本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種加熱爐控制與燃燒優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

加熱爐是石化煉油廠及化工生產(chǎn)廠的主要設(shè)備中的一種，是經(jīng)常使用的一種火力加熱設(shè)備。而加熱爐最重要的任務(wù)，主要是把原料油加熱到比較高的溫度(有時(shí)能達(dá)到上1000℃)來(lái)達(dá)到后序生產(chǎn)流程(分餾或反應(yīng)等過(guò)程)的要求。加熱爐不僅耗能巨大，而且是二氧化碳、氮氧化物等污染物排放的主要來(lái)源之一。

影響加熱爐熱效率的主要因素是排煙熱損失、氣體未完全燃燒熱損失，而影響這兩個(gè)主要因素的可調(diào)參量就是過(guò)量空氣系數(shù)，過(guò)?？諝庀禂?shù)是決定加熱爐性能、尤其是這個(gè)加熱爐的熱效率的重要指標(biāo)之一，因此在設(shè)計(jì)加熱爐以及操作加熱爐過(guò)程中，過(guò)?？諝庀禂?shù)都是我們參考的重要指標(biāo)數(shù)。過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)小能產(chǎn)生不完全燃燒，加大了不完全燃燒熱損失，使?fàn)t子的熱效率下降；數(shù)值過(guò)大時(shí)，過(guò)剩的空氣排出爐外，進(jìn)入大氣帶走很多熱量同時(shí)也對(duì)環(huán)境帶來(lái)了熱污染，帶來(lái)了排煙熱損失的增加造成了爐子的熱效率下降；而且，數(shù)值的大小左右著煙氣阻力的大??；因?yàn)闊煔庵羞^(guò)?？諝鈳?lái)的含氧量過(guò)大能導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)構(gòu)件的氧化加劇，并且過(guò)量氧氣也導(dǎo)致?tīng)t管表面氧化加劇，直接影響了爐管使用期限。再者，過(guò)量的氧也能加大SO₂向SO₃轉(zhuǎn)化，使得煙氣發(fā)生低溫露點(diǎn)腐蝕機(jī)會(huì)加大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種加熱爐控制與燃燒優(yōu)化方法，以安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo)，針對(duì)加熱爐系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用先進(jìn)控制算法與常規(guī)控制算法相結(jié)合的控制策略，并采用O₂和CO切換控制，實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，通過(guò)燃燒效率自尋優(yōu)算法，對(duì)煙氣含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，進(jìn)一步提高燃燒效率、降低污染物排放，提高設(shè)備安全使用壽命。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

1)采用常規(guī)控制與先進(jìn)控制相結(jié)合的控制策略，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)出口溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓的常規(guī)自動(dòng)控制，保證加熱爐控制的穩(wěn)定性；實(shí)現(xiàn)介質(zhì)出口溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓的先進(jìn)控制，保證系統(tǒng)在變負(fù)荷、變工況下的快速響應(yīng)與安全性；

2)針對(duì)加熱爐多數(shù)處于富氧燃燒的燃燒特性，采用O₂和CO切換控制，實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，降低污染物排放，提高設(shè)備安全使用壽命；

3)采用國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)化公式，構(gòu)建加熱爐效率優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)燃燒效率自尋優(yōu)算法，對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程中的煙氣含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)。

采用常規(guī)控制與先進(jìn)控制相結(jié)合的控制策略，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)出口溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓的自動(dòng)控制，保證加熱爐控制的穩(wěn)定性。常規(guī)控制算法在過(guò)程控制站實(shí)現(xiàn)，保證了控制的安全性與穩(wěn)定性。

所述介質(zhì)溫度控制過(guò)程中，采用串級(jí)控制。外環(huán)采用介質(zhì)出口溫度控制回路作為主控制回路，內(nèi)環(huán)采用燃料流量控制回路作為副控制回路。當(dāng)介質(zhì)溫度增加則減小燃料量，介質(zhì)溫度降低則增大燃料量；

所述煙氣的含氧量控制過(guò)程中，采用單回路控制。通過(guò)氧量設(shè)定值與過(guò)程值的偏差，進(jìn)入控制器中進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到送風(fēng)擋板指令，同時(shí)，引入燃?xì)鈮毫?流量)補(bǔ)償器作為控制前饋量，能夠避免燃料因負(fù)荷突然變化而變化燃燒狀況卻因進(jìn)風(fēng)風(fēng)量變化慢而變得不佳的情況，提高了送風(fēng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性；

