常減壓加熱爐燃燒優(yōu)化控制儀表改造

劉惠文

（中化泉州石化有限公司 設(shè)備管理部，福建 泉州 362000）

加熱爐是石化企業(yè)重要的耗能設(shè)備，同時(shí)也是二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的主要來源之一。2016年10月8日，工信部發(fā)布了《石化和化學(xué)工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，明確提出了石化和化學(xué)工業(yè)“十三五”期間節(jié)能減排目標(biāo)，即：萬元GDP能耗下降15%、二氧化碳排放降低18%、氨氮排放總量降低10%、二氧化硫和氮氧化物排放總量降低15%的污染物總量減排目標(biāo)。在此背景下，對加熱爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化，提高加熱爐熱效率，減少污染物排放已變得非常迫切。20世紀(jì)90年代以來在工業(yè)爐領(lǐng)域內(nèi)大力推廣應(yīng)用的一項(xiàng)全新燃燒技術(shù)，它通過極限回收煙氣余熱并高效余熱助燃空氣，實(shí)現(xiàn)了高溫（1000℃以上）低氧濃度（2%～5%）條件下的彌散燃燒，具有大幅度節(jié)能和大幅度降低煙氣中COx、NOx等有害物質(zhì)的雙重優(yōu)越性[1]。

表1 常減壓裝置加熱爐運(yùn)行情況匯總表Table 1 Summary of the operation of the heating furnace of the normal decompression device

1 常減壓加熱爐現(xiàn)狀

常減壓蒸餾裝置共有3臺工業(yè)加熱爐，分別是常壓爐F301、一段減壓爐F401和二段減壓爐F402。目前加熱爐氧含量利用氧化鋯（ZrO2）[2]檢測儀檢測煙氣中氧含量，通過鼓風(fēng)機(jī)K601及風(fēng)門擋板控制加熱爐供風(fēng)系統(tǒng)，3臺加熱爐設(shè)計(jì)共用一套余熱回收系統(tǒng)。

初餾塔底油分成八路進(jìn)入常壓爐F301，設(shè)計(jì)進(jìn)料量為1232t/h，加熱至368℃后合并成一路進(jìn)入常壓塔C300下部，常壓爐燃料主要有高壓瓦斯、減頂氣。

常底油分成八路進(jìn)入一段減壓爐F401，設(shè)計(jì)進(jìn)料量為809t/h，經(jīng)加熱至386℃后合并成一路進(jìn)入一段減壓塔C400下部, 一段減壓爐燃料主要有高壓瓦斯、減頂氣等。

一段減渣部分作為渣油加氫原料，部分至二段減壓爐F402分成四路進(jìn)料，經(jīng)加熱至410℃后合并成一路進(jìn)入二段減壓塔C420。燃料為高壓瓦斯。

3臺加熱爐共用1臺鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)出口經(jīng)過低溫段煙氣余熱器、高溫段煙氣余熱器后加熱至220℃～240℃/265℃左右進(jìn)入3臺加熱爐，3臺加熱爐分別有風(fēng)道蝶閥，其中常壓爐4臺，一段減壓爐2臺，二段減壓爐1臺。3臺加熱爐煙氣經(jīng)過煙道擋板后合并進(jìn)入高溫段煙氣余熱器，其中常壓爐、一段減壓爐各有2個(gè)煙道擋板（常壓爐4個(gè)煙道擋板），二段減壓爐有1個(gè)煙道擋板，煙氣經(jīng)高溫段煙氣余熱器換熱后溫度降到160℃～190℃，然后經(jīng)過引風(fēng)機(jī)送至低溫段煙氣余熱器換熱至100℃～135℃，最后送至煙囪，排大氣。常減壓裝置加熱爐運(yùn)行情況匯總表見表1。

2 優(yōu)化燃燒自控技術(shù)改造

圖1 CO分析儀硬件組成Fig.1 CO Analyzer hardware composition

采用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)，即對煙氣中CO含量進(jìn)行在線測量，并通過對CO含量的控制來直接控制燃燒效果，實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的最佳配比，可降低煙氣中的氧含量，減少過剩空氣，減少CO2和NOX的排放，提高加熱爐的熱效率，節(jié)約燃料，減少污染物的排放。本次具體改造主要在加熱爐煙氣管道出口增加CO分析儀，并在常減壓裝置DCS控制系統(tǒng)中組態(tài)必要的控制策略，通過加熱爐出口煙氣中的CO含量控制加熱爐進(jìn)風(fēng)量，以達(dá)到優(yōu)化燃燒效率的目的。

2.1 優(yōu)化燃燒系統(tǒng)組成

理論配比燃燒優(yōu)化控制技術(shù)由CO在線監(jiān)測技術(shù)、控制策略兩部分組成。

2.2 CO在線監(jiān)測技術(shù)

CO在線監(jiān)測技術(shù)采用世界先進(jìn)的、技術(shù)成熟可靠的、快速CO中紅外激光分析儀。CO分析儀的精度達(dá)到ppm級，是普通燃燒分析儀靈敏度的10～50倍。將CO分析儀安裝在煙道擋板下，在煙道上鉆一直徑10cm的圓孔，作為分析儀光束的路徑。如圖1所示。

