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【摘要】加热炉的出口温度、炉膛压力、燃烧效率等控制回路是加热炉最重要的控制回路，是加热炉复杂控制及自动控制的基础，只靠单回路控制系统已经无法满足加热炉工艺生产的要求，加热炉的复杂控制系统对加热炉安全稳定、高效的运行起到重要的作用。
【关键词】加热炉、温度、炉膛压力、燃烧效率、控制回路
【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0141-02
1、加热炉介绍
加热炉是工业生产中将物料或工件加热的设备，是工业中非常常见的加热设备，是利用燃料在炉膛内燃烧时产生高温火焰与烟气的热能加热炉管或传送带上物料、元件等，使其达到后续工艺过程所要求的温度或在炉管中进行化学反应。其普遍应用于石油、化工、冶金、机械、热处理、建材、材料、轻工、制药等诸多行业领域。
加热炉根据不同类型所分类也非常多，其中主要的分类为：
按热源划分有燃料加热炉（固体、液体、气体）、电能加热炉（电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉）；
按照炉子的作业方式分为：直接加热方式（焚烧炉、平炉、转炉等）；间接加热方式（辐射炉、感应炉等）；
按照结构及安装方式分为：圆筒炉、立式加热炉，卧式加热炉、大型方炉等；
按照用途分为：焚烧炉；物料加热炉；裂解炉；炼铁炉；轧钢锻造炉；热处理炉；水泥窑炉；陶瓷窑炉，玻璃窑炉等；
按燃烧方式分为：直火焰式、附墙火焰式、无焰燃烧式等；
按燃烧器布置方式分为：底烧、顶烧、侧烧、顶侧烧式等。
2、管式加热炉结构及控制原理
在石油化工领域，加热炉已经成为合成气、加氢裂化、加氢精制、乙烯裂解等生产过程中进行原料热处理、石脑油裂解、加氢转化反应等的重要设备，对整套产品装置的质量、效率、能耗及安全运转起着重要作用。根据石油化工领域工艺过程的特点及要求，这种加热炉主要以管式加热炉为主，石化装置加热炉炉管内流动的物料通常是高温、高压、易燃、易爆的烃类物质；被加热介质或物料易在炉管内结焦；炉膛温度和物料温度的控制要求高；加热方式以直接受火底烧式为主；主要燃料为易燃易爆的液体或气体燃料；危险性大；操作条件苛刻；并需要长周期连续运转。
本文以管式加热炉为例，重点介绍工业加热炉的出口温度、炉膛压力、燃烧效率等几个重要控制回路。
根据加热炉的结构可以看出，管式加热炉的主要结构由燃烧器、辐射室、炉管、对流室、余热回收系统及烟道系统组成。
根据工艺要求的不同，加热炉的工艺控制参数也有很大的不同，但总体来看，加热炉的主要控制回路包括炉膛温度控制，炉膛压力控制，炉管物料出口温度控制，物料流量控制，加热燃烧率控制等主要控制回路，如图二加热炉主要控制对象图。为了保证加热炉燃烧的温度、物料的加热温度、压力及流量等满足工艺产品的要求，加热炉的控制要求非常严格，随着自动化仪表及控制系统的发展，特别是PLC系统、DCS系统和总线系统等集成化、大型化工业控制系统的成熟应用，加热炉的自动控制系统也进一步得到提高和完善。但采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为当加热炉将工艺介质从加热到数百度甚至一千度以上时，加热炉的热负荷会很大。当燃料供给的压力或炉管中物料的热值有变化时，就会引起加热炉出口温度的明显变化。如只采用单回路控制，当加热量改变后，由于传递滞后及测量滞后较大，控制作用不及时，而使加热炉出口温度波动较大，导致无法满足工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于对炉出口温度要求不十分严格；对外来影响要求低，且不频繁；炉膛容量较小的加热炉系统。
随着石油化工产业的发展和深化，对加热炉的处理能力及处理精度要求也越来越高，也就要求加热炉的控制精度也要进行进一步的提高，只靠单回路控制系统已经无法满足工艺生产的要求，加热炉的控制系统也就又单回路控制向更加复杂的回路控制发展。
1）、加热炉出口温度的控制：
