第4 章 加热炉炉温PLC软硬件设计 图3.2加热炉全煤气燃烧工艺流程图
原油蒸馏装置有两台加热炉，一台为常压加热炉，另一台为减压加热炉。常压加热炉加热介质为初馏塔底油，加热后的初馏塔底油进入常压塔进行常压分馏；减压加热炉加热介质为常压塔底油，加热后的常压塔底油进入减压塔进行减压分馏。原油蒸馏装置的加热炉用本装置加工中自产的燃料油、燃料气，采用火焰加热炉管中流动油品的方法，提高了进入常压塔和减压塔的进料温度。
原油蒸馏装置的加热炉与其他装置的加热炉相比有着明显的特点，首先是加热炉的热负荷是炼油厂中最大的。因为进人加热炉被加热油品的流量大，在工程上采用了多流路并联的方式；其次是进入加热炉被加热油品的组成复杂、相对密度大、黏度大、含碳量高，由于要求油品在加热后的总出口温度高，因此被加热油品在炉管内容易引起结焦和裂化；此外排放到大气中的加热炉烟气温度高、排放量大。能否根据这些特点解决好加热炉系统的工程技术问题，建成技术先进、高效节能、安全环保、操作稳定的加热炉，是工艺、加热炉、仪表自动化及安全环保等专业共同面临的问题[28]。
加热炉燃烧过程中需要外界提供大量的空气，因而需设置专门的通风系统。通风系统有自然通风和强制通风两种操作方式。原油蒸馏装置为了有效地提高加热炉的热效率，一般都采用强制通风方式。同时，加热炉燃烧过程中必须向外界排放大量高温烟气，因而需要设置烟气能量回收系统，此能量回收是两炉联合的。利用热烟气预热常温空气，提高进入加热炉燃烧用空气的温度，进而提高加热炉热效率。所以，烟气能量回收系统的控制和安全联锁是加热炉系统自动控制的重要部分。减压加热炉的主要控制流程与常压加热炉控制流程基本上是相同的。
3.2.1 温度检测与控制 1．被加热油品温度
加热炉的功能就是提高被加热油品的温度，因此，必须在加热炉的相关部位正确设置温度测量点，严格控制关键温度，使加热炉在良好的工况下长周期运转。加热炉的关键温度是炉出口总管温度、炉入口总管温一度、每个支路的过渡段温度即辐射段至对流段之间的温度、每个支路的出口温度等。这些温度的检测位置和检测点数量应根据炉型和用途确定。加热炉采用热电偶作为测量元件，控制室内完成指示和控制。
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炉出口总管温度代表了被加热介质出加热炉的最终温度，是必须严格控制的生产操作关键指标。控制炉出口总管温度的常规方法是用炉出口总管温度与炉膛温度串级调节加热炉的燃料量。这种调节方法只能将加热炉总出口温度保持在规定的范围内。对于有多分支的和炉型结构比较复杂的常压炉及减压炉，因为各支路的出口温度有差异，致使总出口温度不稳定，不容易控制。由于各支路流量是相关耦合的关系，常常发生支路流量严重不平衡，甚至可能因为某一路炉管局部过热发生结焦等不良情况。为了防止这种情况，对于多流路、易结焦的常压炉及减压炉，出口总管温度采用了支路均衡的复杂控制。
加热炉出口总管温度控制应综合考虑所有操作工况，包括开工、停工和除焦等阶段的不同控制功能。对于加热炉出口总管温度，除了控制还设置了独立的用于高限报警、联锁的温度检测点，热电偶应单独设置。此热电偶在加热炉出口总管的安装位置与用于温度控制的热电偶的距离不应大于450 mm。高限报警、联锁热电偶还用于炉出口总管温度控制的校正[29]。
2．炉膛温度
炉膛温度包括炉膛辐射段和对流段的温度。加热炉辐射段的炉膛温度为串级的副回路，与炉出口总管温度组成了加热炉的关键温度控制回路，其调节参数是燃料油、燃料气的流量。炉膛温度的检测点应设置在炉膛辐射区灵敏段接近对流段的部位，应能综合反映炉膛的燃烧情况。与出口总管温度相比，炉膛温度反应更灵敏，调节滞后小。还可选择多点测量或取平均值的方法，更确切地反映炉膛实际情况。
根据加热炉的炉型不同，辐射区的温度可设置多方位、不同高度的测量点，以全面了解加热炉的燃烧状况，避免炉管和炉膛超温。测量点应设在烟气流动的温度灵敏位置，避开有烟气回流或有火焰的地方。测量高温的热电偶应采用耐高温、耐氧化、耐酸、抗氧化性能的套管。因为原油蒸馏装置两炉正常操作的炉膛温度不大于1000℃，因此，炉膛温度的热电偶套管材料一般选用耐高温耐轻腐蚀的Cr25Ti不锈钢。
对流段温度测量的目的是及时地了解炉膛排烟温度，有效监测加热炉的热效率，其热电偶套管必须能适应操作温度和操作环境。
3．烟道气温度
炉膛中的烟气经过对流段排出加热炉，烟道气温度对于评价整个加热炉的操作状态十分重要。若烟道气温度快速升高，表示加热炉的燃烧发生异常，可能是炉管
