发表于：2005/6/20 14:23:00
#0楼
制用采样周期。 、 、 为一阶惯性加纯滞后模型参数，一阶惯性加纯滞后模型如式 （4.3.3）所述形式； 、 、 是Carima模型参数，如式 （4.3.4）所示。
一阶惯性加纯滞后模型：
（4.3.3）
一阶Carima模型：
（4.3.4）
2. 模型辨识
烟道氧含量控制回路的被控量为烟道氧含量，单位%；控制量为鼓风机风门挡板开度，单位%；前馈量燃油阀门开度，单位%，燃气流量，单位立方米。加热炉所烧的燃料气油两种：初常顶不凝气和干气，在这里把它们看成统一种气体。采用一阶Carima模型进行辨识，分别得到燃油阀门开度、燃气流量、鼓风机风门挡板开度与烟道氧含量的模型。
2.1.燃油阀门开度与氧含量的模型
， ，d=1，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
2.2.燃气流量与氧含量的模型。
， ，d=2，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
2.3.鼓风机风门挡板开度与烟道氧含量的模型
， ，d=5，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
3. 实施及运行曲线
实际控制时，选取控制周期为3秒；在线辨识周期为20秒；为了保证系统安全运行，在线辨识结果有效性检验取为：0<K<1，20<T<150。运行曲线如下图所示：
图4-5-6 4月22日投用自校正GPC前后变化曲线
第四节 在线燃烧优化控制
一、 节能任务概述
1.节能的必要性
能源、人口、环境问题是当今世界面临的重大挑战，也是我国面临的重大课题。从可持续发展的战略高度来审视，必须处理好经济建设、生态平衡和环境保护协调发展的关系。能源是国民经济发展的物质基础，从长期供需预测看，供需矛盾仍很突出，从消耗能源产生“温室效应”导致全球气候变暖的现实，我国更面临环境问题的新挑战。因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。
为保证我国经济发展目标的顺利实现，必须高度重视节能工作，促进能源的合理和有效利用。依靠技术进步来降低能源消耗是措施节能的根本途径，1984年以来，由国家计委、国家经委、国家科委组织制订并推广实施了一系列节能措施，能源经济效益不断提高，单位产值能耗逐年下降。每万元国民生产总值能耗由1980年的7.64吨标准煤降到1995年的3.94吨，下降了48%。但是，尽管节能工作取得了很大的成绩，从总体上看，目前我国能源利用效率还是很低，能源经济效益差，能源利用系统的技术和管理落后的局面没有得到根本转变，与国外先进国家相比存在较大的差距，很多产品的单位能耗与发达国家相比差距很大，如钢铁、发电、建材、化工等行业的主要工业产品单位能耗高出20%～80%，有很大的节能潜力。
2.节能及节能控制
节能包括工艺节能和控制节能。如果采用合理的工艺条件和合适的操作规程，能使生产设备的能源消耗减至最少，我们就说实现了工艺节能。通常人们所说的节能，主要是指工艺节能。控制节能是指对于工艺条件已经确定的设备或装置，采用自动化仪表或先进控制技术构成控制系统，以代替人工操作，从而达到减少能源消耗的目的。一台设备或装置的工艺变革，或生产过程更新设备和装置，可以产生较大的节能效果，所以工艺节能是主要的。而控制节能是在一定工艺条件下的仪表控制代替人工操作，节能效果是有限的。尽管如此，由于我国工业自动化程度和水平不高，控制节能的潜力还是相当大，尤其近年来燃烧优化技术的发展为控制节能提供了极其有效的新途径。
在工艺节能已经达到目的，或者说，工艺条件已基本确定，从工艺上很难或无法再节能时，若再用自动化仪表或控制方法，构成控制系统来进一步节省能源，该控制称为节能控制。节能控制以节能为主要控制目标，主要考虑车间、工厂实现自动化的经济目的，特别是提高燃料的燃烧热效率，节约能耗、从而降低产品成本等。目前国内的CIMS，即综合自动化的应用水平较低，节能控制一般主要在单台设备或局部实施，在局部节能取得良好效果的基础上进而实现全厂能源优化。节能控制一般选用如下的配备原则：对一般的耗能设备，可采用简单的控制和配备相应的仪表；对能耗较大的设备，应采用较先进的控制和配备相应的仪表，还必须配备能源计量、运行效率测试等仪器仪表；对产品的产量和质量起关键作用的或对安全要求较高的耗能设备，应采用更先进的高可靠性控制和配备更先进的高可靠性仪表。虽然节能控制不是以操作精度和速度的控制以及某些工艺条件的调节为目标，但选用节能控制方法时必须要考虑到关键参数、关键指标的控制，以便节能控制与这些关键参数、关键指标的控制融合成一个有效地综合控制系统，发挥更大的控制效力。