2.3 控制策略

在原有的DCS控制系統(tǒng)中加入新的控制策略，將CO的控制納入進(jìn)來。采用CO控制，將加熱爐煙氣中的CO含量控制在50ppm～100ppm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于易燃物爆炸極限20000ppm～40000ppm以下。可以精確地調(diào)整空氣與燃料之間的比例，預(yù)測燃燒的波動(dòng)，對滯后時(shí)間進(jìn)行提前控制補(bǔ)償。同時(shí)將原有控制系統(tǒng)的過程滯后時(shí)間整合到這個(gè)控制邏輯中，將原有的安全系統(tǒng)進(jìn)行整合，當(dāng)CO分析儀發(fā)生故障時(shí)，可以安全自動(dòng)地切換至原來的O2含量控制系統(tǒng)。

2.4 DCS控制方案組態(tài)

低氧燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)在常減壓裝置原DCS控制系統(tǒng)[3]上組態(tài)控制策略，控制策略充分滿足生產(chǎn)過程操作和管理的需要。項(xiàng)目實(shí)施后，控制策略能夠與原有控制方案進(jìn)行無擾動(dòng)切換。

圖2 常減壓裝置控制方案簡圖Fig.2 A brief diagram of the control scheme for normal decompression devices

常壓爐、減壓爐F301-401-402共用1臺鼓風(fēng)機(jī)，常壓爐、一段減壓爐、二段減壓爐負(fù)荷差距較大，目前通過不同擋板來控制進(jìn)入各個(gè)加熱爐的空氣量。每個(gè)爐膛空氣量與鼓風(fēng)機(jī)的變頻對應(yīng)關(guān)系都不同，因此無法通過固定風(fēng)道擋板、調(diào)節(jié)液力耦合器來實(shí)現(xiàn)將各個(gè)加熱爐的空氣配比調(diào)整到理論配比。

針對常壓爐、減壓爐的整體情況，采用固定風(fēng)道風(fēng)壓，控制風(fēng)道擋板開度的策略來實(shí)現(xiàn)加熱爐理論配比燃燒。圖2是常壓爐、減壓爐煙道分布圖。常減壓爐的整體實(shí)施方案需要在煙道擋板后的位置共安裝5臺CO分析儀，F(xiàn)301需要在煙氣混合前的煙道安裝2臺分析儀，F(xiàn)401需要在煙氣混合前的煙道安裝2臺分析儀，F(xiàn)402需要在煙氣混合前的煙道安裝1臺分析儀，并通過一套控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)F301-401-F402的空氣/燃料配比控制。

控制策略：

1）通過在F402煙道擋板后位置安裝的分析儀A所測的CO值，設(shè)定在50ppm來控制F402的送風(fēng)擋板實(shí)現(xiàn)F402的風(fēng)量配比。

2）通過在F401煙道擋板后位置安裝的分析儀B和C所測的CO值，設(shè)定在50ppm來控制F401的送風(fēng)擋板實(shí)現(xiàn)F401的風(fēng)量配比。

3）通過在F301煙道擋板后位置安裝的分析儀D和E所測的CO值，設(shè)定在50ppm來控制F301的送風(fēng)擋板實(shí)現(xiàn)F301的風(fēng)量配比。

4）通過鼓風(fēng)機(jī)的液力耦合器變頻來控制總風(fēng)量，將鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓固定在一個(gè)定值，當(dāng)各個(gè)風(fēng)道擋板動(dòng)作時(shí)，風(fēng)壓會隨著風(fēng)道擋板的動(dòng)作而發(fā)生變化，開大風(fēng)道擋板將使風(fēng)壓降低，反之升高。鼓風(fēng)機(jī)會調(diào)節(jié)總風(fēng)量保持鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓的恒定，保證3臺爐子的用風(fēng)量。

5）通過控制煙道擋板的開度，將各個(gè)加熱爐爐膛壓力控制在定值，引風(fēng)機(jī)變頻控制入口壓力為定值。

常減壓加熱爐的控制策略工程包會將上述控制要求整合起來，同時(shí)增加相關(guān)安全穩(wěn)定控制手段來實(shí)現(xiàn)加熱爐理論配比控制。通過完整的控制策略可將加熱爐的氧含量降到較低的程度，再配合燃燒平衡工程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)理論配比燃燒。

3 結(jié)束語

加熱爐實(shí)施理論配比燃燒優(yōu)化控制技術(shù)時(shí)，不會影響裝置的正常生產(chǎn)。可實(shí)現(xiàn)加熱爐在線打孔，儀器的在線安裝和調(diào)試，不用等到檢修周期進(jìn)行安裝，且工程量少。理論配比燃燒優(yōu)化控制技術(shù)投用后，儀器穩(wěn)定性好，儀器故障率低。CO控制策略的安裝不影響原有控制策略，操作員可根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)CO控制和原有控制的無擾動(dòng)切換。在常減壓爐F301-401-402上實(shí)施加熱爐理論配比燃燒優(yōu)化控制技術(shù)，可將CO控制在50ppm～100ppm，加熱爐氧含量有較大程度的下降，初步測算每年可節(jié)省燃料費(fèi)181萬元，節(jié)省電費(fèi)43.8萬元，每年減少二氧化碳排放1769噸。