加热炉选修.docx

一、项目概要加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度升高的一种加热设备。被广泛应用于油气集输系统中，将原油、天然气及其井产物加热至工艺所要求的温度，以便进行输送、沉降、分离、脱水和初加工等工艺。根据我国石油工业在新世纪的发展规划要求，积极推动石油工业加热炉标准化工作向着市场化、国际化的方向发展，开展加热炉企业标准的研究。在站场用加热炉设计、使用和管理经验的基础上，结合加热炉的特点，从统一技术要求、优化设计、保证质量、安全、环保和人身健康等方面出发，制定站场用加热炉设计、制造、安装、使用、管理、检修、修理和改造等的相关规范，提高加热炉设计、制造、管理水平。同时，在前述研究的基础上，根据国家质检总局锅炉局的要求和全国压力容器标委会管道分技术委员会的建议，编制站场用加热炉企业标准文本，确保加热炉的安全经济运行，促进油气生产及输送工艺的发展，保护员工人身和国家财产安全，便于相关部门的监督检查，做好加热炉的标准化工作，为我国石油工业的发展做出新的贡献。主要内容：加热炉的结构及传热分析加热炉效率影响因素分析强化传热（提高加热炉效率措施）二、国内外技术现状及立项的必要性1 加热炉的作用、特点及要求石油工业站场用加热炉是加热原油、天然气、水及混合物等介质的专用设备，按结构型式一般分为火筒式加热炉和管式加热炉，它对整个站场的工艺、产品质量、安全、能耗及操作周期等起着支配作用。站场用加热炉与其它行业的加热炉相比，有许多特点： 单台热负荷小，一般不超过4000kw； 被加热介质流量大，要求压力降小； 被加热介质温升小，一般为30左右； 介质在炉内不产生相变； 操作条件不稳定，热负荷波动较大； 连续运行、操作及检修条件差； 同一型号加热炉使用数量多； 燃料为原油或天然气。在油气生产中，加热炉的基本要求如下：（1）生产效率高。在保证质量的前提下，燃料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产效率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用。（2）加热质量好。加热时介质出炉温度需符合工艺要求，防止局部过热出现结焦、结炭或爆炸危险。（3）燃料消耗低。站场用加热炉的能量消耗有1015消耗于炉子上，节省的燃料对降低单位成本和节约能源都有重要意义。（4）炉子寿命长。由于高温作用、机械磨损和腐蚀等因素的综合作用，炉子不可避免会有损坏，必须定期对炉子进行检修，应尽可能延长炉之的使用寿命，降低修护费用。（5）劳动条件好。要求炉子的机械化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。以上是对加热炉的总的基本要求，在加热炉用于油气田具体环节时，需要注意工作介质和工作环境，以及提高生产率、提高加热质量和降低燃料消耗量等各项指标之间的关系，这些因素通常是统一的，但有时则有主有次。例如，一些加热炉过去强调有较高的效率，但随着能源问题的突出，则更多的着眼于节能降耗，而适当降低炉子的热负荷等参数。2 加热炉的现状及研发方向我国“七五”以来，经过对在用加热炉进行测试筛选、新炉型研制、标准规范的制定及定型系列设计，加热炉的设计水平有较大提高。对加热炉进行定型系列设计后，热效率为8090，比原有加热炉效率提高了2025，耗钢量减少了1020。水套加热炉耗钢量小于11kg/kw，管式炉耗钢量小于13kg/kw，燃烧器及附机基本匹配。但耗钢量和机电一体化程度与国外同类设备相比还存在一定差距，燃烧器在强化燃烧和标准化、系列化方面还要做工作。根据西南油田地面工程设备发展规划，油田地面设备筛选开发要以节能降耗为中心，以配套为重点，以提高设备的成套水平和系统效率为目的，大力推广定型系列设计做好基础工作，开发研制油气水系统中关键设备，突出解决高含水老油田设备的技术改造和稠油、低渗透、凝析油油田设备配套定型及沙漠、滩海油田设备的橇装化、系列化和机电一体化，使油田地面工设备技术水平再上一个台阶。对于加热炉应开展的主要工作集中在以下两方面：（1） 修改加热炉定型系列设计，使其附机、附件与加热炉定型设计合理匹配，达到强化传热的目的，使加热炉整体效率再提高35，耗钢量再降低1015；（2）对加热炉炉体的强化传热、加热炉燃烧器的强化燃烧和炉体的散热损失加强研究，以提高加热炉的热效率。3 加热炉标准化程度1983年我国颁布的国家标准（gb3935.1-83）中对“标准”的定义是：“标准是对重复性事物和概念所做的统一规定。它以科学、技术和实践经验和综合成果为基础，经有关方面协商一致，由主管机构批准，以特定形式发布，作为共同遵守的准则和依据。”。1983年国际标准化组织发布的iso第二号指南（第四版）对“标准”的重新定义是：“由有关各方根据科学技术成就与先进经验，共同合作起草，一致或基本上同意的技术规范或其它公开文件，其目的在于促进最佳的公众利益，并由标准化团体批准。”在2000年发布的gb/t1.1-2000中将标准定义为：“为在一定的范围内获得最佳秩序，对活动或共结果规定共同的和重复使用的规则、导则或特性文件。该文件经协商一致制定并经一个公认机构的批准。（标准应以科学、技术和经验的综合成果为基础，以促进最佳社会效益为目的。”。