所述在爐膛負(fù)壓控制過(guò)程中，采用單回路控制。通過(guò)爐膛負(fù)壓設(shè)定值與過(guò)程值得偏差，進(jìn)入控制器中進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到擋板控制指令，由于負(fù)壓值易受到送風(fēng)量的影響，因而對(duì)于可預(yù)知的擾動(dòng)采用前饋控制策略，引入送風(fēng)流量前饋，提前消除送風(fēng)干擾，使?fàn)t膛負(fù)壓能夠快速的穩(wěn)定下來(lái)。

采用常規(guī)控制與先進(jìn)控制相結(jié)合的控制策略，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)出口溫度、煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓的先進(jìn)控制，保證系統(tǒng)在變負(fù)荷、變工況下的快速響應(yīng)與安全性。其特征在于：

1)常規(guī)控制與先進(jìn)控制之間的切換主要通過(guò)狀態(tài)判斷選擇實(shí)現(xiàn)，當(dāng)常規(guī)控制在自動(dòng)狀態(tài)下，并且操作員選擇投入時(shí)，由常規(guī)控制切換到先進(jìn)控制；

2)針對(duì)大滯后的介質(zhì)出口溫度控制，采用大滯后過(guò)程無(wú)模型自適應(yīng)(Anti-Delay MFA，Model-Free Adaptive)控制，使變負(fù)荷、變工況下系統(tǒng)依然能確保穩(wěn)定性，以及快速響應(yīng)特性，其特征如下：

2-1)通過(guò)滯后預(yù)估器產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋信號(hào)yc(t)作為反饋信號(hào)，對(duì)控制器而言產(chǎn)生一個(gè)e(t)；

2-2)MFA抗滯后控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型，僅需要一個(gè)滯后時(shí)間進(jìn)行滯后預(yù)估，結(jié)合MFA強(qiáng)大自適應(yīng)能力和魯棒性對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制；

2-3)為快速適應(yīng)燃料量的變化對(duì)對(duì)介質(zhì)出口溫度的影響，采用燃料量前饋控制，實(shí)現(xiàn)回路的穩(wěn)定、準(zhǔn)確控制。

3)針對(duì)煙氣含氧量與爐膛負(fù)壓屬于為多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，采用多變量無(wú)模型自適應(yīng)(MIMO MFA，Model-Free Adaptive)控制，使變負(fù)荷、變工況下系統(tǒng)依然能確保穩(wěn)定性，以及快速響應(yīng)特性，其特征如下；

3-1)MIMO MFA系統(tǒng)由2×2MFA控制器組成，其中包含兩個(gè)主控制器C11、C22和兩個(gè)補(bǔ)償控制器C21和C12，過(guò)程對(duì)象包括四個(gè)子過(guò)程G11、G21、G12和G22；

3-2)過(guò)程檢測(cè)變量煙氣含氧量y1和爐膛負(fù)壓y2作為兩個(gè)主回路的反饋信號(hào)與煙氣含氧量設(shè)定值r1和爐膛負(fù)壓設(shè)定值r2比較產(chǎn)生偏差信號(hào)e1和e2分別輸入兩個(gè)控制器，兩個(gè)控制器的輸出分別與另一方的補(bǔ)償器的輸出相結(jié)合生產(chǎn)控制信號(hào)u1和u2，由2×2過(guò)程的本質(zhì)可以看出，過(guò)程的輸入u1和u2相互影響著輸出y1和y2，一個(gè)輸入發(fā)生變化會(huì)同時(shí)改變兩個(gè)輸出。

3-3)2×2MFA控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是產(chǎn)生輸出控制信號(hào)u1(t)和u2(t)迫使過(guò)程變量y1(t)和y2(t)跟蹤他們各自的設(shè)定值r1(t)和r2(t)，實(shí)現(xiàn)偏差信號(hào)e1(t)和e2(t)最小。

