管式炉点火控制系统

摘要

本发明涉及管式炉点火控制系统，该系统包括高能点火装置、燃烧器、自动点火控制系统、燃烧控制系统，高能点火装置采用能提供安全可靠的点火性能的电容放电式点火器；燃烧器为具有火焰检测装置，且能实现助燃风和燃气按比例调节的燃烧器；自动点火控制系统为具有火焰检测功能、炉膛安全保护功能、自诊断功能的自动点火控制系统。优点是热效率高、安全可靠、燃烧稳定可控、节能减排。

说明书

技术领域

本发明涉及一种管式炉点火控制系统。

背景技术

管式加热炉是一种火力加热设备，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰与烟气作为热源，加热在炉管中高速流动的介质，使其达到工艺规定的温度，以供给介质在进行分馏、裂解或反应等加工过程中所需要的热量，保证生产正常进行。与其它加热方式相比，管式加热炉的主要优点是加热温度高(可达1273K)，传热能力大和便于操作管理。

管式炉在石油化工厂具有举足轻重的作用，管式炉的能耗很高。管式炉的能量消耗在生产装置中约占80～90％。它的投资一般占15％左右，高的可达30％。近年来，管式炉的发展很快，已成为近代石化工业中必不可少的工艺设备之一。此外，由于加热炉在燃料燃烧时的噪声和烟气排放也对环境污染造成相当严重的影响。这些因素都必须在加热炉设计时加以考虑。

石油化工管式加热炉与其他行业的加热炉共同之处，是有一个由耐火材料包围的燃烧室，在其底部或侧面设有燃烧器，不同之处是在炉内布置的是传热管，因而也叫管式炉。利用燃料燃烧产生的热量将流经管内的工艺介质加热到所需的温度。

管式炉的主要结构由燃烧器、辐射室、对流室和烟囱四部分组成，其技术特征是：

(1)被加热的物质是易燃、易爆的烃类物质，与一般的工业炉相比，它的危险性更大。

(2)加热方式为直接受火式，燃烧的是气体或液体。任何泄漏都可能造成爆炸或火灾。

(3)管式炉只烧气体或液体燃料，不烧固体燃料。

(4)管式炉通常处在高温高压条件下运行，操作条件苛刻。一般加热型的加热炉，炉管的壁温在400～650℃。而加热反应型的加热炉，炉管壁温在850～1000℃。操作压力范围较宽，低中压力在1～10MPa，而高压加氢加热炉高达18MPa～20MPa。

(5)长周期连续运转，不间断操作，操作周期一般在一年到3年，最长可达5年。因而对加热炉的可靠性要求很高。

在管式炉中，被加热物质在管内流动，故仅限于加热气体和液体。而且，这些气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质，同锅炉加热水和蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛刻得多。另外，管式炉只烧气体或液体燃料，气体和液体燃料在使用不当时容易爆燃，国内曾发生多起工业炉爆燃事故。一直以来，自动点火并未在管式炉中得到广泛应用，国内外多采用人工火把点火。特别是在国内，由于近年来管式炉得到广泛应用，很多管式炉没有配套点火控制系统和燃烧控制系统。这使得管式炉的启动与运行存在严重的安全隐患，并且效益低，造成能源浪费和环境污染。

燃烧器投入运行的第一步就是将可燃混合物点燃形成火焰，然后进入正常燃烧。点火就是在燃料-空气混合物中导入温度高并具有一定能量的热源，先将局部混合物点燃，然后再传播扩散并持续燃烧，此高温热源就是点火源。

目前，油气燃烧器上几乎都采用电火花点火，即使是用小火焰点火，也是由电火花点着的，然后再引燃主火。电火花是两个电极之间因高压电击穿气体间隙而形成的火花。工业燃烧器上常采用的方法是用升压变压器使电压升高，在两电极间放电产生火花来点火。采用这种电打火方式存在结构简单、使用寿命短和火花能量小，点火不可靠的缺点。

目前，管式炉点火控制主要存在以下几个方面缺陷：

(1)由管式炉中被加热的介质(气体或液体)通常都是易燃易爆的烃类物质，同锅炉加热水和蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛刻得多，采用人工点火方式不安全；