石油工业标委会根据石油工业发展需要，在加热炉方面的主要技术标准如下：sy0031-95 石油工业用加热炉安全规程sy5261-91 火筒式加热炉受压元件强度计算方法sy/t0404-98 加热炉工程施工及验收规范sy/t0419-97 油田专用水套加热炉制造、安装及验收规范sy/t0469-98 石油建设工程质量检验评定标准：油田钢制容器及加热炉制作sy/t0538-94 管式加热炉技术条件sy/t0539-94 管式加热炉设计技术规定sy/t0540-94 石油工业加热炉型式与基本参数sy/t5262-2000 火筒式加热炉技术规范sy/t6381-1998 加热炉热工测定纵观这些标准，均是加热炉某一方面或几个方面的，缺乏系统完善的标准体系，随着技术的进步，以及国内的能源发展战略和油田站场用加热炉发展的需要，需要进一步对原有标准进行修订完善和补充，形成系列标准，提高加热炉设计、制造、管理水平和标准化程度。4 标准化发展趋势（1）加强加热炉国际化战略的宣传。目前，由于宣传力度不够，部分单位对石油工业实施国际标准化战略的认识还不到位。需要加大宣传石油工业国际标准化战略的力度，提高对标准化工作的认识。（2）提高技术标准的国际接轨程度。根据国家标管委制定的“国家标准采用国际标准计划”和油标委制定的“行业标准采用国外先进标准计划”，要努力完成技术标准制修订任务。（3）抓紧行业标准“双语版”的制定工作。要按照“整合、提高、国际化”的思路，做好“双语版”行业标准的制定工作，提高翻译质量和水平，缩短编制周期，积极将加热炉技术标准推上国际市场。（4）加强技术标准的宣贯和发行工作。制定技术标准的目的在于运用。只有技术标准得到运用，才能发挥作用，取得效益。而技术标准的发行和宣贯工作，是技术标准运用工作的重要环节，做好技术标准的发行工作十分重要。（5）以信息化推动技术标准的国际化。建立加热炉标准化信息网络，尽快实现技术标准的申报、编制、征求意见、投票、报批信息化，技术标准文本。 三、攻关目标、主要研究内容及关键技术1 主要研究内容在系统调查分析长庆油田加热炉应用现状及国内外加热炉有关标准的基础上，结合加热炉发展需要和标准化发展趋势，开展长庆油田水套加热技术的相关研究，编制水套加热的设计、制造的企业标准。主要研究内容如下：（1）加热理论研究。包括加热炉传热分析、强度计算等；（2）长庆油田水套加热技术怎样实施最优研究；（3）加热元件优化研究；（4）仪表和控制技术研究；（5）安全运行与管理技术研究；（6）防腐、保温研究；（7）在上述各种基础研究基础上，编制出适合长庆油气田站场水套加热的设计、制造标准。2 技术关键（1）目前国内外站场用加热炉相关标准的比较研究；（2）长庆油田水套加热技术怎样实施最优研究；（3）加热元件优化研究；（4）编制出适合长庆油气田站场水套加热的设计、制造标准； 加热炉串级控制系统2加热炉串级控制系统分析2.1加热炉串级控制系统的描述原料入口原料出口t2ct1ct1tt2t燃料油加热炉温度控制系统如图1所示，原料在加热管中从入口到出口过程中被加热到指定的温度。该系统从燃油燃烧到原料出口温度有三个容量环节：炉膛、管壁和被加热的原料。加热炉控制系统图如图2-1所示。图2-1 加热炉温度控制系统图2-1中，t1t是原料温度传感器，t1c是原料温度控制器；t2t是炉膛温度传感器，t1c是炉膛温度控制器。在上述系统中，中间被控变量是炉膛温度；操纵变量是燃料油的流量。系统的基本扰动来自两个方面，一是原料侧的扰动及负荷扰动，二是燃烧侧的扰动，诸如燃油压力、配风量等。由于该系统容量滞后较大，如采用以原料出口温度为被控量的单回路控制系统，当燃料侧扰动产生时，系统不能立即感知，直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生改变时，系统控制作用才开始反应，但为时已晚。同样，控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变进行调整。这样感知慢、调整慢，控制系统的品质不可能很高。对于负荷侧的扰动，虽然感知较早，但是控制过程较慢。为此可增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成一个如图1所示的串级控制系统。2.1加热炉串级控制系统的原理框图由加热炉串级控制系统可得系统的原理框图，如图2-2所示。主调节器t1c副调节器t2c调节阀原料管壁炉膛温度变送器t1t温度变送器t2t负荷扰动燃烧侧扰动+r(t)图2-2 串级控制系统的原理框图3加热炉串级控制系统的设计与分析3.1串级控制系统性能分析在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主副调节器串联工作；主调节器输出作副调节器设定值。系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对参数的设定控制。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过协调工作使主参数能够准确地控制在工艺规定范围之内。串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点。