一种原油加热炉及其控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种原油加热炉及其控制系统，包括燃气调节控制系统和过量空气系数控制系统；所述控制系统加热方式为圆柱水套间接加热原油，为采用PLC自动自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式；本发明专利技术解决了现有技术中只依据原油外输温度信号进行控制，水套加热炉控制延迟度高、对于不稳定工况适应性较弱、实际过量空气系数未能实现有效控制、现有的单回路控制方案控制精度低，时间延迟度高，出油温度波动大，达不到精确控制加热炉原油出口温度的目的的技术问题。本发明专利技术通过燃气流量的前馈预判调节和反馈调节结合，使其实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性要求，以及过量空气系数的有效控制。

A Crude Oil Heating Furnace and Its Control System

【技术实现步骤摘要】
一种原油加热炉及其控制系统
本专利技术属于原油预处理领域，具体涉及到一种原油加热炉及其控制系统。
技术介绍
加热炉是联合站主要耗能设备之一，用于加热原油从而利于运输及其他生产工艺，常温下原油粘度大且流动性差，不利于长距离运输，在加热过程中加热炉将原油加热至指定温度，原油加热后粘度降低、流动性升高，有利石油运输；但原油在加热温度过高(一般>150℃)时容易发生裂解，因此需要严格控制出口油温。现有的单回路控制方案采用大小火双档调控，控制精度低，时间延迟度高，出油温度波动大，达不到精确控制加热炉原油出口温度的目的；当出现加热温度高于指定温度时，造成燃气浪费，不符合节能要求；而加热温度低于指定温度时则出油温度不符合工艺要求；同时，现有控制方案仅依靠初步计算确定给风量，对于实际过量空气系数未能实现有效控制。中国专利201210230272.1提出加热炉智能控温系统设计，采用能够进行现场控制的PLC系统及能和PLC系统进行通讯连接的计算机上位操作系统组成智能控制系统，并通过该智能控制系统对加热炉进行六个方面的控制和设置：在炉温控制上，在炉内压力控制上，在空燃比控制上，对安全保护系统的控制，在智能控制系统上采用HMI界面，历史数据记录。该技术能够实时针对各段加热温度，对炉温、炉压进行调控，从而提高加热的利用率，同时在节能降耗方面也显示出成效，但是该技术对于不稳定工况未建立预判调节机制，不能满足原油加热过程中低延迟度的要求。华南理工大学进行了水套炉加热计算机自动控制系统的设计，采用工业计算机和工控模块组件对燃烧器进行控制，实现了恒温、无人值守、高精度的自动化控制模式，从而提高原油集输温度的控制精度，消除了安全隐患，提高了生产管理效率；然而该控制方案，依然仅依据单纯的原油外输温度信号进行控制，同样未能解决水套加热炉控制延迟度高的问题，且对于不稳定工况适应性较弱。
技术实现思路
为解决以上问题，本专利技术的目的在于提供一种新型全自动加热控制系统，将燃气流量的前馈预判调节和反馈调节相结合并对炉内过量空气系数进行反馈调节，使其实现原油出液温度控制的低延迟、低能耗、低污染和高精准性要求。一种原油加热炉的控制系统，应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式，从而实现原油加热过程的自动化和远程传输控制。所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统。进一步的，所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节模块和反馈调节模块。进一步的，所述控制系统对加热炉进行了以下3个方面的处理：(1)在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块和前馈调节模块，判断当前扰动是否超过阈值；超过时，系统进行前馈调节。根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度，并结合加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，改变水套温度；通过上述扰动判断、前馈调节，可以缩短对扰动的响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求；(2)在燃气调节控制系统中，设立了反馈调节模块。通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，进而调节燃气流量，精准控制原油实际出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求；(3)在给风量调节控制系统中，根据燃气流量，利用空气量计算模型确定一次给风量。进而根据过量空气系数计算模型，利用烟气内含氧量获得实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为该控制回路中负反馈的输入，保证炉内过量空气系数最佳且恒定,实现原油加热的低污染和低能耗要求。进一步的，所述原油扰动判断模块是根据入口原油的初始温度和流量并结合扰动发生时的燃气流量，利用能量守恒式计算原油出口温度，当该温度与目标温度的差值大于阈值时，控制系统作用，否则，控制系统不作用；进一步的，所述炉内传热计算模型，是根据原油和加热水套的基本物理参数，建立管内强制对流换热热平衡式，进而确定理论水套温度值tst2；进一步的，所述来流原油参数发生扰动时，第(1)方面处理包含以下4个过程S1:通过原油扰动判断模块，判断当前扰动是否超过阈值；S2:根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度tst2；S3:计算水套从起始温度变至理论水套温度所需吸收或释放的热量；S4:利用积分原理，结合加热炉能承受的燃气量变化范围，确定燃气释放方式；进一步的，在S3中，增加或释放的热量根据两种工况确定：工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即tst2>tst1，根据能量守恒原理，可以计算出扰动出现前后理论水套温度变温所需的热量Qrl1：Qrl1＝CP,s·Vs·ρs·(tst2-tst1)(1)式中CP,s是水的定压比热容，ρs是水的密度。设tst1是发生扰动前的理论水套温度，tst2是扰动发生后计算的理论水套温度,A是水套与原油的换热面积。qm,y2是扰动发生后来流原油的质量流量，t′y0是原油出液温度的设定值，tyo2是扰动发生后原油实际出液温度，tyi2是扰动发生后来流原油的温度。ρy是原油在定性温度下的密度，CP,y是原油在定性温度下的定压比热容。考虑水套温度变化过程中向原油传递的热量散失，以水套变温过程中的算数平均温度为外侧平均水套温度，利用传热方程得：由于水套变化前后的温度、原油出口与入口温度相差不是很大，因此可用算数平均温差代替对数平均温差：代入原油的进口温度、换热系数，计算出此时的平均原油出口温度：tpj＝(0.5(tst1+tst2+tyi2)+(qm,y2·CP,y·tyi2)/(hhr·A))/((qm,y2·CP,y)/(hhr·A)+0.5)(4)计算水套向原油传递的热量Qrl2Qrl2＝qm,y2(tpj-tyi2)CP,y·t(5)其中t系统的调节时间。水套升温所需的实际热量Qrl＝Qrl1+Qrl2(6)工况二，发生扰动后需要释放水套内的热量，即tst2<ts1t，此时加热炉的水套实际温度高于扰动后所对应的水套理想温度，因此需要使燃气流量达到最低从而实现水套释放热量，考虑到加热炉运行过程中不能停机，本专利技术中设定加热炉以释放最小燃气流量的工况运行。进一步的，在S4中，燃气释放方式同样根据两种工况确定：工况一，发生扰动后水套需要吸收热量，即1st2>tst1综合考虑燃气释放的快速性和加热炉燃气载荷限度，流量的调节方式示意图即燃气流量调节示意图如图1所示：由示意图1知，调节过程分三部分，在水套变温时间内所释放的燃气总量为V，燃气中CH4的含量为。并且其中燃气调节过程中持续放出最大燃气流量的时间τ2与加热炉能承受的燃气量变化范围有关，由积分原理可得：q1是发生扰动前的燃气流量，qm,y1是扰动发生前来流原油的质量流量，此时燃气的放热量与原油升温所需要的热量达到平衡q1＝qm,y1·CP,y·(tyo'-tyi1)/(Qrzh·η)(9)q2是调节过程中出现的最大燃气流量，其数值与加热炉所能承受的最大载荷相等(即传统大小火双档调节中的大火档的燃气流量)。q3是出现扰动后，传热过程所建立的新的平衡时所需要的燃气流量q3＝qm,y2·CP,y·(tyo'-tyi2)/(Qrzh·η)(10)τ1是第一部分燃气流量变化的时间，τ2是第二部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式；所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统；所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节模块和反馈调节模块。

