加热炉监测系设计.doc

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1500~1800℃，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1000～1500℃，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。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，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