3.常压加热炉的节能
石油通过加工可以转化为多种多样的石油产品和化工产品，其中用于产生动力的各种发动机燃料油品占有很大比例。从自然资源到应用能源的转化过程要消耗一定数量的能量，例如原油常压蒸馏过程总耗能约为原油自身能量的2%左右，节约加工能耗就意味着增加油品和化工原料的产率，相应地提高了资源的利用率，因而具有重要意义。由于世界石油储量有限而消费不断增长，为此从70年代开始就广泛开展了节能技术的研究与应用，迄今在节能理论和节能技术的各个方面以及石油加工的各个领域都取得了重大成果。我国自从80年代初期在炼油工业和石化行业开展节能活动以来，不论在节能技术方面还是在学术理论方面，都有了很大进步，获得了可观的经济效益。然而，当前我国石油加工的能耗水平与国外先进水平相比还存在一定差距，例如辽河油田炼油厂东蒸馏车间常压生产装置每炼一吨原油要消耗13公斤燃料油，这样的能耗在同行业中是比较高的，因此如何节能降耗、提高企业经济效益就显得日益重要和紧迫。
加热炉是石油化工装置和炼油装置向工艺原料提供热能的设备。加热炉由于工艺过程的差异，进出炉的参数（T、p、相态）均有不同。一般来说，炉出口的工艺流温度都在泡点以上，因此出口往往为气液两相状态。按照加热炉的功能，可分为燃料燃烧、辐射和对流传热三段，从用能分析为目的的计算，不必深究到三段的工艺计算，而只从宏观上计算供入或离开炉的能量。改善加热炉的控制，以达到节省燃料、提高效率的目的，已引起人们极大的关注。近年来，国内石油化工业一直把加强能源管理与节能技术研究与应用紧密的结合在一起，以节能技术进步促进节能工作不断深入。研究与应用节能技术以常减压蒸馏的加热炉为主要对象展开进行。
考虑到烟气氧含量是标志燃烧状况的最主要参数，我们利用热效率来寻找最优氧含量设定值，然后对烟氧含量进行定值控制。
二、 常压加热炉燃烧优化基本原理
1.加热炉的热效率
燃烧的前提是燃料、氧气和热量，在加热炉运行起来后，主要因素是燃料油、燃料气和空气。如果能恰当的保持燃料与空气量的正确比例，就能达到最小的热损失和最大的热效率。如果比例不当，空气不足，结果导致燃料不完全燃烧，热量损失上升；如果空气过多，就会使大量的热量随烟气被排出，使燃烧效率降低。衡量空气与燃料之间比例关系是否合适的指标是过剩空气系数，所谓过剩空气系数就是指燃料燃烧过程中实际进入的空气量与完全燃烧所需要的理论空气量之间的比值，一般在实际燃烧中，需要的空气量都会大于理论值。过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图如图5.2.1。
图5.2.1过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图
衡量加热炉的燃烧状况，最根本的方法是计算加热炉的热效率，计算方法有两种：正平衡法和反平衡法。
1.1.正平衡法计算加热炉热效率。
原料油经换热后达到一定温度，以一定流速进入加热炉，在炉内流动的过程就是原油被加热的过程，最后以工艺要求的温度流出。加热炉燃料一般分为液体和气体燃料，燃烧热是物质分子被氧化为最终氧化产物时所放出的热量，也称为发热值。根据燃烧产物中生成水蒸气的凝结热，又可区分为高热值和低热值。所谓低热值是燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时放出的热量称为低热值，与高热值相比，所差为水蒸气的凝结热。加热炉的平均热效率为一段时间内原油吸收的热量占燃料所含热值的百分比，按下式计算：
(5.2.1)
这里：
：表示平均热效率
：原料油平均流量，单位为：Kg/h
、 ：分别为原油出炉和入炉时的平均温度，单位为：°C
：原料油比热，单位为：焦耳/Kg·°C
、 、 ：分别为燃料油、瓦斯气、不凝气的平均流量，单位分别为：Kg/h， /h， /h