(2)部分已采用电子点火(或自动点火)管式炉，点火装置性能差，点火可靠性差；

(3)管式炉燃烧器设计不合理，效率低。管式炉有它的特殊性，过去有很多管式炉的燃烧器照搬其它锅炉的燃烧器，没有针对性的设计；

(4)尽管随着自动控制技术的发展，PLC等控制自动化控制装置得到了广泛应用，但在管式炉控制中仍缺少整体自动化设计，程序设计不合理，没有解决锅炉点火控制中的安全隐患。

随着能源的日益紧张和环境污染对人类的威胁，可持续发展已成为人们的共识。工业生产已趋向于安全、可靠、环保、节能、高效以及自动化方向发展。设计合理的管式炉自动点火控制系统，采用合理的燃烧器结构，采用高可靠、安全的点火器，是提高管式炉的热效率、优化点火燃烧技术，实现节能、增效、低污染、低噪声、低成本的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种管式炉点火控制系统，通过采用高能点火器、合理的燃烧器结构和合理的点火控制方法，达到热效率高、安全可靠、燃烧稳定可控、节能减排的目的。

本发明通过以下技术方案实现：

管式炉点火控制系统，该系统包括高能点火装置、燃烧器、自动点火控制系统、燃烧控制系统，高能点火装置采用能提供安全可靠的点火性能的电容放电式点火器；燃烧器为具有火焰检测装置，且能实现助燃风和燃气按比例调节的燃烧器；自动点火控制系统为具有火焰检测功能、炉膛安全保护功能、自诊断功能的自动点火控制系统。

高能点火装置由点火器、高压屏蔽电缆、点火枪依次连接组成，点火器由升压变压器L、整流器D、电容器C1、放电管C2、扼流圈L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成，升压变压器L输出端连接整流器D、整流器D输出端连接电阻R1，电阻R1输出端连接电容器C1和放电管C2，电容器C1和电阻R2并联，放电管C2输出端连接电阻R3和扼流圈L1。

所述的燃烧器由点火嘴、稳燃罩、外壁、调节风门、观火孔、气动推进器、进气管组、火检安装管组成、在燃烧器上部设有点火嘴和稳燃罩，下部设有进气管组和气动推进器，在外壁上设有可调节进风量的调节风门；在燃烧器的底部设有火检安装管和观火孔。

自动点火控制系统包括系统启动、点火启动、点火停止三个阶段，各阶段应满足下述条件：

(1)系统启动：合上开关，系统开始工作；

(2)点火启动：

①在点火前，首先要进行吹扫，满足炉膛安全保护条件；若满足条件，则系统发出点火允许指令，若不满足条件，继续进行吹扫，直至满足炉膛安全保护条件，然后发出点火允许指令；

②在点火前，还要检查煤气阀和点火阀是否关到位、煤气主管道压力是否正常，若满足条件，则系统发出点火允许指令，若不满足条件，则系统拒绝启动；

③按下点火启动按钮，系统自动完成如下程序：

(3)点火停止：

①点火过程按[停止]：→关点火阀和燃气阀、关点火器

②燃烧状态按[停止]：→关点火阀和燃气阀

③停止状态按[停止]：→设备复位；若启动前发现设备不在初始状态，可以进行此操作。

在点火时具有火焰检测功能；当检测到炉膛有小火火焰后，通过开启主燃烧器的指令点燃整个燃烧器，多个燃烧器的加热炉对火焰进行至少有一个火检有火的低限设定；如果全部火焰检测器都无火，关闭整个炉膛所有燃料来源。

在点火时具有炉膛安全保护MFT功能；炉膛安全保护涉及所有一切涉及到炉膛安全运行的条件，如火焰丧失、燃料压力高、燃烧压力低、燃料丧失、助燃风丧失、风机跳闸和紧急停止等，一旦有其中任一条件发生，将紧急关闭阀门切断燃料，记录炉膛安全保护MFT首因信号并自动进行吹扫。

还具有自诊断功能；对各设备运行状态进行诊断记录，方便检修人员查出系统设备的故障。

燃烧控制系统采用空气、燃气双交叉限幅控制，当负荷发生变化时空气流量的变化与燃气流量的变化相互制约，在燃烧过程中，燃气热值参与空燃比(BU)的修正，以保证调温过程中的最佳燃烧状态；