加热炉出口温度直接影响加物料工艺参数及品质，是加热炉最重要的工艺参数。最简单的出口温度控制方法就是采用单回路的反馈控制（如图三），但该方法没有考虑燃料量变化、进料量及进料温度变化对出口温度的影响。因此，在单回路控制的基础上引入燃料流量控制，组成串级回路控制，控制燃料的进料波动，提高燃烧效率，稳定炉温。同时，串级控制系统也可以将出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力及进料变化引起的波动。
在燃料油作为燃料的系统中，通入一定的蒸汽使燃料成分雾化，可以提高燃烧效率。假如燃料油压力变化较大时，仅采用蒸汽压力控制不能确保燃料油得到良好的雾化，进行充分的燃烧造成燃料的浪费和温度波动。因此引入采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制或二者流量的比值控制能更好的控制燃料的燃烧和加热炉出口温度控制。
这样整个加热炉的出口温度控制回路就将出口温度控制、炉膛温度控制、燃料供给回路控制组合成串级、前馈、反馈、比值控制系统，从而组成一个比较复杂的控制回路，提高控制精度。
2）加热炉炉膛压力控制：
加热炉炉膛压力是加热炉控制回路的另一个重要的参数。炉膛压力过高时，炉膛向外喷火，导致大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也易烧坏炉子的钢结构，降低炉子的使用寿命，同时还会导致劳动环境的恶化，危及操作人员的安全；炉膛压力过低，会吸入大量的冷空气，漏风热损失和排烟热损失增大，同时会影响到炉管的氧化，降低炉管寿命。因此，炉膛压力的控制能保证加热炉最佳燃烧状态，保证加热炉的生产效率和稳定产出。
炉膛压力主要与进风量和引风量直接相关，目前多采用单变量控制加上送风量前馈调引风来进行控制（如图五）。 3）加热炉燃烧效率控制：
烟气含氧量是标志燃烧状况的重要参数，烟气含氧量的大小能反映出加热炉的燃烧情况，含氧量不足时，燃料燃烧不充分造成大量的燃料损失，烟气中CO等含量增加，对大气环境造成了危害；含氧量过大时，空气流动大造成烟气带走大量的热量，并导致空气中的N2在高温下与O2发生化学反应生成NOx，造成污染。因此控制烟气含氧量不仅可以提高加热炉的热效率，更有利用装置的环保、安全运行。
风机转速、炉膛温度、燃料量烟气含氧量有直接的影响。在控制氧含量回路中将燃料量的变化引入反馈控制回路，与风机转速、炉膛温度组成串级回路，可以很好的解决加热炉燃烧效率控制（如图六）。
3、复杂控制回路应用
但随着加热炉工艺技术进步，装备制造工艺的提高以及产能效率要求的最大化，导致对操作条件的要求更加严格，各种参数间的相关关系更加复杂，为适应生产发展的需要，产生了复杂控制系统。复杂控制系统就是在单回路控制系统的基础上，再增加计算、控制环节或者其他环节构成。以上控制回路是加热炉控制的重要基本控制回路，关系到整个装置的产品质量和运行效率，也都属于复杂控制系统。采用复杂控制对提高控制产品品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。通常复杂控制系统约占全部控制系统的10%，但对生产过程的贡献则达80%。
以乙烯裂解加热炉出口温度复杂控制为例，目前，每台乙烯裂解炉炉管并不是由单一一组炉管组成，一般会有6到8组炉管均匀分布在两个炉膛内，裂解炉的稳定运行要求每个炉管的温度要基本一致，不能超过某一限值。虽然炉管与炉膛的烧嘴在炉膛内进行均匀布置，但每条燃料支路与每条炉管进料并不总能保持平衡，一旦受到某一条件的影响就会产生炉管受热不均现象，导致不同炉管间温度偏差过大，对产品质量及产量都会产生重要影响。因此，要对炉口出口温度进行均衡控制，以多组炉管平均温度为基准，对每组炉管进料调节器的设定点进行再分配，使每组炉管出口温度与平均炉管出口温度之差最小，这样可避免各组炉管间进料流量出现较大的偏差。同时，当某组炉管进料量因温度均衡控制而改变后，可通过自动调整其他几组炉管进料量控制模块的设定值，将其改变的流量再分配到另外的炉管进料量中予以补偿。该复杂控制回路通过求和模块求出进料总量作为总通量控制器的过程变量值，通过与其设定值的比较，自动调整总进料量从而达到控制进料总量趋于不变的目的，以保证工艺产品产量和质量的要求。
4、结束语