加热炉串级控制系统的主要性能特点为：副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰；副控制回路起到了改善对象动态特性的作用，可以加大主控制器的增益，提高系统的工作频率；由于副控制回路的存在，使串级系统的自适应能力增强 。从以上串级控制的特点来看，副控制回路给控制系统带来了一系列优点，因此串级控制可应用于抑制控制系统的扰动，克服对象的纯滞后，减少对象的非线性影响，完全适用于加热炉控制系统。3.2主、副回路的设计串级系统对二次扰动的抑制效果最好，所以副回路应包含尽可能多的扰动，特别是把变化最剧烈、幅值最大最频繁的主要扰动包括在副回路内。由副回路先把扰动克服到最低程度，减小其对主变量的影响，从而提高控制质量。加热炉温度串级控制系统是以原料油为主要被控参数的控制系统。其他被控参数有炉膛温度、膛壁温度、燃料流量、原料油流量。副回路的选择即确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰，所以选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。3.3 主、副控制规律的设计在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制中，选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格；又由于加热炉串级控制系统有很大的容量滞后，所以，选择pid调节作为主调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有误差。在加热炉的温度控制，采用炉膛温度作为副被控量，炉膛温度过分偏离设定值严重影响了炉子的安全运行，这种情况下副控制器可以采用pi控制。所以副调节器调节规律选择pi控制。3.4 控制参数的工程整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种。两步整定法、逐步逼近法和一步整定法。按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次整定好，不再变动，然后按照一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。4加热炉串级控制系统的仿真与结果分析4.1 控制系统传递函数模型隧道加热炉系统中，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，串级控制系统中主、副对象的传递函数和分别为： (式4-1) （式4-1）主、副控制器的传递函数和为： （式4-3） （式4-4）采用传递函数描述的串级控制时系统的simulink模型如图4-1所示：q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；pid c1为主控制器，采用pid控制；pid c2为副控制器，采用pid控制；为副对象；为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。4.2 pid参数整定及matlab系统仿真采用临界比例度法来整定pid控制器的参数。临近比例度法又称稳定边界条件法，它是先让控制器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅震荡的过渡过程，记下此时的比例度和等幅震荡周期，再通过简单的计算，求出衰减震荡时控制器的参数。4.2.1 系统总仿真图系统可以由simulink仿真来进行参数的调节，系统仿真图如图4-1所示。图4-1系统仿真图此时的参数值为，p为10.4，i为0.1，d为1.26，此时的仿真波形如图4-2所示。图4-2 仿真波形图4.2.2 副回路的整定将主环路断开，副回路为比例作用的条件下，由大到小逐渐降低副调节器的比例度。整定副回路的仿真图如图4-3所示。图4-3整定副回路的仿真图先对副回路进行整定，按照要求，此时的控制器为纯比例作用，在simulink环境中建立系统模型。当p为9时，衰减比基本可达到4:1，此时比例度为9，振荡周期为8.8。整定副回路波形图如图4-4所示。图4-4 整定副回路波形图4.2.3 主回路的整定连接好主回路，保持副回路的比例度不变，即为9，逐渐降低主回路的比例度p1。主回路整定仿真图如图4-5所示。图4-5主回路仿真图用临界比例度法对主回路进行整定，此时的p值为13，此时比例度为13，振荡周期为14.1。主回路整定仿真波形如图4-6所示。图4-6主回路整定仿真波形4.3 加扰动后的参数调整加入扰动后，系统会出现稳态误差，动态性能和静态性能都会变差，pid的各参数需要重新进行调整。加入扰动的主回路仿真图如图4-7所示。图4-7 加入扰动的主回路仿真图加入扰动后系统仿真波形如图4-8所示，可以看出系统存在稳态误差，并且震荡比较严重震荡，所以pid调节的参数需要改变，进行进一步调整。图4-8 加入扰动后系统仿真波形调整后的参数值是：p为8.5，i值为0.5，d值为1.5，加入扰动后系统新仿真波形图如图4-9所示。图4-9 加入扰动后系统新仿真波形图4.3 仿真结果分析串级控制系统对干扰串级控制系统的副回路的存在，能够迅速克服进入副回路的干扰，从而极大的减少副回路