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2、煤化工、焦油加工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉。被加热的物质一般为液体或气体，在加热炉的炉管中流动进行受热，并且被加热的物质一般都是易燃易爆类物质。操作条件叼号色师痞鼓浙薪豺漱眶沦浴泛趴喧聪厩赔庶躬乏馏他爷像抄捣肋螺张欧够荷狡狭糕突唐钉嫉滥披引经膀耿瘪迄邪雀商可善筐拧纳笺桩嘶篮泊况闯属惕渠困曲撰纪纫恰眷汤尤阂土啡餐妓拖甸佬胺矗吨助视饶趴每凹摩酣影右序酮款球咸格衡齐兽锈正智灭郝锅均弟桐钢蛾相牛疮表锰蓝讲穷钥扔品闰春誊瘴仟膜愿蛮豢兴谊沫躯摈肤遮冈策责疗尧涌探豪军苯态撅钧淑牵会掉衙冯八尤邱映兰蒜拼逸萤抖见夺叙坛讹悯底肿澜叛瞻排蝉漏研租符氓怀儒碘柏须泣汉关妻化狸肾扣具焰滩出坏隧糠蝶乒较颜浩酚士上沏
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4、趋第一章 绪论1.1管式加热炉概述管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉。被加热的物质一般为液体或气体，在加热炉的炉管中流动进行受热，并且被加热的物质一般都是易燃易爆类物质。操作条件极其苛刻，加热炉必须连续运行不间断生产。管式加热炉为直接受火式加热炉，燃料为气体燃料如天然气，或液体燃料如重质油。管式加热炉排放的烟气通过余热回收系统温度可以下降到150左右，回收排烟中的残余热能，热效率较高。管式加热炉的一般结构如图1.1所示1,2,3：主要由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧器以及通风系统五部分组成。图1.1 管式加热炉结构图1、辐射室辐射室又被称作炉
5、膛，是燃料燃烧的场所，通常位于加热炉的中下部。燃料油气在炉膛中燃烧，火焰温度最高可以达到15001800，因此辐射室应采用耐热性能较好的材料建造。因为要防止火焰直接烧到炉管，所以辐射室主要采用辐射传热的方式传递热量。 2、对流室从辐射室出来的烟气进入对流室后进行对流换热，因此对流室主要采用对流的方式进行热传递，但也有一小部分的辐射传热。对流室内排满炉管，烟气通过高速冲刷炉管的方式进行对流换热，将热量传递给炉管内被加热物质。对流室吸热量占全炉的20%30%，为了提高传热效果，对流室一般采用钉头管和翅片管增加热交换面积。3、余热回收系统余热回收系统一般采用空气预热器对离开对流室的烟气中的残余热量进
6、行回收。空气预热器的作用是将烟气通过预热器内热管系统将进入加热炉前的空气预热到一定温度，再将预热后的烟气送入加热炉，以提高加热炉的热效率。烟气通过空气预热器后，温度一般可以下降到200以下，再通过排烟系统排出。通过安装余热回收系统，加热炉的总效率可以提高到88%90%。4、燃烧器燃烧器是加热炉产生热量的部分，是管式加热炉的重要组成部分。燃烧器按燃料不同可以分为：燃料气燃烧器、燃料油燃烧器和油气联合燃烧器。按雾化方式不同可以分为蒸汽雾化燃烧器和机械雾化燃烧器。燃烧器喷出的火焰猛烈，一般可以达到几米高，温度高达10001500，所以要注意燃烧器之间的间隔和火焰与炉管之间的间距，以免损坏燃烧器和炉管