針對(duì)加熱爐多數(shù)處于富氧燃燒的燃燒特性，采用O₂和CO切換控制，實(shí)現(xiàn)低氧燃料，降低污染物排放，提高設(shè)備安全使用壽命，其特征在于：

1)首先，新增激光分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒過(guò)程中的O2和CO/CH4在線測(cè)量?；诩す釩O在線測(cè)量，可用于不完全燃燒的衡量，同時(shí)，能彌補(bǔ)低氧狀態(tài)下的O2測(cè)量的不靈敏性，為低氧燃燒提供可靠測(cè)量依據(jù)；

2)其次，完善DCS控制邏輯，實(shí)現(xiàn)氧量和CO切換控制，在低氧狀態(tài)下采用CO控制策略，在設(shè)定的CO控制點(diǎn)內(nèi)采用氧量控制方式，兩種方式通過(guò)燃燒狀態(tài)的判斷自動(dòng)切換，最終達(dá)到低氧燃燒的控制目標(biāo)；

3)最后，控制方案中通過(guò)交叉控制邏輯，實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷時(shí)燃料量受空氣量限制，空氣量始終大于燃料量的燃燒狀態(tài)，確保燃燒的穩(wěn)定性。

采用國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)化公式，構(gòu)建加熱爐效率優(yōu)化函數(shù)，通過(guò)燃燒效率自尋優(yōu)算法，對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程中的煙氣含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)。主要特征如下：

1)進(jìn)行燃燒系統(tǒng)判穩(wěn)，燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)記錄當(dāng)前鍋爐優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值，以及煙氣含氧量；

2)使煙氣含氧量給定增加一個(gè)預(yù)置煙氣含氧量步長(zhǎng)值(范圍0.2～0.5)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，分為以下兩種情況：

3)第一種情況，如果目標(biāo)函數(shù)值增加，則下步繼續(xù)增加一個(gè)煙氣含氧量步長(zhǎng)值，直至目標(biāo)函數(shù)值減小時(shí)，說(shuō)明此時(shí)的鍋爐系統(tǒng)已經(jīng)在最佳燃燒區(qū)，結(jié)束本次優(yōu)化，等待工況改變進(jìn)行下次優(yōu)化；

4)第二種情況，如果目標(biāo)函數(shù)值減小，則進(jìn)行優(yōu)化步長(zhǎng)反向，減小一個(gè)煙氣含氧量步長(zhǎng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，如果目標(biāo)函數(shù)值增加，則下步繼續(xù)減小一個(gè)煙氣含氧量步長(zhǎng)值；直至目標(biāo)函數(shù)值減小時(shí)，說(shuō)明此時(shí)的鍋爐系統(tǒng)已經(jīng)在最佳燃燒區(qū)，結(jié)束本次優(yōu)化，等待工況改變進(jìn)行下次優(yōu)化。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有安全穩(wěn)定，操作方便，節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)。一方面能夠保證加熱爐控制系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；另一方面能夠提高鍋爐效率，同時(shí)降低污染物的排放；本發(fā)明的應(yīng)用還能減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)投入率，因而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

安全和穩(wěn)定性

加熱爐尾氣中產(chǎn)生大量的二氧化碳，使得不可能僅通過(guò)氧氣控制來(lái)確定最佳的空氣量。通過(guò)在線測(cè)量O₂和CO/CH₄以及空氣的快速流量控制，才能保證加熱爐的安全和穩(wěn)定燃燒。

延長(zhǎng)壽命

過(guò)量空氣對(duì)加熱爐的壽命有重要影響。過(guò)量空氣稀釋煙氣中CO₂和H₂O濃度，降低輻射傳熱，其結(jié)果是加熱器需要更多的燃料以保持COT(爐管出口溫度)。這就需要在對(duì)流段增加更多的熱量，使得屏蔽段溫度(在對(duì)流和輻射段中間)可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，影響管焦化和加熱爐的壽命。通過(guò)改善燃燒測(cè)量和控制后，這一問(wèn)題將會(huì)得到徹底解決。

提高效率

通過(guò)對(duì)加熱爐實(shí)施燃燒優(yōu)化，在保持安全燃燒條件下，減少過(guò)量空氣，進(jìn)一步提高能源效率；同時(shí)，最小過(guò)量空氣通過(guò)廢氣來(lái)減少熱量損失，并通過(guò)避免二氧化碳和水蒸汽在廢氣被稀釋來(lái)保持輻射傳熱，達(dá)到節(jié)約燃料目標(biāo)。