、 、 ：分别为燃料油、瓦斯气、不凝气的平均燃烧值，单位分别为：焦耳/Kg，焦耳/ ，焦耳/
燃料油的发热值 可以通过计算得到，一般石油馏分燃料的低热值为：
(5.2.2)
对于重质油品低热值：
(5.2.3)
式中：API——油品API度，可由 计算出
K——油品UOP特性因素；
原油的平均比热可以根据原油的特性因素以及相对密度查表得到。
进行燃烧优化，必然要计算热效率。炉膛温度、烟气氧含量是加热炉燃烧状况的外部表现，热效率是衡量加热炉燃烧状况的最终标准。其值越高，说明燃烧越充分，加热炉运行越好。
1.2.反平衡法计算加热炉热效率
常压加热炉的燃烧热效率反平衡计算公式：
(5.2.4)
其中：q烟——排烟热损失百分比（包括不完全燃烧损失）；
q散——散热损失百分比，一般认为是定值；
(5.2.5)
其中： ——过剩空气系数，对于采用氧化锆在线分析的湿烟气来说， 的计算公式为：
(5.2.6)
——排烟温度（单位 ）；
——基准温度（一般推荐为15.6 ）；
——温差，当燃烧空气不预热或利用炉子自身烟气预热空气时， ；当外界热源预热空气时， 为热空气温度与基准温度之差；
CO——排烟中一氧化碳含量（单位：ppm）。
2.提高加热炉热效率的途径
影响加热炉的热效率主要有以下几个因素：
（1） 炉子排烟温度越高，热效率越低；
（2） 过剩空气系数越大，热效率越低；
（3） 化学不完全燃烧损失越大，即排烟中的CO越多，热效率越低；
（4） 机械不完全燃烧损失越大，即排烟中的未烧尽碳粒子含量越多，热效率越低。
因此，提高加热炉燃料的燃烧效率主要有下列四种途径：
2.1.根据燃料类型采用新型燃烧器。
燃烧器包括喷头、调风口和火道三个部分。喷头将预热的燃料油进行雾化；调风口使空气进入火道和炉膛形成漩流式空气动力场，与气化的燃料油充分混合，促使燃料燃烧的完全。雾化越细，混合越充分，燃烧效率也越高。因此，燃烧器的结构是影响燃料燃烧效率的重要因素之一。燃烧器的型号很多，我国主要采用VI型和SJ型油气联合燃烧器。在烧渣油时，VI型结焦情况稍优于SJ型。
2.2.预热空气。
燃烧用空气的预热不仅是回收余热，而且能促进燃料的燃烧速度，从而提高燃料的燃烧效率。回收加热炉烟气预热的方法很多，根据具体条件选用。采用余热回收系统的加热炉，其热效率最高值通常受烟气低温露点腐蚀的限制，即余热回收设备的壁温不能低于烟气的露点温度。我国采用的各种余热回收系统，在没有具体防腐措施条件下，一般可使加热炉的热效率提高到85％以上。
2.3.控制过剩空气系数。
燃料燃烧热效率的高低，很大程度上取决于空气供给量是否合适。一般情况下，在燃烧器确定且投用了余热回收系统之后，提高燃烧热效率的唯一经济可行且有效的方法是控制过剩空气系数。一般，燃料燃烧时的空气供给量必须大于理论需要量。也就是说，燃料燃烧必须在有一定的过剩空气系数下，才能达到高的燃烧效率。但过多的过剩空气又会带走大量热量，降低炉子的热效率。特别是在排烟温度高时，过剩空气系数对炉子热效率的影响更大。因此，为使加热炉能在合适的过剩空气系数条件下长期平稳操作，需要通过氧化锆氧分析仪对排烟中氧气含量的监测，对加热炉总供风量进行控制。
2.4.调节雾化蒸汽
当加热炉烧燃料油时，需要用雾化蒸汽将燃料油雾化成油气状，使油气与空气充分混合，能完全燃烧，雾化蒸汽的量与燃料油的量成一比例关系，如果雾化蒸汽不足，在过剩空气系数很大的情况下，燃料油都无法完全燃烧；反之如果雾化蒸汽过多，就会带走大量的热量，也会降低炉子的热效率。
三、常压加热炉不同燃料之间的折算
3.1不同燃料之间的折算关系
进行燃烧优化时，需要在线计算热效率，可以采用正平衡法或反平衡法计算。用反平衡法计算时，由于各种热损失热量占的比例一般为10~20%，所以即使测定误差为1%，对热效率的影响也仅为0.1~0.2%；而用正平衡法计算热效率时，需定出炉子的热负荷和燃料发热值，如果由于各种原因测定误差1%，那么热效率的误差也接近1%。从这点看，计算热效率用反平衡法准确性大，东蒸馏车间也用该方法来标定加热炉热效率。但用反平衡法在线计算热效率时，必须要知道烟气中CO含量，由于CO在线分析仪价格昂贵，目前车间没有安装，因此只能采用正平衡法计算热效率。
采用正平衡法计算热效率，需要知道燃料流量以及不同燃料发热值的比例关系。