不管加热炉控制回路的要求多高，多复杂，其重要控制回路都是对加热炉炉口温度、炉膛压力、物料流量、加热燃烧率等参数的控制。只要掌握了最基本的控制回路并加以组合利用，其控制参数的调整都能够得到很好的解决，保证加热炉正常、高效、平稳的运行。
【关键词】加热炉、温度、炉膛压力、燃烧效率、控制回路
【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0141-02
1、加热炉介绍
加热炉是工业生产中将物料或工件加热的设备，是工业中非常常见的加热设备，是利用燃料在炉膛内燃烧时产生高温火焰与烟气的热能加热炉管或传送带上物料、元件等，使其达到后续工艺过程所要求的温度或在炉管中进行化学反应。其普遍应用于石油、化工、冶金、机械、热处理、建材、材料、轻工、制药等诸多行业领域。
加热炉根据不同类型所分类也非常多，其中主要的分类为：
按热源划分有燃料加热炉（固体、液体、气体）、电能加热炉（电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉）；
按照炉子的作业方式分为：直接加热方式（焚烧炉、平炉、转炉等）；间接加热方式（辐射炉、感应炉等）；
按照结构及安装方式分为：圆筒炉、立式加热炉，卧式加热炉、大型方炉等；
按照用途分为：焚烧炉；物料加热炉；裂解炉；炼铁炉；轧钢锻造炉；热处理炉；水泥窑炉；陶瓷窑炉，玻璃窑炉等；
按燃烧方式分为：直火焰式、附墙火焰式、无焰燃烧式等；
按燃烧器布置方式分为：底烧、顶烧、侧烧、顶侧烧式等。
2、管式加热炉结构及控制原理
在石油化工领域，加热炉已经成为合成气、加氢裂化、加氢精制、乙烯裂解等生产过程中进行原料热处理、石脑油裂解、加氢转化反应等的重要设备，对整套产品装置的质量、效率、能耗及安全运转起着重要作用。根据石油化工领域工艺过程的特点及要求，这种加热炉主要以管式加热炉为主，石化装置加热炉炉管内流动的物料通常是高温、高压、易燃、易爆的烃类物质；被加热介质或物料易在炉管内结焦；炉膛温度和物料温度的控制要求高；加热方式以直接受火底烧式为主；主要燃料为易燃易爆的液体或气体燃料；危险性大；操作条件苛刻；并需要长周期连续运转。
本文以管式加热炉为例，重点介绍工业加热炉的出口温度、炉膛压力、燃烧效率等几个重要控制回路。
根据加热炉的结构可以看出，管式加热炉的主要结构由燃烧器、辐射室、炉管、对流室、余热回收系统及烟道系统组成。
根据工艺要求的不同，加热炉的工艺控制参数也有很大的不同，但总体来看，加热炉的主要控制回路包括炉膛温度控制，炉膛压力控制，炉管物料出口温度控制，物料流量控制，加热燃烧率控制等主要控制回路，如图二加热炉主要控制对象图。为了保证加热炉燃烧的温度、物料的加热温度、压力及流量等满足工艺产品的要求，加热炉的控制要求非常严格，随着自动化仪表及控制系统的发展，特别是PLC系统、DCS系统和总线系统等集成化、大型化工业控制系统的成熟应用，加热炉的自动控制系统也进一步得到提高和完善。但采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为当加热炉将工艺介质从加热到数百度甚至一千度以上时，加热炉的热负荷会很大。当燃料供给的压力或炉管中物料的热值有变化时，就会引起加热炉出口温度的明显变化。如只采用单回路控制，当加热量改变后，由于传递滞后及测量滞后较大，控制作用不及时，而使加热炉出口温度波动较大，导致无法满足工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于对炉出口温度要求不十分严格；对外来影响要求低，且不频繁；炉膛容量较小的加热炉系统。
随着石油化工产业的发展和深化，对加热炉的处理能力及处理精度要求也越来越高，也就要求加热炉的控制精度也要进行进一步的提高，只靠单回路控制系统已经无法满足工艺生产的要求，加热炉的控制系统也就又单回路控制向更加复杂的回路控制发展。
1）、加热炉出口温度的控制：
加热炉出口温度直接影响加物料工艺参数及品质，是加热炉最重要的工艺参数。最简单的出口温度控制方法就是采用单回路的反馈控制（如图三），但该方法没有考虑燃料量变化、进料量及进料温度变化对出口温度的影响。因此，在单回路控制的基础上引入燃料流量控制，组成串级回路控制，控制燃料的进料波动，提高燃烧效率，稳定炉温。同时，串级控制系统也可以将出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力及进料变化引起的波动。