【技术特征摘要】
1.一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：应用所述控制系统的加热炉的加热方式为圆柱水套间接加热原油，采用PLC自动控制系统以及能与PLC控制系统相连接的远程工作站的控制方式；所述控制系统包括燃气调节控制系统和给风量调节控制系统；所述燃气调节控制系统包括原油扰动判断模块、前馈调节模块和反馈调节模块。2.根据权利要求1所述的一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：所述控制系统对加热炉进行了以下3个方面的处理：(1)在燃气调节控制系统中，设立原油扰动判断模块和前馈调节模块，判断当前扰动是否超过阈值；超过时，系统进行前馈调节；根据炉内传热计算模型，确定理论水套温度，并结合加热炉能承受的燃气量变化范围确定燃气调节方式，改变水套温度；通过上述扰动判断、前馈调节，可以缩短对扰动的响应时间，实现原油出液温度控制的低延迟要求；(2)在燃气调节控制系统中，设立了反馈调节模块；通过炉后测温装置获得原油实际出液温度与目标出液温度的差值，作为负反馈调节PID回路的输入，整定参数，进而调节燃气流量，精准控制原油实际出液温度，实现原油加热的高精准和低能耗要求；(3)在给风量调节控制系统中，根据燃气流量，利用空气量计算模型确定一次给风量；进而根据过量空气系数计算模型，利用烟气内含氧量获得实际过量空气系数，将实际过量空气系数与目标过量空气系数的差值作为该控制回路中负反馈的输入，保证炉内过量空气系数最佳且恒定,实现原油加热的低污染和低能耗要求。3.根据权利要求2所述的一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：所述原油扰动判断模块是根据入口原油的初始温度和流量并结合扰动发生时的燃气流量，利用能量守恒式计算原油出口温度，当该温度与目标温度的差值大于阈值时，控制系统作用，否则，控制系统不作用。4.根据权利要求2所述的一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：所述炉内传热计算模型，是根据原油和加热水套的基本物理参数，建立管内强制对流换热热平衡式，进而确定理论水套温度值。5.根据权利要求2所述的一种原油加热炉的控制系统，其特征在于：当所述来流原油参数发生扰动时，第(1)方面处理包含以...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋春杰，蒋胜文，张江辉，崔建波，于国庆，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37