1)炉温处于稳定状态时，无任何扰动的状态

温度调节器TTC的输出MVt与实际检测的燃气流量相等，在空气侧，经低选、高选得到空气调节器FaIC的设定值SPa＝B·U·MVt；燃气侧，经高选、低选得到燃气调节器FgIC的设定值SPa＝MVt；故此时调节系统处于平衡状态，双交叉制约不工作；

2)炉温低于设定值时，升温调节过程的状态

温度调节器TTC的调节作用使得其输出MVt增大，而此时实际检测的煤气流量还没有改变，其值仍为Fg；在空气侧，经低选、高选得到空气调节器设定为：SPa＝B·U·(1+k4％)·Fg/(B·U)；在燃气侧，经低、高选得到燃气调节器设定为：SPg＝(1+K1％)·Fa/(B·U)，从以上两式可看出，空气流量随燃气流量的增加而增加，反之燃气流量又随空气流量的增加而增加，交叉制束开始，温度则不断上升；K4＞K1，保证在升温时，燃气量随空气量的增加而增加，空气先行，空气量始终比燃气量多一点；随着空气燃气流量在相互制约中的不断增加，在空气侧，当SPa/BU＞MVt时，经低选得到空气调节器的设定值为SPa＝B·U·MVt；在燃气侧，当SPg＞MVt时，经高选得到空气调节器的设定值为SPg＝MVt；此时系统又处于平衡状态，交叉制约结束；

3)炉温高于设定值时，降温调节过程的状态

温度调节器TTC的调节作用使得其输出MVt减小，在空气和燃气侧分别经过高选、低选得到各调节器的设定为：SPa＝B·U·(1-K2％)·Fg，SPg＝(1-K3％)·Fa/(B·U)，随着燃气流量的减少，空气流量也减少，空气流量的减少又导致燃气流量的减少，交叉制约开始，温度不断下降，直至新的平衡建立；K3＞K2，保证降温时，空气量随燃气量的减少而减少，燃气先行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)设计出了针对管式炉的点火控制整体系统；

(2)使用高性能点火装置，确保点火的可靠性和安装；

(3)实现自动点火、远程点火，实现燃烧过程的自动调节；

(4)具备火焰检测、灭火保护等涉及到炉膛安全运行的保护功能；

(5)具备与DCS通讯的功能，能实现对现场设备的状态监控；

(6)设计出点火控制系统除了满足生产需要，必须具备运行安全、可靠、高效、节能、环保和先进等特点；

(7)采用燃烧优化控制，介质出口温度自动控制回路采用双交叉比值控制方案，不但可有效的控制住室内温度，而且可调节过程中严格的讲空燃比控制在所要求的范围内，保证燃料能够充分燃烧，使管式加热炉取得极高热效率。

附图说明

图1是高能点火装置的结构图；

图2是点火器的电路结构图；

图3是燃烧器的结构示意图；

图4是控制系统的硬件系统结构图；

图5是自动点火系统的控制过程图；

图6是双交叉限幅控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的技术方案：

管式炉点火控制系统，该系统包括高能点火装置、燃烧器、自动点火控制系统，高能点火装置采用电容放电式点火器，提供安全可靠的点火性能；燃烧器具有火焰检测装置，且能实现助燃风和燃气按比例调节；自动点火控制系统具有火焰检测功能、炉膛安全保护功能、自诊断功能。

高能点火装置：

见图1，高能点火装置由点火器11、高压屏蔽电缆10、点火枪9依次连接组成，见图2，点火器由升压变压器L、整流器D、电容器C1、放电管C2、扼流圈L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成，升压变压器L输出端连接整流器D、整流器D输出端连接电阻R1，电阻R1输出端连接电容器C1和放电管C2，电容器C1和电阻R2并联，放电管C2输出端连接电阻R3和扼流圈L1，点火器11将交流工频220V或110V的电压经升压整流变换成直流脉动电流，对贮能电容器进行充电，当贮能电容器充满时，放电电流经放电管C2、扼流圈L1、高压屏蔽电缆11传输至点火枪9，形成高能电弧火花。当点火装置停止工作时，电容器上的剩余电荷通过泄放电阻泄放。高能点火装置的点火火花能量高，安全可靠，防爆等级高。

