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解决方案
毕托巴;LECOS 燃烧优化系统在石油、石化加热炉上的应用

(一) LECOS 系统简述

开发团队

    LECOS 燃气燃烧优化系统是由来自美国加州州立大学、北京清华大学和台北大学的具有丰富节能行业经验的教授和博、硕士研发团队开发,该团队于2012 年由南京领军型人才引进计划(“321”计划)引进国内,是国内顶尖的工业控制和节能技术研发团队,具备根据用户的实际需求和现场工况条件自主设计和开发完全吻合用户要求的产品的能力。

功能特点

    LECOS 系统适用于各类燃气等烧设备,其模块化配置方案和自学习算法允许工业企业根据自身条件合理配置管理方案。

其功能特点包括:

◆ 针对不同类型应用的多种配置,适应不同运行模式如DCS、手动控制等;

◆  高精度参数实时测量和数据采集及管理功能;

◆  合适的人机交互方式;

◆  自学习快速寻优响应算法和灵敏控制实现最佳空燃比;

◆  集成多种燃烧控制程序和PID 负荷调节功能;

◆  燃烧效率和功率的监测和显示;

◆  阈值报警和旁路控制设计保障系统故障不会对生产造成影响;

◆  潜在故障诊断功能;

◆  历史数据追溯和报表功能。

系统构成

    LECOS 系统由LECOS 控制箱主机模块、燃烧设备运行参数监测模块、高精度风量计量模块、远端灵敏模块模块、主控DCS 和运行人员应用平台模块和数据管理追溯和报表功能模块构成。

    LECOS 主机模块是系统核心,基于高速计算内核芯片开发,集成了参数采集监测、响应算法和判断逻辑功能;

    燃烧设备运行参数模块根据用户需求配备高精度氧量传感器、风管压力测量、风管温度测量、燃料计量、烟气温度测量、烟气成分监测和其他参数测量传感设备;高精度风量计量模块由LEFM 系列防堵阵列式测量装置构成,用以解决锅炉中风量测量不确定性过大的问题;

    主控DCS 和运行人员应用平台提供LECOS 系统与运行管理系统的接口,并提供必要的报警和运行指导功能;

    数据管理追溯和报表功能模块用以对历史数据和实时数据进行管理、显示、存储和输出,满足工业企业对数据应用的需求。

(二) LECOS 燃烧优化实现方式

总体描述:

    通过负荷快速跟踪和燃料/风量精细控制,保证充分燃烧的同时降低过量空气系数,实现减少排烟热损失从而提高燃烧炉效率之目的。

预期目标:

    实现锅炉过量空气系数达到1.05 的目标。过量空气系数每降低0.1,燃烧烟气量降低6.5%,排烟热损失减少约0.6%,目前燃气锅炉过量空气系数通常为1.2 以上,LECOS 系统应用提高效率1%以上,具体效果视工况确定。

应用对象:

各类燃气锅炉

实现方式:

    LECOS 控制箱(微处理器控制板)+外围设备(燃气分析仪、氧化锆氧量传感器、燃气/风量流量计、压力传感器、温度传感器、快速响应执行机构)。

功能要素:

电子比调技术+仿人智能调节(自学习)。

调节逻辑(主):

LECOS 电子比调技术采用双子系统控制逻辑,包括负荷自动跟踪调节系统和烟气氧量调节系统,采用串级调节和寻优算法实现调节功能。

    (1) 负荷跟踪调节系统控制逻辑外环根据锅炉自带负荷仪表所给出信息(蒸汽压力或热水温度),结合流量等信息计算获得理论燃料量值,克服负荷扰动引起的目标值变化,将其控制在给定值;内环根据燃料分析仪(在线/阶段)采用给出的热值信息和燃料压力信息,根据炉膛温度调节控制,克服燃料波动造成的内扰动。

    (2) 烟气氧量调节系统外环根据燃料量乘空燃比获得理论空气量值,作为调节风量调阀或鼓风挡板的第一级目标值;内环根据炉膛在线氧量值进行调节,使烟气含氧量保持在给定值(设定烟气含氧量给定值和依据燃气成分设定空燃比)。

LECOS 仿人智能调节采用先进的自学习仿人智能控制算法,不依赖控制对象的数学模型而依照经验行为进行实时控制,在快速性、平稳性、鲁棒性等方面优于传统PID 控制。系统通过记录手动控制锅炉的操作过程参数如负荷、燃料、风量等,后通过数据挖掘技术进行自学习算法解析,获得最优控制行为并转化为后续运行控制依据

(三) LECOS 系统在油气田水套加热炉的应用

加热炉现状

    水套加热炉是油气田油气生产过程中不可缺少的加热设备,用于为油气田产品升温和集输系统的能量供给,通常使用天然气做为燃料,燃烧将水套中的水加热,后通过热水将油管道内的油品(或气)加热至指定温度。同时水套加热炉是油气田最大的自耗燃料设备之一,其效率的高低直接影响油气田生产的技术水平、节能减排和经济效益。