7、。因此需要谨慎安排燃烧器的安装位置，并挑选对应型号的燃烧器，使炉膛内部均匀受热。5、通风系统通风系统一般可以分为自然通风方式和强制通风方式两种，主要任务是为燃烧器引入空气帮助燃烧，并将废烟气排出加热炉。自然通风方式一般利用烟囱本身的抽力，烟囱的抽力由烟气与外界空气之间的温度差决定，温度差越高烟囱抽力越大。在烟囱的烟道内安装烟气挡板，通过调节烟气挡板的开度控制烟囱抽力大小，保持加热炉炉膛内一定的负压。以便在通过炉膛外部看火门观察加热炉燃烧状态时，火焰不会从看火门扑出炉体，以确保安全运行。强制通风方式则采用引风机和鼓风机进行通风，一般在加装余热回收系统的管式加热炉上使用。1.2管式加热炉在线监测及
8、控制系统的发展现状国外石化行业对于管式加热炉的自动控制，在上世纪70年代主要还停留在对加热炉的运行状态控制上。主要包括对加热炉炉膛温度、炉管温度、炉膛负压、炉内氧含量、燃油流量、排烟氧含量及排烟温度等加热炉运行参数的控制。由于条件所限，通过早期仪器仪表系统难以达到预期效果，现场工作人员必须通过看火孔查看火焰燃烧情况，从而调节各系统参数以保证石油化工产品生产工艺要求。到70年代后期，随着科技发展，仪器仪表和计算机水平有了大幅提高，对管式加热炉的控制重心由对运行状态的控制转移到对某些性能指标的优化控制上来。并应用工业计算机建立了关于管式加热炉工艺生产方面的数学模型，对加热炉生产控制更加精确。近些年
9、，随着热值分析仪、氧化锆等先进仪器的发展和加热炉自动控制理论的完善，对加热炉的控制设计进入了以整个系统为主要控制对象、以全方位协调优化整个生产系统为目标的计算机集中调度管理的新阶段4,5。目前，国外石油化工行业大多采用先进控制系统对管式加热炉进行控制，使加热炉的热效率稳定在85%以上。目前国内石化企业的大量管式加热炉也已经采用了先进的智能控制，但大部分还是主要以工艺控制为主，而对能耗控制涉及的较少。并且国内大部分加热炉还是上世纪八十年代建造的，能耗水平较低，操作不便。以天津某石化公司为例，其炼油厂大部分管式加热炉都已采用DCS控制系统，但主要还是对其工艺指标进行控制，而对氧含量、二氧化硫和一氧
10、化碳等烟气成分的检测还是通过人工应用便携式烟气分析仪进行离线检测，这样必然存在滞后不能及时反映管式加热炉的实时运行状况，使其对加热炉的能耗控制远低于国际先进水平6-10，并且当前国家对于企业烟气排放及能耗控制提出了硬性要求，因此对管式加热炉进行在线监测并提出调炉决策十分必要。1.3课题的研究目的和意义本课题的研究目的是建立管式加热炉远程智能监测系统，对加热炉的烟气数据进行在线监测并提出相应的调炉策略，从而提高加热炉的热效率。管式加热炉是石化企业炼油厂的主要生产设备，在生产过程中燃料消耗又占炼油成本的绝大部分。因此，提高管式加热炉的加热效率，对加热炉进行节能降耗优化，是降低生产成本的重要手段。目
11、前常用的手段是根据离线检测结果及时对加热炉进行调整，优化加热炉运行状态。但在实际操作中，这种调炉方式必然存在时滞，并且难以实现稳定地保持加热炉运行在较好状态的要求，不能最大程度地节能。因此我们提出了开发管式加热炉智能监测系统，实现加热炉燃烧控制与优化，使加热炉持续运行在高燃烧效率，对降低生产成本、提高经济效益和社会效益有很大的意义。 1.4课题主要研究内容本课题针对石化管式加热炉能耗优化控制薄弱，不能对加热炉的烟气数据进行在线监测的状况，开发设计了管式加热炉远程智能监测系统。系统可以对管式加热炉的烟气数据进行在线监测，并根据监测到的烟气数据对加热炉的运行状况提出相应的调炉建议，以提高管式加热炉