电容放电式点火器与电子打火方式点火的比较如下表：

  比较项目  点火变压器+点火电极  电容放电式点火器+点火枪  发火电压  最低为5000V  最高为2500V  火花能量  几十毫J  通常为20J  安装与使用  点火电极固定安装，  点火枪可以加推进装置，亦有手持式

燃烧器：见图3，所述的燃烧器包括点火嘴1、稳燃罩2、外壁3、调节风门4、观火孔5、气动推进器6、进气管组7、火检安装管8、在燃烧器上部设有点火嘴1和稳燃罩2，下部设有进气管组7和气动推进器6，在外壁3上设有可调节进风量的调节风门4。在燃烧器的底部设有火检安装管8和观火孔5。

管式炉燃烧器的各组成部分功能叙述如下：

调节风门4：主要用于调节配风量；

气动推进器6：用于进退点火枪，点火时推进点火枪，点火后退出点火枪，有效的保护了点火枪，防止点火枪被烧坏，气动推进器集成有进到位、退到位反馈，实时反应推进器的工作状态；

进气管组7：作用是合理的分配进入的燃气，使燃气均匀的按一定的角度喷出，使燃烧更加稳定、充分；

点火嘴1：点火时用来引燃大火；

稳燃罩2：作用是稳定火焰燃烧，增加火焰的刚性，并且还能有效地避免火焰的回火和脱火现象；

观火孔5：用于观察火焰燃烧状态；

火检安装管8：用来安装火检，火检可检测燃烧状态，并且输出相应反馈信号，为自动控制提供必要的条件。

本实施例设计开发的燃烧器的优点是：具有结构紧凑、燃烧稳定、调节比大、噪声低、可内设点火枪和火焰检测报警系统；火焰铺展性好、燃烧完全、燃烧易于控制。低NO_X燃烧器适应当今环境保护的要求，而且更能节省燃料，提高燃烧效率。

管式炉点火控制系统整体实现

见图4，本控制系统采用S7-400型PLC控制系统，控制管式加热炉的全部仪表，用来完成加热炉各过程工艺参数的数据采集与过程控制。在软件方面将先进的模糊控制与经典的PID控制相结合以达到加热炉最佳燃烧控制效果，并对管式炉进行自动控制，实现温度、压力、燃烧等控制的自动化及过程参数监控。本系统仪控计算机系统可与管理网络进行通讯，传输生产过程参数、接收管理与控制信息。

根据点火燃烧控制要求，包括炉膛吹扫、自动点火、火焰检测、炉膛安全保护MFT以及自诊断过程。

(1)炉膛通风控制蒸汽吹扫功能：这是保证燃料在泄漏情况下不会大量在炉膛内堆积，是避免爆燃的有效措施。

(2)自动点火功能：通过点火启动指令点火装置及其辅助阀门对点火气枪点火，此种点火气枪的燃气流量较小，如果点火失败在短时间内也不会造成爆燃的危险。

(3)火焰检测功能：当检测到炉膛有小火火焰后，通过开启主燃烧器的指令点燃整个燃烧器，多个燃烧器的加热炉对火焰进行至少有一个火检有火的低限设定；如果全部火焰检测器都无火，关闭整个炉膛所有燃料来源。

(4)炉膛安全保护MFT：炉膛安全保护MFT要考虑到所有一切涉及到炉膛安全运行的条件，如火焰丧失、燃料压力高、燃烧压力低、燃料丧失、助燃风丧失、风机跳闸和紧急停止等。一旦其中有一条件发生，将紧急关闭阀门切断燃料，记录MFT首因信号并自动进行吹扫。

(5)自诊断功能：对各设备运行状态进行诊断记录，方便检修人员查出系统设备的故障。

自动点火控制方法，见图5，系统运行操作包括系统启动、点火启动和点火停止三个步骤。

(1)系统启动：

打开柜门，合上开关，PLC开始工作，火检处理器电源指示灯亮。

(2)点火启动：

①在点火前，运行人员需要确认管式加热炉是否具备点火条件。当送风机、引风机在运行时，可进行吹扫，当吹扫达到一定时间后且系统无MFT时，系统发出点火允许指示；当吹扫时遇到MFT，必须再次吹扫按钮，直至点火允许指示发出。