目前油田加热炉通常使用撬装式水套加热炉,燃烧方式多为负压燃烧(部分采用正压燃烧),即燃烧过程所需空气为自然进风,进风量通过手动设置风门挡板开度进行调节,燃料进气量通过进气阀门调节,调节目标为加热管前油品压力/温度和加热管后压力/油品温度。下图是典型的水套炉体结构。

    由于负压式燃烧不配备鼓风机,空气通过燃气形成的负压吸入,空气进风量难以精确控制、燃气与空气的混合程度不够等因素造成燃烧器炉膛火焰温度不高、辐射强度低,降低燃烧效率。燃气进气量高时进风量不足导致燃烧不充分,烟管温度低不仅导致与水套温差小造成换热效率降低,同时由于凝析水电化学腐蚀易造成烟火系统腐蚀穿孔,影响加热炉使用寿命;燃气进气量低时进风量过高又易造成过量空气系统过大,使得排烟温度上升,排烟热损失增加,增加燃料消耗量。加热炉的烟囱通常较高因而具有较强的抽力,所吸入的过多的过剩空气造成加热炉效率低的现象经常发生,在加热炉热负荷较小时影响更加严重。

目前油气田大部分水套炉的热效率不高,平均热效率仅为52%~60%,低效率意味着燃气消耗量高,影响生产成本的效益。

LECOS 系统应用方式

    LECOS 系统的应用目的是通过保证燃料充分燃烧的同时减少排烟烟气热损失,从而提高加热炉使用效率。

    在燃气质量比较好的情况下,手动进风调节的好时可以得到蓝色火焰,这是目前加热炉控制常采用的控制方式。但通常油田所用燃料气质量较差,故而难以采用以颜色作为标准的调节方法,操作人员通常需要观察声音和火焰总体情况后根据经验调节进风,导致过于依赖经验且控制水平存在差异。

LECOS 系统在加热炉加热管的进出口和壳体水浴设置温度传感器,使燃烧器根据所需的热负荷自动调节输出负荷从而调整燃气进气量;采用烟气氧量传感器监测烟气残余氧含量,控制空燃比,使燃料充分燃烧并减少烟气量和排烟热损失,提高燃烧器效率和降低燃料消耗。

针对不同的油气田水套加热炉现状,LECOS 提供不同应用方式:

(1) 对于负压燃烧水套加热炉,LECOS 配套快速灵敏操作模块允许在自然风进口侧实现风门自动控制,根据温度PID 控制实现燃气量需求自动计算并自动优化控制燃气进气量,通过烟气氧含量调整风门开度从而实现燃烧优化控制,根据运行经验,该方式可将过量空气控制到5%以内,实现天然气使用节约量5~15%。同时,LECOS 系统的自动配风控制模块允许用户通过增加鼓风机将负压燃烧炉实现正压燃烧以提高加热效率。

(2) 对于正压燃烧水套加热炉,由于加热炉自身配有鼓风机并带有一次风混合和二次风助燃,LECOS 系统通过温度PID 控制和燃气分析/空燃比控制实现加热炉自动负荷跟踪控制和自动燃烧最优化,减少运行人员操作压力并提高加热炉效率,根据运行经验,该方式可进一步实现天然气使用节约量3~8%。

    LECOS 允许根据目标用户的实际需求进行模块化配置,如选择配置燃气成分分析和温度控制实现自动控制优化功能、选择配置氧量传感器实现空燃比控制功能等。

    根据油气田水套加热炉的应用预估,应用LECOS 系统应用的投资回收期在1年以内,通常为6~8 个月。

(四) LECOS 系统配套ESA 燃气节能器

ESA 燃气节能器说明

    LECOS 系统配套应用ESA 多极燃料环保节能器由美国ACME 公司研发,使用多极合金棒镀层纳米催化剂形成高频共振磁场对燃料进气进行处理,通过细化燃料分子团提高燃气与空气的混合程度,进而实现提高燃气燃烧充分性、降低过剩空气系数、提高燃烧效率的目的。

    ESA 多极燃料环保节能器的运行操作非常简单,不需要人员或者仪器的即时监

控。设备安装在燃料管路减压阀与喷嘴前,燃料通过设备时,由于没有添加或取出任何物质,因此仅仅改变燃料的物理性质,使用时安装在每一个燃料喷嘴前需设置旁通管并安装阀门(维护保养时无需停机即可进行)。

水套加热炉配套应用

    水套加热炉应用LECOS 系统时,可配套使用ESA 多极燃料节能器,经过处理的燃气燃烧通过LECOS 自动控制系统实现最优化调节,可以进一步提高燃烧效率,燃气节约量可在LECOS 系统基础上保守估计可增加1~3%。

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