加热炉最小能耗优化控制策略的研究

加热炉最小能耗优化控制策略的研究

马卓

神华新疆化工有限公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 831404

摘要：随着社会的发展和进步，冶钢冶铁，以及化学行业等都离不开使用加热炉加热材料，从而满足生产作业需求。加热炉作为工业中重要的能耗设备，其稳定、经济的运行是提高经济效益和竞争力的基础。但加热炉燃烧系统复杂，被控变量较多，常规控制策略常常难以达到满意的控制效果。为了提高加热炉的控制品质，有必要研究加热炉的先进控制策略。

关键词：加热炉；燃烧控制；广义预测控制；模糊预测控制；

社会的发展以及经济、技术等的进步，促使更多行业获得了提升。但加热炉燃烧系统复杂，被控变量较多，常规控制策略常常难以达到满意的控制效果。为了提高加热炉的控制品质，有必要研究加热炉的先进控制策略。

一、加热炉工艺及分类

1.分体式相变加热炉是结合油田实际开发的新型加热炉，其工作原理与水套加热炉相近，其下部锅壳内的中间介质水受热蒸发产生一定压力的饱和水蒸汽，水蒸汽由蒸汽接管进入上部的管壳式换热器，与管壁发生相变换热。凝结水经回水管返回锅壳中，循环加热，利用水的相变传热技术。结构上，分体式相变炉下部为加热炉，上部为换热器。分体式相变炉之所以目前被广泛应用，主要因为它具有安全、节能、无动力设备、结构简单、安装方便、自动化程度和热效率高、易于管理等特点。在工程实际中2000~5000kW的相变炉应用尤为广泛。

2.管式加热炉。早期管式加热炉广泛用于国内各油田的油气集输、原油长输管道工程项目上，目前这类国产设备从设计到制造已形成系列化、规格化，设备效率、安全可靠性均较高，现场使用情况良好，但炉管易结焦，效率降低，压降大，正逐步被替换。

3.蓄热式加热炉。高温空气燃烧技术(HTAC)，也称蓄热式燃烧技术，是一种新型的燃烧技术，上世纪九十年代末开始在世界范围内推广应用。该技术具有高效回收烟气余温、降低NO．排放和提前预热燃气或空气等多重优势，给与燃烧相关的能源转换技术提供新的解决方案。

二、主要被控对象的控制措施

1.提高空气进入炉膛的温度，降低排烟温度。可以利用加热炉的高温烟气余热加热入炉空气，分成高温段和低温段空气预热器对空气逐步加热，以提高入炉空气温度，可以把入炉空气温度提高到120℃以上。或者利用装置内的蒸汽凝结水余热，加热增设在加热炉燃烧器上的空气预热器，使进入炉膛的空气被加热，从而节约了燃料气消耗而达到一次节能，因此达到了双向节能的目的。目前有新型的玻璃管式空气预热器，利用烟气对空气加热，其换热效果好，腐蚀率低，可以将排烟温度降低到100℃运行，可以将加热炉热效率提高1%-2%的水平，已在很多装置进行使用。

2.空气流量控制回路。相对于高炉煤气总管压力的频繁波动，空气总管压力基本保持稳定。作为助燃气体，空气流量过大时，加热炉炉压增大，进出钢口向外喷火，存在安全隐患，加热炉排烟量增加，带走更多热量，过量空气会与高温钢坯发生氧化反应，增加氧化烧损，造成经济损失；空气流量过小时，炉压减小到低于外界大气压会使外界冷空气倒流，冷空气不仅吸收热量还会增加均热段待出炉钢坯的氧化烧损，空气量过少意味着煤气不能完全燃烧，对于负责主要加热的一加热段和二加热段，温度提升慢甚至不升反降，多余的煤气随烟气排入大气，既不利于节能降耗又不利于环境保护。空气流量动态特性与煤气流量相似，都较快，调节通道时间常数较小，这里采用PID控制器进行控制。现空气和煤气的合理配比可以提高燃烧效率、降低氧化烧损、节省燃料等。加热炉三段根据功能不同设置不同的空燃比，其中一加热段和二加热段作为主要加热段要保证气体充分燃烧，空气和燃气均不能过量。现场工人根据经验将一加热段和二加热段空燃比保持在0.75左右，均热段保持在0.63左右。同煤气流量控制回路一样，现场控制系统中虽然设计有空气流量控制回路，但由于参数整定不合理等问题并未投入使用，空气流量的调节通过手动改变调节阀的设定值来实现。