在辽河油田石化厂，加热炉烧三种燃料：燃料油、干气和初常顶不凝气，DCS中没有引入燃料油的流量信号，班组计算能耗时，都是到现场读燃料油计量表；干气计量表误差较大，有时候现场没有烧干气，干气计量表的走数也有1000多立米/小时。更让我们感到困难的是，车间里是分成五个班组，对各个班组要进行能耗考核，规定能耗不能大于13Kg标油/吨原油，以此作为发放奖金的重要指标之一，操作工就到现场对干气计量表做做手脚，干气计量就会小很多，这给我们采集历史数据造成很大的困难，并且对采集到的数据的可信度很难确定，无形中又增加了实施燃烧优化的难度。燃油和燃气混烧的系统，在计算原油的单耗时，必然要将它们折算成一种燃料，对于不同燃料之间的折算关系，车间现在的折算方法是将初常顶不凝气和干气都折算成标准燃料油，折算关系是：1立方米燃料气=0.7公斤标油。但利用这样的折算关系计算出来每天的能耗差别很大，有时会达到2~3公斤标油/吨原油，热效率就会相差20%左右，这对于稳定运行的加热炉来说是不太可能的，因此我们怀疑车间的折算关系有偏差。
为了验证自己的想法，并为了初步试验燃烧优化的效果，我们做了两次对比试验。4月12日，由于厂里干气不足，加热炉只烧燃料油和初常顶不凝气，这给我们提供了很好的试验机会，可以不考虑干气计量表误差的影响，我们在现场每隔一分钟抄燃料油计量表来获得燃料油流量的数据，做了7个小时的对比试验，前3个小时未对氧含量进行控制，后4个小时将氧含量控制在3.5%。4月13日，厂里的干气同样不足，加热炉主要烧燃料油，我们又做了第二次对比试验。这次试验持续4小时，试验数据和结果分析见表5.2.1和5.2.2。
表5.2.1、4-12试验结果
未控制氧含量（3小时）（11：03——14：03） 控制氧含量（4小时）（14：03——18：03）
原油进料量（吨/小时） 118.4872 117.9722
初常顶不凝气流量（立米/小时） 238.2466 273.7302
所用的燃料油（千升/小时） 1.008 0.963
吨原油用燃料油（升燃料油/吨原油） 8.507 8.163
燃料单耗（公斤标油/吨原油） 8.639 8.524
从以上的数据分析可以看出，在控制氧含量期间单耗降低了1.13%，节约燃料油4.46%。
表5.2.2、4-13试验结果
未控制氧含量（2小时）（13：00——15：00） 控制氧含量（2小时）（15：00——17：00）
原油进料量（吨/小时） 116.057 118.987
初常顶不凝气流量（立米/小时） 213.142 225.096
干气流量（立米/小时） 684.25 721.59
所用的燃料油（千升/小时） 0.651 0.6335
吨原油用燃料油（升燃料油/吨原油） 5.609 5.324
燃料单耗（公斤标油/吨原油） 10.15 10.07
从以上的数据分析可以看出，在控制氧含量期间单耗降低了0.8%，节约燃料油5.08%。
从上面两次对比试验的数据中，我们发现，两天的原油燃料单耗相差竟然高达1.5Kg标油/吨原油，也就是说加热炉的热效率在这两天相差18%，而两次的操作条件以及加热炉的运行状况基本一样。因此，我们有理由怀疑干气、不凝气的发热值与燃料油的发热值之间的折算系数有偏差，这可能是由于干气和不凝气的组分经常变化，它们和燃料油的折算系数也在不断变化。
3.2不同燃料发热值比例系数的确定
在反平衡法计算加热炉的热效率的公式中有烟气CO含量的数据无法在线获得，但可以通过将氧含量控制在比较高的水平来保证CO含量稳定，这样可以认为正平衡法和反平衡法计算的热效率近似相等。
(5.3.1)
如果有两次试验的效率分别为： 和 ，那么
(5.3.2)
(5.3.3)
(5.3.2)/(5.2.3)，可得：
(5.3.4）
令
则（5）式转化为：
（5.3.5）
令
（6）式可进一步写为：
(5.3.6)
如果通过实验获得n组数据，就可以辨识出k1、k2。
令： ， , ，（5.3.6）式可写成：
(5.3.7)
于是可以得到：
用不同燃料比例下采集的数据辨识得到：k1=0.65，k2=0.79。在下面的在线优化对比试验中就采用这两个比例系数。
如果以后将燃料油流量信号引入DCS，就可以采用递推最小二乘法在线辨识燃料的比例系数。
令 (5.3.8)
(5.3.9)