降低排放

加熱爐是氮氧化物和二氧化碳排放量的主要來(lái)源，采用更合理的送風(fēng)量實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒，能減少污染物的排放。

附圖說(shuō)明

圖1介質(zhì)出口溫度控制框圖；

圖2煙氣含氧量控制框圖；

圖3爐膛負(fù)壓控制框圖；

圖4 Anti-Delay MFA系統(tǒng)框圖；

圖5 MIMO MFA系統(tǒng)框圖；

圖6 O₂和CO切換控制算法邏輯圖；

圖7自尋優(yōu)算法邏輯圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。

參照?qǐng)D1所示，為介質(zhì)出口溫度控制回路框圖，具體步驟為：

首先，介質(zhì)溫度控制過(guò)程中，采用串級(jí)控制。

其次，外環(huán)采用介質(zhì)出口溫度控制回路作為主控制回路，內(nèi)環(huán)采用燃料流量控制回路作為副控制回路。

最后，當(dāng)介質(zhì)溫度增加則減小燃料量，介質(zhì)溫度降低則增大燃料量。針對(duì)介質(zhì)出口溫度的大滯后特性，采用抗滯后性MFA控制策略，并通過(guò)狀態(tài)判斷條件實(shí)現(xiàn)控制上的無(wú)擾切換。

參照?qǐng)D2所示，為煙氣含氧量溫度控制回路框圖，具體步驟為：

首先，煙氣的含氧量控制過(guò)程中，采用單回路控制。

其次，通過(guò)氧量設(shè)定值與過(guò)程值的偏差，進(jìn)入控制器中進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到送風(fēng)擋板指令；

最后，引入燃?xì)鈮毫?流量)補(bǔ)償器作為控制前饋量，能夠避免燃料因負(fù)荷突然變化而變化燃燒狀況卻因進(jìn)風(fēng)風(fēng)量變化慢而變得不佳的情況，提高了送風(fēng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。

參照?qǐng)D3所示，為爐膛負(fù)壓控制回路框圖，具體步驟為：

首先，在爐膛負(fù)壓控制過(guò)程中，采用單回路控制。

其次，通過(guò)爐膛負(fù)壓設(shè)定值與過(guò)程值得偏差，進(jìn)入控制器中進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到擋板控制指令；

最后，由于負(fù)壓值易受到送風(fēng)量的影響，因而對(duì)于可預(yù)知的擾動(dòng)采用前饋控制策略，引入送風(fēng)流量前饋，提前消除送風(fēng)干擾，使?fàn)t膛負(fù)壓能夠快速的穩(wěn)定下來(lái)。

參照?qǐng)D4所示，為Anti-Delay MFA系統(tǒng)框圖，具體步驟為：

首先，通過(guò)滯后預(yù)估器產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的反饋信號(hào)yc(t)作為反饋信號(hào)，對(duì)控制器而言產(chǎn)生一個(gè)e(t)；

其次，MFA抗滯后控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型，僅需要一個(gè)滯后時(shí)間進(jìn)行滯后預(yù)估，結(jié)合MFA強(qiáng)大自適應(yīng)能力和魯棒性對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制；

最后，為快速適應(yīng)燃料量的變化對(duì)對(duì)介質(zhì)出口溫度的影響，采用燃料量前饋控制，實(shí)現(xiàn)回路的穩(wěn)定、準(zhǔn)確控制。

參照?qǐng)D5所示，為MIMO MFA控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，具體步驟為：

首先，構(gòu)成MIMO MFA系統(tǒng)，其中包含兩個(gè)主控制器C₁₁、C₂₂和兩個(gè)補(bǔ)償控制器C₂₁和C₁₂，過(guò)程對(duì)象包括四個(gè)子過(guò)程G₁₁、G₂₁、G₁₂和G₂₂；

