混合燃燒，工藝廢氣的組成可以通過工藝物衡表得到，那么其熱值及需要消耗的空氣可以通過計算得出，但是始終會有一部分組分會發(fā)生變化，不能精確保證燃料和空氣的合理配比。煙氣中的氧氣含量與過剩空氣系數有比較固定的關系，通過控制煙氣氧含量就可以間接實現過剩空氣系數的測量和控制，也就實現了空燃比配比的控制。因此在空燃比選擇性調節(jié)控制系統(tǒng)的基礎上，將煙氣氧含量測量設計成串級控制系統(tǒng)。

至于送風流量控制，因送風量和爐膛負壓之間通常會相互影響，特別是在使用鼓風機和引風機時更加明顯，這種關聯(lián)作用最好用一個解耦器進行解耦。負壓控制系統(tǒng)改造后的控制框圖如下：

此裝置爐膛負壓控制值一般應控制在-20～-50Pa之間，若負壓太小甚至為正壓，則爐膛內熱煙氣甚至火焰上竄引發(fā)設備和人員事故，反之負壓過大，會使大量冷空氣漏進爐內，從而使熱量損失增加，降低燃燒效率。應重點注意的是該測量值非常微小而且極易受環(huán)境影響，加上空氣流量本身存在脈動，被調量的反應太靈敏會出現調節(jié)器的激烈跳變，需要在信號輸入的時候做高頻濾波處理，并且調節(jié)器建議設置一定范圍的死區(qū)，避免意外的擾動造成回路的震蕩。

(4)爐體的檢查

對爐體、管道的保溫施工進行檢查，確保沒有遺漏或者損壞。此方法并非控制手段，但是也有必要。良好的保溫層能夠減少管道和設備的散熱損失，也是提高經濟效益的有效途徑，尤其是對長輸管道和高溫設備。

4.改造成果

經過停車改造，裝置重新投入運行，在參數整定后，新增回路全部投入自動運行。在進行滿負荷72小時考核期間，燃料天然氣穩(wěn)定在490～500Nm3/h之間，略低于設計值，達到改造的目的。同時因為自動化程度的提高，對操作人員的要求也相對降低了，操作人員只要熟悉操作數據，有一定的單元操作基礎，就能很好的完成轉化爐的控制。

結束語

隨著市場競爭的日益加劇，產品價格一降再降，如何有效的節(jié)能降耗成為了企業(yè)生存的關鍵問題。不少企業(yè)在建廠初期一味著眼于建設期投資，往往抱著能用就行，人工不值錢的觀念采取低價中標形式進行建設，卻忘記了工廠自動化程度的提高，雖然投資也相應提高了，但是對裝置的穩(wěn)定、高效、節(jié)能卻有很大的好處，還可以消除因操作人員水平參差不齊、精力不集中等人為因素所帶來的擾動，減少非計劃停車的頻次，創(chuàng)造出很可觀的隱形效益。設計方更應協(xié)助建設方，找到一個合理的平衡點，達到雙方都滿意的效果。

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊第三版.北京:化學工業(yè)出版社,2000.

[2]蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程第二版.北京:中國石化出版社, 2004.

[3]化工工藝設計手冊第三版.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

Conversion furnace combustion system energy saving transformation

Zeng Chao
(Sichuan tianyi science and technology Co., LTD, Sichuan ,610225)

in view of a certain unit conversion furnace fuel system problem of saving energy and reducing consumption, the retrofi t scheme is proposed. Conversion furnace combustion system are introduced, the control principle of design should consider the problem, and combining the project instance, the retrofi t scheme of combustion system are put forward.

conversion furnace；Combustion system；Selective control；Energy saving reconstruction

T

A

曾超（1982～），男，四川天一科技股份有限公司，研究方向：化工裝置自控設計。