②在点火启动前，煤气阀和点火阀是否关到位、煤气主管道压力是否正常，否则系统拒绝启动。

吹扫完成指示灯亮，表明吹扫完成，否则系统拒绝启动。

③按下[启动]按钮，系统自动完成如下程序：

(3)点火停止：

①点火过程按[停止]：→关点火阀和燃气阀、关点火器

②燃烧状态按[停止]：→关点火阀和燃气阀

③停止状态按[停止]：→设备复位(若启动前发现设备不在初始状态，可以进行此操作)

燃烧过程优化控制

燃烧优化控制主要是空燃比控制。管式加热炉的废气量增加不会显著影响炉子的热效率，空气不够时导致煤气不完全燃烧，空气富余时会使废气中残氧增加，加快加热管的氧化烧损。最优燃烧控制系统是必须的，也是管式加热炉取得极高热效率的关键。

为了实现空燃比控制，介质出口温度自动控制回路采用双交叉限幅控制方案，不但可有效的控制住炉膛内温度，而且可在调节过程中严格的将空燃比控制在所要求的范围内，保证燃料能够充分燃烧，不会出现空燃比较小时燃气燃烧不足，浪费燃料的情况以及空燃比较大时燃烧剩余的空气量较多，易产生NO_X并随烟气排出带走了大量热量的情况，达到了节能与环保的双重效果。

双交叉限幅控制即采用空、燃双交叉限幅控制，基本原理是，当负荷发生变化时空气流量的变化与燃气流量的变化相互制约。在燃烧过程中，燃气热值参与空燃比(BU)的修正，以保证调温过程中的最佳燃烧状态。双交叉燃烧控制系统工艺原理如图6所示：

对双交叉限幅控制的工艺控制过程的三种情况进行分析。

(1)炉温处于稳定状态时(无任何扰动)

温度调节器TTC的输出MVt与实际检测的燃气流量相等。在空气侧，经低选、高选得到空气调节器FaIC的设定值SPa＝B·U·MVt。燃气侧，经高选、低选得到燃气调节器FgIC的设定值SPa＝MVt。故此时调节系统处于平衡状态，双交叉制约不工作。

(2)炉温低于设定值时(升温调节过程)

温度调节器TTC的调节作用使得其输出MVt增大，而此时实际检测的煤气流量还没有改变，其值仍为Fg。在空气侧，经低选、高选得到空气调节器设定为：SPa＝B·U·(1+k4％)·Fg/(B·U)。在燃气侧，经低、高选得到燃气调节器设定为：SPg＝(1+K1％)·Fa/(B·U)从以上两式可看出，空气流量随燃气流量的增加而增加，反之燃气流量又随空气流量的增加而增加，交叉制束开始，温度则不断上升，而K4＞K1这可以保证在升温时，燃气量随空气量的增加而增加，即空气先行。空气量始终比燃气量多一点，避免在燃烧调整过程中由于燃气过剩而冒黑烟。随着空气燃气流量在相互制约中的不断增加，在空气侧，当SPa/BU＞MVt时，经低选得到空气调节器的设定值为SPa＝B·U·MVt。在燃气侧，当SPg＞MVt时，经高选得到空气调节器的设定值为SPg＝MVt。此时系统又处于平衡状态，交叉制约结束。

(3)炉温高于设定值时(降温调节过程)

温度调节器TTC的调节作用使得其输出MVt减小，在空气和燃气侧分别经过高选、低选得到各调节器的设定为：SPa＝B·U·(1-K2％)·Fg，SPg＝(1-K3％)·Fa/(B·U)。故随着燃气流量的减少，空气流量也减少，空气流量的减少又导致燃气流量的减少，交叉制约开始，温度不断下降，直至新的平衡建立。K3＞K2可保证降温时，空气量随燃气量的减少而减少，即燃气先行。燃气总比空气少一点，同样可避免冒黑烟。通过此系统进行燃烧控制，由于总是“多了一点”空气，这可防止在升温降温或负荷发生变化时冒黑烟，小的限幅系统K1、K2、K3、K4可防止温度或负荷变化时空气燃气流量的突变，保证温度均衡变化。

4)符号说明：

TTC：温度控制器

FgIC：燃气控制器

FaIC：空气控制器

MVt：控制器输出

Spa：设定值

B·U：空燃比

K1：限定煤气增量上限％

K3：限定煤气减量上限％

K4：限定空气增量上限％

K2：限定空气减量上限％。