炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及炼油化工企业加热炉燃料气热值的在线软测量建模方法，属于工业加 热炉自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 工业加热炉，是炼油化工行业的关键设备之一，广泛应用于常减压蒸馈、延迟焦 化、重整、加氨裂化、加氨精制、乙締裂解等大型炼化装置。
[0003] 在炼油化工装置工艺流程中，加热炉通常用于对反应器、精馈塔等进料的加热。反 应、精馈等过程对炉出口溫度的平稳精密控制有很高的要求，例如乙締裂解炉，通常要求炉 出口溫度波动偏差不超过±1. 5 °C。
[0004] 另外，加热炉通常也是大型能耗设备，烟气过剩氧含量是影响运行中加热炉热效 率的首要因素。在正常运行状态，烟气过剩氧含量每增加1个百分点，加热炉热效率会降低 约0.5个百分点。平稳卡边控制烟气过剩氧含量，是加热炉节能降耗的关键之一。加热炉 燃烧过程控制的优化，主要包括被加热介质炉出口溫度的平稳精密控制，和烟气过剩氧含 量的平稳卡边控制。 阳0化]在加热炉过程控制中，对于加热炉热负荷的变化，燃料气量是调节手段；对于因燃 料气流量、热值的变化导致的烟气氧含量变化，则相应地需要调节燃烧空气量来补偿。加热 炉热负荷的变化（因进料溫度、进料流量、或炉出口溫度控制目标的变化），通常是缓慢的 或小幅度的。但随着炼化企业气体深加工利用技术的推广应用，经常出现燃料气热值变化 快、变化幅度大的情形，燃料气热值的波动就成为加热炉过程控制的主要干扰因素。及时检 测到燃料气热值的变化，并采用前馈控制技术，可W大大改进运种变化对加热炉燃烧过程 控制的干扰影响，提高自动控制品质。
[0006] 炼油化工企业加热炉中，热值波动快且波动幅度大的燃料气，通常是工厂管网的 燃料气。为便于理解和区别，本发明方法所设及的燃料气，除非特别说明，均指管网燃料气。
[0007] 已有的燃料气热值在线检测方法，是在燃料气系统安装燃料气热值在线分析仪。 但在线分析仪，通常存在一定的时间滞后，运对于加热炉快速燃烧过程的控制，是不利的。 此外，在线热值分析仪因其结构复杂、内嵌微型燃烧室，与常规仪表、调节阀相比，故障率比 较高，维护工作量大。
[0008]因此，建立基于常规流量、压力仪表和控制阀参数的燃料气热值在线软测量模型， 在线实时检测出燃料气热值，克服时间滞后的控制困难、大大节省硬件投资、降低维护工作 量、提高加热炉燃烧过程控制的平稳性和可靠性，是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是，给出一种简便可靠的加热炉燃料气热值在线软测量 方法，实现加热炉燃料气热值的在线实时检测。
[0010] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，包括W下步骤：（1)确定 燃料气的组成，即确定氨和控类物质之外的杂质含量，确定燃料气流量调节阀的流量特性； (2)确定燃料气流量调节阀两端的压差ΔP; (3)离线计算确定工程热值系数C; (4)确定燃 料气热值q的在线软测量计算模型；（5)建立软测量，实现燃料气热值q的在线实时检测。
[0011] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤（1)中，燃 料气的组成W氨和控类物质为主、其它杂质含量不超过燃料气总质量的5% ;燃料气流量调 节阀的流量特性是等百分比流量特性或直线流量特性。
[0012] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤（1)中，燃 料气流量调节阀两端的压差AP=P-P〇,其中：P为燃料气缓冲罐压力，单位为MPa;P0为炉 膛压力，单位为MPa。
[0013] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤（3)中，工 程热值系数C值按W下步骤离线计算获得：