在燃料油作为燃料的系统中，通入一定的蒸汽使燃料成分雾化，可以提高燃烧效率。假如燃料油压力变化较大时，仅采用蒸汽压力控制不能确保燃料油得到良好的雾化，进行充分的燃烧造成燃料的浪费和温度波动。因此引入采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制或二者流量的比值控制能更好的控制燃料的燃烧和加热炉出口温度控制。
这样整个加热炉的出口温度控制回路就将出口温度控制、炉膛温度控制、燃料供给回路控制组合成串级、前馈、反馈、比值控制系统，从而组成一个比较复杂的控制回路，提高控制精度。
2）加热炉炉膛压力控制：
加热炉炉膛压力是加热炉控制回路的另一个重要的参数。炉膛压力过高时，炉膛向外喷火，导致大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也易烧坏炉子的钢结构，降低炉子的使用寿命，同时还会导致劳动环境的恶化，危及操作人员的安全；炉膛压力过低，会吸入大量的冷空气，漏风热损失和排烟热损失增大，同时会影响到炉管的氧化，降低炉管寿命。因此，炉膛压力的控制能保证加热炉最佳燃烧状态，保证加热炉的生产效率和稳定产出。
炉膛压力主要与进风量和引风量直接相关，目前多采用单变量控制加上送风量前馈调引风来进行控制（如图五）。 3）加热炉燃烧效率控制：
烟气含氧量是标志燃烧状况的重要参数，烟气含氧量的大小能反映出加热炉的燃烧情况，含氧量不足时，燃料燃烧不充分造成大量的燃料损失，烟气中CO等含量增加，对大气环境造成了危害；含氧量过大时，空气流动大造成烟气带走大量的热量，并导致空气中的N2在高温下与O2发生化学反应生成NOx，造成污染。因此控制烟气含氧量不仅可以提高加热炉的热效率，更有利用装置的环保、安全运行。
风机转速、炉膛温度、燃料量烟气含氧量有直接的影响。在控制氧含量回路中将燃料量的变化引入反馈控制回路，与风机转速、炉膛温度组成串级回路，可以很好的解决加热炉燃烧效率控制（如图六）。
3、复杂控制回路应用
但随着加热炉工艺技术进步，装备制造工艺的提高以及产能效率要求的最大化，导致对操作条件的要求更加严格，各种参数间的相关关系更加复杂，为适应生产发展的需要，产生了复杂控制系统。复杂控制系统就是在单回路控制系统的基础上，再增加计算、控制环节或者其他环节构成。以上控制回路是加热炉控制的重要基本控制回路，关系到整个装置的产品质量和运行效率，也都属于复杂控制系统。采用复杂控制对提高控制产品品质，扩大自动化应用范围起着关键性作用。通常复杂控制系统约占全部控制系统的10%，但对生产过程的贡献则达80%。
以乙烯裂解加热炉出口温度复杂控制为例，目前，每台乙烯裂解炉炉管并不是由单一一组炉管组成，一般会有6到8组炉管均匀分布在两个炉膛内，裂解炉的稳定运行要求每个炉管的温度要基本一致，不能超过某一限值。虽然炉管与炉膛的烧嘴在炉膛内进行均匀布置，但每条燃料支路与每条炉管进料并不总能保持平衡，一旦受到某一条件的影响就会产生炉管受热不均现象，导致不同炉管间温度偏差过大，对产品质量及产量都会产生重要影响。因此，要对炉口出口温度进行均衡控制，以多组炉管平均温度为基准，对每组炉管进料调节器的设定点进行再分配，使每组炉管出口温度与平均炉管出口温度之差最小，这样可避免各组炉管间进料流量出现较大的偏差。同时，当某组炉管进料量因温度均衡控制而改变后，可通过自动调整其他几组炉管进料量控制模块的设定值，将其改变的流量再分配到另外的炉管进料量中予以补偿。该复杂控制回路通过求和模块求出进料总量作为总通量控制器的过程变量值，通过与其设定值的比较，自动调整总进料量从而达到控制进料总量趋于不变的目的，以保证工艺产品产量和质量的要求。
4、结束语
不管加热炉控制回路的要求多高，多复杂，其重要控制回路都是对加热炉炉口温度、炉膛压力、物料流量、加热燃烧率等参数的控制。只要掌握了最基本的控制回路并加以组合利用，其控制参数的调整都能够得到很好的解决，保证加热炉正常、高效、平稳的运行。