三、 加热炉安全控制系统
在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。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。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使用寿命。因此,加热炉出口温度必须严加控制。
加热炉是传热设备的一种,同样具有热量传递过程,热量通过金属管壁传给工艺介质,因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备,首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流,主要通过辐射传热将热量传给管壁,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总热负荷的70%一80%,而在对流段获得的热量约占热负荷的20%一30%。因此加热炉的传热过程比较复杂,想从理论上获得对象特性是很困难的。
加热炉的对象特性一般基于定性分析和实验测试获得的。从定性角度出发,可以看出其热过程为:炉膛炽热火焰辐射给炉管,经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样,具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛,它具有较大的热容量,故滞后更为显著,因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试,并做了一些简化。炉膛容量大,停留时间长,则时间常数和纯滞后时间大,反之亦然。
(一) 加热炉单回路控制系统
加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度,此温度为控制系统的被控变量,而操纵变量为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,例如允许波动范围士(1—2)℃。影响出口温度的扰动因素有:工艺介质进料流量、温度、组分、燃料方面有燃料油(或气)的压力、成分(或热值)、燃料油的雾化情况,空气过量情况,喷嘴的阻力,烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的,有的是不可控的。为了保证炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。
图9—32为某一燃油加热炉控制系统示意图,其主要控制系统是以炉出口温度为被控变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。其他辅助控制系统有:
①进入加热炉工艺介质的流量控制系统,如图9—32FC控制系统;
②燃料油总压控制,总压控制一般调回油量,如图9—32PlC控制系统;
③采用燃料油时,还需加入雾化蒸汽(或空气),为此设有雾化蒸汽压力控制系统,如图9—32P2C控制系统,以保证燃料油的良好雾化。
采用雾化蒸汽压力控制系统后,在燃油压力变化不大时的情况下可以满足雾化要求,目前炼油厂中大多数采用这种方案。假如燃料油变化较大时,单采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以采用如下控制方案。
(1)根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽,即采用压差控制,女口图9—33所示。
采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制,如图9—34所示。
采用上述两种方案时,只能保持近似的流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的畅通,以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化,引起控制系统的误动作。此外,也可采用二者流量的比值控制,则能克服上述缺点,但所用仪表多且重油流量测量困难。
采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求,因为加热炉需要将工艺介质(物料)从几十度升温到数百度,其热负荷很大。当燃料油(或气)的压力或热值(组分)有波动时,就会引起炉出口温度的显著变化,采用单回路控制时,当加热量改变后,由于传递滞后和测量滞后较大,控制作用不及时,而使炉出口温度波动较大,满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况;
①对炉出口温度要求不十分严格;
②外来扰动缓慢而较小,且不频繁;
③炉膛容量较小,即滞后不大。