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破裂、对流室大量积灰或预热器效率下降等原因造成的。当烟道气温度低于露点时，烟气中的水蒸气结露，会使烟气中的酸性气体，如硫的二氧化物和三氧化物形成酸液，会对烟道造成严重的腐蚀。对于常压炉和减压炉，需要在多部位测量烟道气温度，一般在对流段尾部烟道处、与烟囱的连接处、排烟出口处都设烟道气温度测量。还应在烟道气取样分析点附近设置烟道气温度的检测点[30]。
4．炉管表面温度
炉管表面温度反映了加热炉炉管被加热的情况，当炉管内流动的被加热重油流量降低时会导致炉管超温。炉管表面热电偶的检测点设在易结焦区的炉管段上，一旦炉管局部过热而引起温度超高，及时提示操作人员采取措施防止炉管内结焦。炉管表面温度热电偶必须固定在炉管上，热电偶的安装应留有足够的伸缩量来适应炉管的膨胀，热电偶及引出导线和保护材料能适应炉内的高温环境。一般采用铠装型表面热电偶，铠装材料必须能耐高温、防腐蚀。
常压炉和减压炉一般采用底部燃烧的立管加热炉，炉管表面热电偶的数量和位置应根据需要确定。表面热电偶一般垂直固定安装在炉管距离辐射出口处1/3到1/2高度的位置上。
5．燃料温度
原油蒸馏装置采用燃料油和燃料气作为加热炉的燃料。燃料油的温度需根据燃烧器所要求的燃料油的黏度而定。油温过低燃料油黏度增大，致使火焰燃烧不好。油温过高会引起燃烧器火嘴结焦[32]。燃料气的温度测量用于对燃料气流量测量数据作温度补偿，从而得到更精确的燃料气流量[33]。
6．空气预热器温度
常压炉和减压炉产生大量的高温烟气，所以都设置了可以利用余热的烟气能量回收系统。用进入空气预热器的烟气作为热介质对供加热炉燃用的冷空气进行预热。测量空气和烟气在通过空气预热器热交换前后的进、出口温度，可以监测预热效果。对于空气预热器的有关温度还设置了安全联锁和报警。
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图3.3 加热炉综合控制系统方块图
3.2.2 压力检测与控制
加热炉设置压力测量的部位有：炉入口总管、各支路入口、炉出口总管。在加热炉每路分支出口炉管处设置就地压力表。炉膛压力控制系统要避免炉膛超压。每个炉膛最少设两个炉膛压力检测点。对于大处理量的常压炉和减压炉，一般都设四个炉膛压力检测点，其中两个的测量值采用高选方式参与控制。压力控制一般可通过调节烟道挡板的开度以改变烟气的排放量来实现。
对于设有余热回收系统的炉膛压力控制，则也可采用炉膛压力自动控制引风机的调节挡板，保持炉膛压力。对于采用了变频调速控制的引风机，炉膛压力自动控制可以通过直接调节引风机的转速来实现[34]。
热烟气出炉体的烟道挡板和余热回收后进引风机的入口挡板都可以作为调节炉膛压力的控制手段。可根据炉型、烟气量等因素确定自动控制方案。例如，选择其中一个挡板控制炉膛压力，另一个挡板采用远程手动控制等。从安全角度考虑，当预热器、引风机出现故障或停用时，炉膛压力控制应能自动或手动切换到调节烟道气挡板的方案。用强制通风还是自然通风来控制加热炉炉膛压力，这两种操作模式的选择和切换可通过烟道气调节挡板和能量回收调节挡板的不同开、关组合来实现。自然通风模式的加热炉，可用改变烟道气挡板开度来控制烟道气氧含量。因此设计时应设置限位，避免操作中将烟道气挡板全关[35]。
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3.2.3 流量检测与控制
1．进料流量
常压炉和减压炉入口需设总流量计量和分支流量自动控制。根据加热炉的不同炉型，进料流量可有四路、六路、八路等不同数量的分支。应该对每路流量都设自动控制和低流量报警、联锁。为防止被加热介质的流量过低而引起炉管超温结焦，每路上的流量调节阀都要有最小流量限位的保护措施。
2．空气流量
一般常压炉和减压炉共用一个强制通风系统。加热炉的燃烧空气流量通常不易测得，直接的测量方法是在强制通风的风道上设置测量元件，如文丘里管、均速管等。因为燃烧空气风道口径大、异形，测量元件往往是特殊加工的非标准元件，其安装要求的直管段也很难保证，因此，燃烧空气流量测量的精度和稳定性差。测量元件安装以后还需要在现场标定[36]。鉴于上述原因，在强制通风的风道上设置测量元件的方案很少采用。
3．燃烧控制系统的燃料流量/空气流量
进入加热炉的燃料流量/空气流量必须控制，以保证加热炉的安全、节能。保持适当的燃料/空气比例，是为了有足够的空气来保证完全燃烧，燃料组分变化时能安全操作。同时，也要限制过量空气以避免降低加热炉热效率。当燃料组分变化时，测量烟道气中的氧含量，对调节燃料/空气比例十分重要[37][38]。
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