DE2736279C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Ofens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Bei Industrieöfen ist in den meisten Fällen eine Anordnung von Rohren vorhanden, die um eine oder mehrere Flammen gruppiert sind. Durch diese Rohranordnung strömt das Material bzw. der Stoff, der erhitzt und/oder verdampft werden soll. Hierbei handelt es sich häufig um eine Flüssigkeit, z. B. ein Öl oder ein Ölprodukt. Zusätzlich sind auch chemische Umwandlungen bei dem hindurchgeleiteten Stoff herbeiführbar. Als Beispiel ist das Spalten bzw. Cracken von Naphtha zur Erzeugung von Äthylen bekannt. Hierbei wird Wärme sowohl durch Strahlung als auch durch Konvektion übertragen.

Die Rohranordnung weist üblicherweise zwei oder mehr parallele Rohrschlangen auf. Das zugeführte Material wird auf die Rohrschlangen verteilt, und an den Enden der Rohrschlangen werden Materialströme wieder vereinigt. Die einzelnen Ströme können unabhängig voneinander mit Hilfe von Ventilen geregelt werden. Hierbei ist wichtig, eine solche Verteilung des Materials zu wählen, daß eine örtliche Überhitzung eines Rohrs und/oder des hindurchströmenden Materials vermieden wird.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Ofens und eine dazugehörige Vorrichtung sind aus der GB-PS 11 73 857 bekannt. Hierbei wird der zu erhitzende und/oder zu verdampfende Materialstrom auf mindestens zwei parallele Rohrschlangen verteilt, die Temperatur T _i des Materials am Ende jeder Rohrschlange gemessen und der Mittelwert

(wobei n die Zahl der parallelen Schlangen im Ofen bedeutet) berechnet wird, jede der Differenzen - T _i benutzt wird, um ein Signal zu erzeugen, mittels dessen der die betreffende Rohrschlange passierende Materialstrom so eingestellt wird, daß sich die betreffende Differenz - T _i verkleinert.

Eine Vorrichtung zum Durchführen dieses bekannten Verfahrens weist Geräte zum Messen der Temperatur des Materials am Ende jeder Rohrschlange, Geräte zum Messen des Materialdurchsatzes jeder Rohrschlange, Geräte zum Regeln des Materialdurchsatzes jeder Rohrschlange, ein Rechenelement zum Berechnen von

sowie von Δ T _i = - T _i für jede Rohrschlange, wobei das Rechenelement zu diesem Zweck an die genannten Temperaturmeßgeräte angeschlossen ist, auf. Des weiteren ist je ein Regler für jede Rohrschlange vorgesehen, wobei der Eingang jedes Reglers für den gemessenen Wert mit dem zugehörigen Temperaturmeßgerät verbunden ist und der Eingang für den Sollwert an den Ausgang des genannten Rechenelements für den entsprechenden Wert von Δ T _i angeschlossen ist, und die Ausgänge dieser Regler mit den zugehörigen Reglern für den Materialdurchsatz jeder Rohrschlange verbunden sind. Zum Messen der Temperatur des gesamten von dem Ofen abgegebenen Materialstroms ist ein weiteres Gerät vorgesehen sowie eine Einrichtung zum Regeln des dem Brenner des Ofens zugeführten Brennstoffstroms.

Obwohl das bekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung insgesamt befriedigend arbeiten, ist es erwünscht, die Wärmebelastung noch gleichmäßiger auf die Rohrschlangen zu verteilen, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu erlauben und die Lebensdauer des Ofens zu verlängern.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, so daß die Gefahr extremer Temperaturdifferenzen in den Rohrschlangen vermindert ist und daß gleichzeitig eine Reinigung der Rohrschlangen in größeren Zeitabständen erfolgen kann.

Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren und eine Vorrichtung sind mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird von den genannten Temperaturen T _i der höchste Wert T _{i max} gewählt, um mit Hilfe der Differenz T _{i max} - T _s , bei welcher T _s einen Sollwert bezeichnet, der in Beziehung zu der Temperatur T _o des den Ofen verlassenden gesamten Materialstroms steht, zur Erzeugung eines Signals zu verwenden, mittels dessen die Wärmeerzeugung in dem Ofen so eingestellt wird, daß sich die Differenz T _{i max} - T _s verkleinert.

Bei der Anwendung des vorstehend geschilderten erfindungsgemäßen Regelverfahrens bleibt der durch den Ofen geleitete gesamte Materialstrom nicht konstant. In manchen Fällen ist es jedoch wichtig, daß der Strom konstant gehalten wird, oder daß man in der Lage ist, ihn zu regeln. Dieser Forderung kann entsprochen werden, wenn man dafür sorgt, daß jedes Signal den Soll- oder Einstellwert für die Regelung des Materialstroms durch die betreffende Rohrschlange proportional zu der Differenz - T _i verstellt. Nunmehr bleibt der Gesamtmaterialstrom tatsächlich konstant, da die Summe der Abweichungen von (arithmetischen) Mittelwert

stets gleich Null ist, und weil daher die Summe der Veränderungen, die jeweils proportional zur Abweichung sind, ebenfalls gleich Null ist.

Weiterhin kommt es vor, daß mit einer variablen Versorgung des Ofens mit Material zu rechnen ist. Dies kann seinen Grund in einer nicht konstanten Zufuhr von Material, z. B. von einer anderen Anlage aus, oder in einem sich verändernden Bedarf bezüglich des Endprodukts des Ofens haben. In solchen Fällen wird gemäß der Erfindung für jede Rohrschlange das Verhältnis

berechnet, wobei C eine Konstante und F _s der Sollwert für den Gesamtdurchsatz des Ofens ist; das Verhältnis R _i wird zur Regelung des die betreffende Rohrschlange passierenden Materialstroms benutzt. Auf diese Weise erhält jede Rohrschlange ihren Anteil F _i des zugeführten Materialstroms, und gleichzeitig bleiben die Vorteile des erfindungsgemäßen Regelverfahrens erhalten. Für das Verhältnis R _i gilt:

Als Beispiel für Bedingungen, unter denen mit einem variablen zugeführten Materialstrom zu rechnen ist, sei der Fall genannt, daß ein zugeführter Flüssigkeitsstrom von einem Raum aus zugeführt wird, in dem eine vorbestimmte Standhöhe aufrechterhalten werden muß, z. B. vom unteren Ende einer Destillationskolonne. In diesem Fall kann man den Sollwert F _s aus der Standhöhe der Flüssigkeit ableiten. Ändert sich die Standhöhe der Flüssigkeit, wird der Wert F _s so verändert, daß die Standhöhe wieder ihren Sollwert annimmt.

Vorteilhaft ist es, die Differenz T _o - T _s zur Nichtlinearisierung der Regelung der Wärmeleistung des Ofens zu verwenden, indem man den proportionalen Regelfaktor und die integrale Wirkungszeit des Wärmeleistungsreglers vergrößert, sobald die genannte Differenz zunimmt. Diese Zunahme kann höchstens den Wert des Faktors 6 erreichen. Die Wirkung dieser Regelung besteht darin, daß die nach oben gerichteten Veränderungen von T _{i max} verringert werden.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren läßt sich mit Hilfe von Reglern bekannter Art in Verbindung mit speziellen Rechenelementen durchführen, die gegebenenfalls als elektronische Rechenelemente ausgebildet sein können. Es ist auch möglich, die gesamte Regelvorrichtung nach den Grundsätzen der direkten digitalen Regelung oder der Überwachungsregelung aufzubauen. Diese Alternative wird vorzugsweise bei großen Werken angewendet, wo sich bereits ein Digitalrechner oder mehrere Kleinrechner in Gebrauch befinden, z. B. zur Regelung des Betriebs anderer Teile der Anlage sowie für die Verarbeitung und Darstellung von Daten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1, 2 und 3 jeweils einen Ofen mit vier parallelen Rohrschlangen in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform;

Fig. 4 bis 8 graphische Darstellungen von Versuchsergebnissen.