则可用渐消记忆递推最小二乘法估计参数向量：
(5.3.10)
其中 为遗忘因子，一般0.95< <1。K(t)为权因子，P(t)为正定的协方差
一阶惯性加纯滞后模型：
（4.3.3）
一阶Carima模型：
（4.3.4）
2. 模型辨识
烟道氧含量控制回路的被控量为烟道氧含量，单位%；控制量为鼓风机风门挡板开度，单位%；前馈量燃油阀门开度，单位%，燃气流量，单位立方米。加热炉所烧的燃料气油两种：初常顶不凝气和干气，在这里把它们看成统一种气体。采用一阶Carima模型进行辨识，分别得到燃油阀门开度、燃气流量、鼓风机风门挡板开度与烟道氧含量的模型。
2.1.燃油阀门开度与氧含量的模型
， ，d=1，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
2.2.燃气流量与氧含量的模型。
， ，d=2，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
2.3.鼓风机风门挡板开度与烟道氧含量的模型
， ，d=5，
， ，
即模型为：
转化为传递函数形式：
3. 实施及运行曲线
实际控制时，选取控制周期为3秒；在线辨识周期为20秒；为了保证系统安全运行，在线辨识结果有效性检验取为：0<K<1，20<T<150。运行曲线如下图所示：
图4-5-6 4月22日投用自校正GPC前后变化曲线
第四节 在线燃烧优化控制
一、 节能任务概述
1.节能的必要性
能源、人口、环境问题是当今世界面临的重大挑战，也是我国面临的重大课题。从可持续发展的战略高度来审视，必须处理好经济建设、生态平衡和环境保护协调发展的关系。能源是国民经济发展的物质基础，从长期供需预测看，供需矛盾仍很突出，从消耗能源产生“温室效应”导致全球气候变暖的现实，我国更面临环境问题的新挑战。因此，促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义。
为保证我国经济发展目标的顺利实现，必须高度重视节能工作，促进能源的合理和有效利用。依靠技术进步来降低能源消耗是措施节能的根本途径，1984年以来，由国家计委、国家经委、国家科委组织制订并推广实施了一系列节能措施，能源经济效益不断提高，单位产值能耗逐年下降。每万元国民生产总值能耗由1980年的7.64吨标准煤降到1995年的3.94吨，下降了48%。但是，尽管节能工作取得了很大的成绩，从总体上看，目前我国能源利用效率还是很低，能源经济效益差，能源利用系统的技术和管理落后的局面没有得到根本转变，与国外先进国家相比存在较大的差距，很多产品的单位能耗与发达国家相比差距很大，如钢铁、发电、建材、化工等行业的主要工业产品单位能耗高出20%～80%，有很大的节能潜力。
2.节能及节能控制
节能包括工艺节能和控制节能。如果采用合理的工艺条件和合适的操作规程，能使生产设备的能源消耗减至最少，我们就说实现了工艺节能。通常人们所说的节能，主要是指工艺节能。控制节能是指对于工艺条件已经确定的设备或装置，采用自动化仪表或先进控制技术构成控制系统，以代替人工操作，从而达到减少能源消耗的目的。一台设备或装置的工艺变革，或生产过程更新设备和装置，可以产生较大的节能效果，所以工艺节能是主要的。而控制节能是在一定工艺条件下的仪表控制代替人工操作，节能效果是有限的。尽管如此，由于我国工业自动化程度和水平不高，控制节能的潜力还是相当大，尤其近年来燃烧优化技术的发展为控制节能提供了极其有效的新途径。
在工艺节能已经达到目的，或者说，工艺条件已基本确定，从工艺上很难或无法再节能时，若再用自动化仪表或控制方法，构成控制系统来进一步节省能源，该控制称为节能控制。节能控制以节能为主要控制目标，主要考虑车间、工厂实现自动化的经济目的，特别是提高燃料的燃烧热效率，节约能耗、从而降低产品成本等。目前国内的CIMS，即综合自动化的应用水平较低，节能控制一般主要在单台设备或局部实施，在局部节能取得良好效果的基础上进而实现全厂能源优化。节能控制一般选用如下的配备原则：对一般的耗能设备，可采用简单的控制和配备相应的仪表；对能耗较大的设备，应采用较先进的控制和配备相应的仪表，还必须配备能源计量、运行效率测试等仪器仪表；对产品的产量和质量起关键作用的或对安全要求较高的耗能设备，应采用更先进的高可靠性控制和配备更先进的高可靠性仪表。虽然节能控制不是以操作精度和速度的控制以及某些工艺条件的调节为目标，但选用节能控制方法时必须要考虑到关键参数、关键指标的控制，以便节能控制与这些关键参数、关键指标的控制融合成一个有效地综合控制系统，发挥更大的控制效力。