[0014] 步骤（3. 1)，采集3到7天时间的加热炉过程历史数据（采样间隔1分钟）。需要 采集的加热炉过程参数有： 阳01引 1)FM:被加热介质流量，t/h
[0016] 2)Τ1 :被加热介质进炉前溫度，°C 阳017] 3)T2:被加热介质炉出口溫度，°C
[0018] 4)AO:加热炉烟气氧含量，％
[0019] 5)TG:加热炉排烟溫度，°C
[0020] 6)F:管网燃料气体积流量，Nm3A
[0021] 7)F2 :装置自产燃料流量，仅针对附图2的情形，Nm3/h 阳02引 8)P:燃料气缓冲罐压力，MPa
[0023] 9)P0 :炉膛压力，MPa
[0024] 10) 1/L:燃料气流量调节阀阀位，百分比值换算成0~1的值。
[00巧]步骤（3. 2)，将上述过程历时数据，导入Excel表格中，采用曲线观察或比较标准 偏差的方法，选择烟气氧含量和排烟溫度最为平稳的4到8小时的一段数据作为选定时间 段数据，W氧含量平稳优先选择，采用该选定时间段数据参与后续计算，对于每一过程参 数，该选定时间段的数据表示为一数组，例如FM,，j= 1，2,…，n，运里η等于选定时间段的 分钟数。
[00%] 步骤（3. 3)，采用如下简化公式，首先计算出选定时间段的加热炉热效率 n.i(% ):
[0027] ηj= 97-[(0. 0083+0. 031*αj)*(TGj+0. 000135*TGj*TGj)-l. 1]
[0028] 式中：
[0029]αj= (21-0. 0627*A0j)/(21-AOj)，干烟气氧含量分析仪时
[0030] 曰j= (21-0. 116*A0j)/(21-AOj)，湿烟气氧含量分析仪时
[0031] TG为加热炉排烟溫度。
[0032]步骤（3. 4)，在通用化工数据手册中查出、或采用化学工程方法计算出：被加热介 质在工作状态下的定压比热容Cp(单位·°C))。Cp为常数，采用工作状态下的均 值。
[0033] 步骤（3. 5)，计算选定时间段的加热炉热负荷Qj(MJA):
[0034]
[00对步骤化6)，采用倒推法计算选定时间段的燃料气热值quw, ,(MJ/Nm3):
[0036] 当加热炉只有一路燃料即被研究的管网燃料气时，
[0037]
[0038] 当加热炉有两路燃料，即主要一路为被研究的管网燃料气、另一路为补充燃料时，
[0039]
[0040] 式中：C2为补充燃料的热值，MJ/Nm3,其值是恒定、或近似恒定的，计算时视为常 数，从加热炉所属装置的标定数据获得，补充燃料通常采用装置自产燃料气或燃料油。
[0041] 步骤（3. 7)，计算工程热值系数C值：
[0042] 当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时：
[0043]
[0044] 当燃料气流量调节阀为直线流量特性时：
[0045]
[0046] W上两式中：η为选定时间段的数据样本总数。
[0047] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤（4)中，燃 料气热值q的在线软测量计算模型为：
[0048] 当燃料气流量调节阀为等百分比流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型 为：
[0049]
[0050] 当燃料气流量调节阀为直线流量特性时，燃料气热值的在线软测量计算模型为：
[0051]
[0052] W上两个软测量模型公式中， 阳05引被检测变量q:燃料气的热值，单位为MJ/Nm3
[0054] 输入变量1/L:燃料气流量调节阀阀化百分比换算成0~1的值 阳化5] 输入变量ΔP:燃料气流量调节阀两端压差，单位为MPa
[0056] 输入变量F:燃料气体积流量，单位为Nm3/h
[0057] 模型系数C:工程热值系数（常数，步骤（3)计算获得）。
[0058] 本发明炼化企业加热炉燃料气热值的在线软测量方法，其中所述步骤巧）中软测 量的在线实现，采用DCS计算功能块组态或采用上位机软测量软件。
[0059] 本发明炼化企业加