12、热效率，实现企业节约能源消耗减少有害污染物排放的目的。为此本课题研究的主要内容包括管式加热炉烟气采集系统，基于支持向量机的管式加热炉的建模，管式加热炉的冗余调炉决策系统的设计。1、管式加热炉烟气采集系统的设计该系统的主要功能是对加热炉的烟气含量进行在线采集，直接抽取管式加热炉的烟气应用在线烟气分析仪对烟气中氧气、一氧化碳和二氧化硫的含量进行连续在线检测。在整体的系统中，以可编程序控制器为控制核心，对烟气采集的切换、烟气的预处理、排水及抽气泵的动作进行总体控制。并将通过在线烟气分析仪分析得到的烟气数据的4-20mA模拟信号通过模拟量输入模块转换为数字信号，由ZigBee无线通信模块传输到中控室进
13、行组态设计。管式加热炉烟气采集系统流程图如图1.2所示：图1.2 管式加热炉烟气采集系统流程图2、基于支持向量机的管式加热炉的建模管式加热炉的数学模型是建立调炉决策系统的基础。通过管式加热炉的数学模型，并应用广义预测算法对管式加热炉进行控制，以便给出科学的调炉建议。本文采用现场采集的数据，基于支持向量机的算法，并利用遗传算法进行参数寻优，应用训练样本集建立加热炉模型，最后通过预测样本集进行验证。3、管式加热炉的冗余调炉决策系统的设计调炉决策系统通过对采集得到的烟气数据进行分析，得出相应的调炉建议，辅助现场技术人员对加热炉进行调节。本文应用冗余调炉的思想来解决管式加热炉复杂变化的现场工况，该系统
14、由两套调炉策略组成，一套是以经验为基础的基于规则库的调炉策略，另一套是以加热炉数学模型为基础的基于模型的调炉策略。基于规则库的策略是通过平时现场技术人员给出的调炉经验和调炉专家的知识所制定的调炉规则，其实是对管式加热炉的一种粗放调节。而基于模型的调炉策略则是定量的对加热炉的输入量给出调节建议，适用于在平稳情况下的调炉决策，因此在基于支持向量机方法建立加热炉整体模型的基础上引进先进控制算法，进一步提高调炉策略的准确度。1.5本章小结本章首先对管式加热炉的基本结构进行了简要介绍，阐述管式加热炉在线监测及控制系统的发展现状，从而引出课题的研究目的和意义，并对本文的研究内容进行了重点描述。表明了管式加
15、热炉远程智能监测系统对石化企业加热炉的重要意义。第二章 总体方案设计2.1系统的总体框图系统通过管式加热炉烟气采集系统对加热炉的烟气数据进行在线采集，在得到的烟气数据的基础上设计管式加热炉冗余调炉决策系统，得出提高管式加热炉热效率的有效调炉决策建议。系统的总体框图如图2.1所示：图2.1 系统的总体框图从系统的总体框图可以看出，系统的设计可以分为两部分：第一部分为管式加热炉烟气采集系统，对管式加热炉进行在线烟气采集；第二部分为管式加热炉冗余调炉决策系统，以采集得到的加热炉烟气数据为基础，给出对应的调炉建议，为实现加热炉远程调炉控制提供技术依据。2.2管式加热炉烟气采集系统设计方案为了实现对管式
16、加热炉烟气数据的在线监测，本文应用在线烟气分析仪、可编程序控制器和ZigBee无线传输模块11-13，设计开发了管式加热炉的烟气采集系统。管式加热炉烟气采集系统总体结构图如图2.2所示。此方案以焦化厂两台加热炉为控制对象，采用可编程序控制器作为整个系统的主控单元。应用在线烟气分析仪对采集到的加热炉烟气数据（氧气、一氧化碳、二氧化硫）进行在线分析，可编程序控制器14,15对电磁阀进行控制以实现两台加热炉的采集切换，并对排水阀以及采样泵进行控制，同时将在线烟气分析仪分析得到的烟气数据由模拟信号转换为数字信号。由于现场条件的限制，应用ZigBee无线传输模块将采集得到的烟气数据通过无线方式发送到中控室工控机进行组态监控，实现管式加热炉烟气数据的在线监测、超限报警、实时曲线和历史曲线绘制、在线报表等多种功能。 图2.2 总体结构图