其次，過(guò)程檢測(cè)變量煙氣含氧量y₁和爐膛負(fù)壓y₂作為兩個(gè)主回路的反饋信號(hào)與含氧量設(shè)定值r₁和負(fù)壓設(shè)定值r₂比較產(chǎn)生偏差信號(hào)e₁和e₂分別輸入兩個(gè)控制器，兩個(gè)控制器的輸出分別與另一方的補(bǔ)償器的輸出相結(jié)合生產(chǎn)控制信號(hào)u₁和u₂，由2×2過(guò)程的本質(zhì)可以看出，過(guò)程的輸入u₁和u₂相互影響著輸出y₁和y₂，一個(gè)輸入發(fā)生變化會(huì)同時(shí)改變兩個(gè)輸出。

再次，2×2MFA控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是產(chǎn)生輸出控制信號(hào)u₁(t)和u₂(t)迫使過(guò)程變量y₁(t)和y₂(t)跟蹤他們各自的設(shè)定值r₁(t)和r₂(t)，實(shí)現(xiàn)偏差信號(hào)e₁(t)和e₂(t)最?。?/p>

參照?qǐng)D6所示，為O₂和CO切換控制算法邏輯圖，具體步驟為：

首先，新增激光分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒過(guò)程中的O2和CO/CH4在線測(cè)量?；诩す釩O在線測(cè)量，可用于不完全燃燒的衡量，同時(shí)，能彌補(bǔ)低氧狀態(tài)下的O2測(cè)量的不靈敏性，為低氧燃燒提供可靠測(cè)量依據(jù)；

其次，完善DCS控制邏輯，實(shí)現(xiàn)氧量和CO切換控制，在低氧狀態(tài)下采用CO控制策略，在設(shè)定的CO控制點(diǎn)內(nèi)采用氧量控制方式，兩種方式通過(guò)燃燒狀態(tài)的判斷自動(dòng)切換，最終達(dá)到低氧燃燒的控制目標(biāo)；

最后，控制方案中通過(guò)交叉控制邏輯，實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷時(shí)燃料量受空氣量限制，空氣量始終大于燃料量的燃燒狀態(tài)，確保燃燒的穩(wěn)定性。

參照?qǐng)D7所示，為自尋優(yōu)燃燒優(yōu)化算法邏輯，優(yōu)化參數(shù)為氧量設(shè)定值為例，具體步驟為：

1)參數(shù)初始化，獲取優(yōu)化參數(shù)基礎(chǔ)值與邊界值；

2)計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值J，并對(duì)其進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)的均值濾波處理；

3)判斷是否在優(yōu)化死區(qū)范圍內(nèi)，如果在D范圍內(nèi)，則不進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，否則繼續(xù)進(jìn)行下一步；

4)判斷燃燒系統(tǒng)是否穩(wěn)定，并且運(yùn)行人員是否允許燃燒優(yōu)化，條件滿足則進(jìn)行下一步，否則不運(yùn)算；

5)判斷是否為首次進(jìn)入優(yōu)化程序，如果是則進(jìn)行第(6)步，否則跳轉(zhuǎn)(11)步

6)增加氧量設(shè)定值增量(正向)；

7)調(diào)用優(yōu)化算法，計(jì)算邊界條件下的J以及最佳氧量設(shè)定，并對(duì)J本、J上進(jìn)行比較運(yùn)算；

8)判斷是否J本<J上，如果不是則跳轉(zhuǎn)(9)，如果是則跳轉(zhuǎn)(10)；

9)復(fù)位優(yōu)化正方向標(biāo)志位，并繼續(xù)判穩(wěn)；

10)置位優(yōu)化正方向標(biāo)志位(反向優(yōu)化)，并繼續(xù)判穩(wěn)；

11)判斷是否為正向運(yùn)算過(guò)程，如果是則跳轉(zhuǎn)(13)，如果否則跳轉(zhuǎn)(12)；

12)減小氧量設(shè)定值步長(zhǎng)；

13)增加氧量設(shè)定值步長(zhǎng)；

14)調(diào)用優(yōu)化算法，計(jì)算邊界條件下的J以及最佳氧量設(shè)定；

15)對(duì)J本、J上進(jìn)行比較運(yùn)算；

16)單次優(yōu)化結(jié)束，置位結(jié)束狀態(tài)，復(fù)位首次優(yōu)化等相關(guān)狀態(tài)；

17)結(jié)束本次運(yùn)算。