3.对老式加热炉进行技术改造

真空加热炉采用真空相变换热技术，充分利用汽、液相变潜热的热量，其换热过程首先是利用真空控制阀把加热炉顶部空间抽成真空，水作为传热介质吸收燃料燃烧供给的汽化热蒸发，由此形成负压，水蒸汽在气相空间与换热盘管进行换热，蒸汽在释放热量后冷凝成液滴回落至液相空间。换热如此不断循环往复地吸热蒸发、放热冷凝，形成动态热平衡。目前油田使用的真空加热炉普遍炉效较高。

4. 蓄热室烟气温度控制。煤气和空气燃烧产生的烟气通过烧嘴排出，蓄热体从通过的烟气中吸收热量，使烟气温度降至150℃以下，系统换向后蓄热体将吸收来的热量对空气和煤气预热，循环往复。烟气温度过高，蓄热体吸热能力接近饱和，烟气带走大量热量，并对排烟设备中耐热性较差的部件造成损害；排烟温度过低，蓄热体吸收热量不足，进而无法预热空煤气到指定温度，使燃烧效率降低。加热炉换向排烟由三通换向阀实现，三通换向阀外接引风机。在该加热炉中，每个加热段都根据烟气排出所通过烧嘴的不同而分为煤烟和空烟，整个加热炉共12个排烟温度测点，加热炉两侧排烟温度每两个构成一对，由一个阀门控制，所以12个排烟温度由6个阀门控制。目前炉工手动设定排烟阀门开度大小，未实现自动控制。

5. 使用高效节能燃烧器，目前，油田仍有加热炉安装的均是普通燃烧器，而高效节能燃烧器能够依据加热炉进出口温度或炉膛温度的检测控制燃料气流量，并对燃烧的燃料/空气混合比进行调节，降低了人为因素对燃烧的影响，大幅度提高了加热炉效率。将存在故障、腐蚀老化的燃烧器更换为防漏液保护燃烧器，“十二五”期间将按计划对剩余存在故障的燃烧器进行更换，普通燃烧器也将逐年更换，提高加热炉的效率。加热炉在运行过程中的炉效并不是单纯地与火管温度成正比，如果加热炉的温度过高，不但容易造成加热炉火管烧坏而存在安全隐患，同时将导致排烟温度增大，直接影响加热炉的系统效率。在加热炉上安装高温检测装置，用于检测加热炉火管的表面温度；当火管温度超过其设定温度(475℃)时，炉管高温检测装置会自动降低加热炉的燃气量，确保加热炉火管不被烧坏，保证加热炉运行良好、炉效平稳。

5.涂刷高效节能涂料，改善加热炉火管的辐射传热效率在加热炉的辐射受热面上涂刷耐高温红外线节能涂料可以增强受热面的辐射吸收率，并且红外波涂层反复多次吸收并转化为内能传递，自身成为红外辐射热源，增强了受热面吸收辐射热量的能力。辐射面温度提高，吸收的热量能够透过火筒最大限度地传递给加热炉内的流体介质，通过增强加热炉火筒的吸热、传热效果，达到提高加热炉效率的目的。对炉效偏低、缺气较严重地区的加热炉开展了该技术的应用推广。通过计算加热炉涂刷节能涂料前后1m3工质升温1℃耗气量，涂刷后加热炉平均节气率提高9.15％左右。

6强化加热炉在线控制仪表的检查维修。装置对在线控制仪表的使用质量坚持常查常改，发现在线控制仪表有失准问题，及时安排仪表维护人员检修或更换，保证在线仪表的正确性，为加热炉的安全生产提供了坚实的基础[3]。还要求仪表维护保养部门，加强对在线控制仪表的定期检验，保证加热炉在线控制仪表的完好投用。

结语：

对于加热炉的使用过程而言，重要的不仅在于确保加热炉使用安全和稳定，同样也更是需要在确保使用安全的基础上，进一步降低和减少加热炉的能源消耗，这样能够提升生产效益，并且生产质量也能够获得保障。可见，加热炉的节能优化方法，实际需要做好对工艺的提升，也需要生产观念的转变和调整。

参考文献：

[1]刘萍，加热炉最小能耗优化控制策略.2019.

[2]王晓玲，浅谈加热炉最小能耗优化控制策略的研究.2019.