3.常压加热炉的节能
石油通过加工可以转化为多种多样的石油产品和化工产品，其中用于产生动力的各种发动机燃料油品占有很大比例。从自然资源到应用能源的转化过程要消耗一定数量的能量，例如原油常压蒸馏过程总耗能约为原油自身能量的2%左右，节约加工能耗就意味着增加油品和化工原料的产率，相应地提高了资源的利用率，因而具有重要意义。由于世界石油储量有限而消费不断增长，为此从70年代开始就广泛开展了节能技术的研究与应用，迄今在节能理论和节能技术的各个方面以及石油加工的各个领域都取得了重大成果。我国自从80年代初期在炼油工业和石化行业开展节能活动以来，不论在节能技术方面还是在学术理论方面，都有了很大进步，获得了可观的经济效益。然而，当前我国石油加工的能耗水平与国外先进水平相比还存在一定差距，例如辽河油田炼油厂东蒸馏车间常压生产装置每炼一吨原油要消耗13公斤燃料油，这样的能耗在同行业中是比较高的，因此如何节能降耗、提高企业经济效益就显得日益重要和紧迫。
加热炉是石油化工装置和炼油装置向工艺原料提供热能的设备。加热炉由于工艺过程的差异，进出炉的参数（T、p、相态）均有不同。一般来说，炉出口的工艺流温度都在泡点以上，因此出口往往为气液两相状态。按照加热炉的功能，可分为燃料燃烧、辐射和对流传热三段，从用能分析为目的的计算，不必深究到三段的工艺计算，而只从宏观上计算供入或离开炉的能量。改善加热炉的控制，以达到节省燃料、提高效率的目的，已引起人们极大的关注。近年来，国内石油化工业一直把加强能源管理与节能技术研究与应用紧密的结合在一起，以节能技术进步促进节能工作不断深入。研究与应用节能技术以常减压蒸馏的加热炉为主要对象展开进行。
考虑到烟气氧含量是标志燃烧状况的最主要参数，我们利用热效率来寻找最优氧含量设定值，然后对烟氧含量进行定值控制。
二、 常压加热炉燃烧优化基本原理
1.加热炉的热效率
燃烧的前提是燃料、氧气和热量，在加热炉运行起来后，主要因素是燃料油、燃料气和空气。如果能恰当的保持燃料与空气量的正确比例，就能达到最小的热损失和最大的热效率。如果比例不当，空气不足，结果导致燃料不完全燃烧，热量损失上升；如果空气过多，就会使大量的热量随烟气被排出，使燃烧效率降低。衡量空气与燃料之间比例关系是否合适的指标是过剩空气系数，所谓过剩空气系数就是指燃料燃烧过程中实际进入的空气量与完全燃烧所需要的理论空气量之间的比值，一般在实际燃烧中，需要的空气量都会大于理论值。过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图如图5.2.1。
图5.2.1过剩空气损失和不完全燃烧损失示意图
衡量加热炉的燃烧状况，最根本的方法是计算加热炉的热效率，计算方法有两种：正平衡法和反平衡法。
1.1.正平衡法计算加热炉热效率。
原料油经换热后达到一定温度，以一定流速进入加热炉，在炉内流动的过程就是原油被加热的过程，最后以工艺要求的温度流出。加热炉燃料一般分为液体和气体燃料，燃烧热是物质分子被氧化为最终氧化产物时所放出的热量，也称为发热值。根据燃烧产物中生成水蒸气的凝结热，又可区分为高热值和低热值。所谓低热值是燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时放出的热量称为低热值，与高热值相比，所差为水蒸气的凝结热。加热炉的平均热效率为一段时间内原油吸收的热量占燃料所含热值的百分比，按下式计算：
(5.2.1)
这里：
：表示平均热效率
：原料油平均流量，单位为：Kg/h
、 ：分别为原油出炉和入炉时的平均温度，单位为：°C
：原料油比热，单位为：焦耳/Kg·°C
、 、 ：分别为燃料油、瓦斯气、不凝气的平均流量，单位分别为：Kg/h， /h， /h
、 、 ：分别为燃料油、瓦斯气、不凝气的平均燃烧值，单位分别为：焦耳/Kg，焦耳/ ，焦耳/
燃料油的发热值 可以通过计算得到，一般石油馏分燃料的低热值为：
(5.2.2)
对于重质油品低热值：
(5.2.3)
式中：API——油品API度，可由 计算出
K——油品UOP特性因素；
原油的平均比热可以根据原油的特性因素以及相对密度查表得到。
进行燃烧优化，必然要计算热效率。炉膛温度、烟气氧含量是加热炉燃烧状况的外部表现，热效率是衡量加热炉燃烧状况的最终标准。其值越高，说明燃烧越充分，加热炉运行越好。
1.2.反平衡法计算加热炉热效率
常压加热炉的燃烧热效率反平衡计算公式：
(5.2.4)
其中：q烟——排烟热损失百分比（包括不完全燃烧损失）；
q散——散热损失百分比，一般认为是定值；
(5.2.5)
其中： ——过剩空气系数，对于采用氧化锆在线分析的湿烟气来说， 的计算公式为：
(5.2.6)
——排烟温度（单位 ）；
——基准温度（一般推荐为15.6 ）；
——温差，当燃烧空气不预热或利用炉子自身烟气预热空气时， ；当外界热源预热空气时， 为热空气温度与基准温度之差；
CO——排烟中一氧化碳含量（单位：ppm）。
2.提高加热炉热效率的途径
影响加热炉的热效率主要有以下几个因素：
（1） 炉子排烟温度越高，热效率越低；
（2） 过剩空气系数越大，热效率越低；
（3） 化学不完全燃烧损失越大，即排烟中的CO越多，热效率越低；
（4） 机械不完全燃烧损失越大，即排烟中的未烧尽碳粒子含量越多，热效率越低。
因此，提高加热炉燃料的燃烧效率主要有下列四种途径：
2.1.根据燃料类型采用新型燃烧器。
燃烧器包括喷头、调风口和火道三个部分。喷头将预热的燃料油进行雾化；调风口使空气进入火道和炉膛形成漩流式空气动力场，与气化的燃料油充分混合，促使燃料燃烧的完全。雾化越细，混合越充分，燃烧效率也越高。因此，燃烧器的结构是影响燃料燃烧效率的重要因素之一。燃烧器的型号很多，我国主要采用VI型和SJ型油气联合燃烧器。在烧渣油时，VI型结焦情况稍优于SJ型。
2.2.预热空气。
燃烧用空气的预热不仅是回收余热，而且能促进燃料的燃烧速度，从而提高燃料的燃烧效率。回收加热炉烟气预热的方法很多，根据具体条件选用。采用余热回收系统的加热炉，其热效率最高值通常受烟气低温露点腐蚀的限制，即余热回收设备的壁温不能低于烟气的露点温度。我国采用的各种余热回收系统，在没有具体防腐措施条件下，一般可使加热炉的热效率提高到85％以上。
2.3.控制过剩空气系数。
燃料燃烧热效率的高低，很大程度上取决于空气供给量是否合适。一般情况下，在燃烧器确定且投用了余热回收系统之后，提高燃烧热效率的唯一经济可行且有效的方法是控制过剩空气系数。一般，燃料燃烧时的空气供给量必须大于理论需要量。也就是说，燃料燃烧必须在有一定的过剩空气系数下，才能达到高的燃烧效率。但过多的过剩空气又会带走大量热量，降低炉子的热效率。特别是在排烟温度高时，过剩空气系数对炉子热效率的影响更大。因此，为使加热炉能在合适的过剩空气系数条件下长期平稳操作，需要通过氧化锆氧分析仪对排烟中氧气含量的监测，对加热炉总供风量进行控制。
2.4.调节雾化蒸汽
当加热炉烧燃料油时，需要用雾化蒸汽将燃料油雾化成油气状，使油气与空气充分混合，能完全燃烧，雾化蒸汽的量与燃料油的量成一比例关系，如果雾化蒸汽不足，在过剩空气系数很大的情况下，燃料油都无法完全燃烧；反之如果雾化蒸汽过多，就会带走大量的热量，也会降低炉子的热效率。
三、常压加热炉不同燃料之间的折算
3.1不同燃料之间的折算关系
进行燃烧优化时，需要在线计算热效率，可以采用正平衡法或反平衡法计算。用反平衡法计算时，由于各种热损失热量占的比例一般为10~20%，所以即使测定误差为1%，对热效率的影响也仅为0.1~0.2%；而用正平衡法计算热效率时，需定出炉子的热负荷和燃料发热值，如果由于各种原因测定误差1%，那么热效率的误差也接近1%。从这点看，计算热效率用反平衡法准确性大，东蒸馏车间也用该方法来标定加热炉热效率。但用反平衡法在线计算热效率时，必须要知道烟气中CO含量，由于CO在线分析仪价格昂贵，目前车间没有安装，因此只能采用正平衡法计算热效率。
采用正平衡法计算热效率，需要知道燃料流量以及不同燃料发热值的比例关系。
在辽河油田石化厂，加热炉烧三种燃料：燃料油、干气和初常顶不凝气，DCS中没有引入燃料油的流量信号，班组计算能耗时，都是到现场读燃料油计量表；干气计量表误差较大，有时候现场没有烧干气，干气计量表的走数也有1000多立米/小时。更让我们感到困难的是，车间里是分成五个班组，对各个班组要进行能耗考核，规定能耗不能大于13Kg标油/吨原油，以此作为发放奖金的重要指标之一，操作工就到现场对干气计量表做做手脚，干气计量就会小很多，这给我们采集历史数据造成很大的困难，并且对采集到的数据的可信度很难确定，无形中又增加了实施燃烧优化的难度。燃油和燃气混烧的系统，在计算原油的单耗时，必然要将它们折算成一种燃料，对于不同燃料之间的折算关系，车间现在的折算方法是将初常顶不凝气和干气都折算成标准燃料油，折算关系是：1立方米燃料气=0.7公斤标油。但利用这样的折算关系计算出来每天的能耗差别很大，有时会达到2~3公斤标油/吨原油，热效率就会相差20%左右，这对于稳定运行的加热炉来说是不太可能的，因此我们怀疑车间的折算关系有偏差。
为了验证自己的想法，并为了初步试验燃烧优化的效果，我们做了两次对比试验。4月12日，由于厂里干气不足，加热炉只烧燃料油和初常顶不凝气，这给我们提供了很好的试验机会，可以不考虑干气计量表误差的影响，我们在现场每隔一分钟抄燃料油计量表来获得燃料油流量的数据，做了7个小时的对比试验，前3个小时未对氧含量进行控制，后4个小时将氧含量控制在3.5%。4月13日，厂里的干气同样不足，加热炉主要烧燃料油，我们又做了第二次对比试验。这次试验持续4小时，试验数据和结果分析见表5.2.1和5.2.2。
表5.2.1、4-12试验结果
未控制氧含量（3小时）（11：03——14：03） 控制氧含量（4小时）（14：03——18：03）
原油进料量（吨/小时） 118.4872 117.9722
初常顶不凝气流量（立米/小时） 238.2466 273.7302
所用的燃料油（千升/小时） 1.008 0.963
吨原油用燃料油（升燃料油/吨原油） 8.507 8.163
燃料单耗（公斤标油/吨原油） 8.639 8.524
从以上的数据分析可以看出，在控制氧含量期间单耗降低了1.13%，节约燃料油4.46%。
表5.2.2、4-13试验结果
未控制氧含量（2小时）（13：00——15：00） 控制氧含量（2小时）（15：00——17：00）
原油进料量（吨/小时） 116.057 118.987
初常顶不凝气流量（立米/小时） 213.142 225.096
干气流量（立米/小时） 684.25 721.59
所用的燃料油（千升/小时） 0.651 0.6335
吨原油用燃料油（升燃料油/吨原油） 5.609 5.324
燃料单耗（公斤标油/吨原油） 10.15 10.07
从以上的数据分析可以看出，在控制氧含量期间单耗降低了0.8%，节约燃料油5.08%。
从上面两次对比试验的数据中，我们发现，两天的原油燃料单耗相差竟然高达1.5Kg标油/吨原油，也就是说加热炉的热效率在这两天相差18%，而两次的操作条件以及加热炉的运行状况基本一样。因此，我们有理由怀疑干气、不凝气的发热值与燃料油的发热值之间的折算系数有偏差，这可能是由于干气和不凝气的组分经常变化，它们和燃料油的折算系数也在不断变化。
3.2不同燃料发热值比例系数的确定
在反平衡法计算加热炉的热效率的公式中有烟气CO含量的数据无法在线获得，但可以通过将氧含量控制在比较高的水平来保证CO含量稳定，这样可以认为正平衡法和反平衡法计算的热效率近似相等。
(5.3.1)
如果有两次试验的效率分别为： 和 ，那么
(5.3.2)
(5.3.3)
(5.3.2)/(5.2.3)，可得：
(5.3.4）
令
则（5）式转化为：
（5.3.5）
令
（6）式可进一步写为：
(5.3.6)
如果通过实验获得n组数据，就可以辨识出k1、k2。
令： ， , ，（5.3.6）式可写成：
(5.3.7)
于是可以得到：
用不同燃料比例下采集的数据辨识得到：k1=0.65，k2=0.79。在下面的在线优化对比试验中就采用这两个比例系数。
如果以后将燃料油流量信号引入DCS，就可以采用递推最小二乘法在线辨识燃料的比例系数。
令 (5.3.8)
(5.3.9)
则可用渐消记忆递推最小二乘法估计参数向量：
(5.3.10)
其中 为遗忘因子，一般0.95< <1。K(t)为权因子，P(t)为正定的协方差
[此贴子已经被作者于2005-6-21 8:41:06编辑过]