Fig. 1 zeigt eine Flamme 1, die zum Erhitzen von Rohrschlangen 2, 3, 4 und 5 dient. Der Brennstoff zur Erzeugung der Flamme 1 wird über eine Leitung 6 zugeführt, und der Brennstoffstrom wird mittels eines Ventils 7 geregelt. Das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Material wird der Anlage über eine Leitung 8 zugeführt und mit Hilfe von Ventilen 9, 10, 11 und 12 auf die vier Rohrschlangen verteilt. Das gesammelte Material verläßt die Anlage über eine Leitung 50.

Den Rohrschlangen sind Temperaturmesser 13, 14, 15 und 16 sowie Durchflußmesser 17, 18, 19 und 20 zugeordnet. Die Durchflußmesser messen jeweils die Materialmenge, welche die betreffende Rohrschlange je Zeiteinheit durchströmt. Ein weiterer Durchflußmesser 21 mißt den über die Leitung 6 zugeführten Brennstoffstrom, und ein weiterer Temperaturmesser 22 mißt die Temperatur des von dem Ofen abgegebenen Materialstroms 50. Ein Temperaturregler 23 bestimmt den Sollwert für den Brennstoffstromregler 24. Durchflußregler 25, 26, 27 und 28 steuern die Ventile 9, 10, 11 und 12.

Die bis jetzt genannten Bezugszahlen bezeichnen in Fig. 2 und 3 entsprechende Elemente.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 werden die Signale der Temperaturmesser 13, 14, 15 und 16 einem Rechenelement 29 und einem Wähler 30 zugeführt. Das Rechenelement 29 berechnet den Mittelwert der gemessenen Temperaturen, d. h. im vorliegenden Fall

Der Mittelwert bildet den Sollwert für die Regler 31, 32, 33 und 34. In dem Regler 31 wird die Temperatur mit der Temperatur in der Rohrschlange 5 verglichen, die durch den Temperaturmesser 16 gemessen wird. Das Ausgangssignal des Reglers 31 bildet den Sollwert für den Durchflußregler 28. Dieser Teil der Regelvorrichtung ist bestrebt, die durch den Temperaturmesser 16 gemessene Temperatur mit der mittleren Temperatur abzugleichen. Entsprechendes gilt für die Regler 32, 33 und 34.

Aus den gemessenen Temperaturen der Rohrschlangen 2, 3, 4 und 5 wählt der Wähler 30 den höchsten Wert T _{i max} aus. In dem Regler 35 wird dieser höchste Wert mit einem Sollwert T _s verglichen, so daß ein Ausgangssignal entsteht, das den Sollwert für den Regler 23 bildet. Aus dem Vergleich mit der gemessenen Temperatur des abgegebenen Stroms 50 ergibt sich der Sollwert für den Durchflußregler 24, der den Brennstoffstrom 6 regelt. Die Temperatur des abgegebenen Stroms 50 folgt dem Sollwert für den Regler 24 zum Regeln des Brennstoffstroms. Somit wird die Temperatur des abgegebenen Stroms 50 durch den höchsten Wert T _{i max} bestimmt, der in einer Rohrschlange auftritt, wobei diese Temperatur den Sollwert T _s nicht überschreiten kann.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung hat das Rechenelement 36 die Aufgabe, die durch die Rohrschlangen 2, 3, 4 und 5 geleiteten Materialströme so zu regeln, daß der Gesamtstrom 8 bzw. 50 konstant bleibt, während natürlich die Aufgabe der Regler 25, 26, 27 und 28 zum Abgleichen jeder Temperatur T _i mit der mittleren Temperatur unverändert bleibt. Zu diesem Zweck werden die Signale der Temperaturmesser 13, 14 15 und 16 zu dem Rechenelement 36 übertragen, damit die mittlere Temperatur berechnet wird. Danach wird für jede Rohrschlange die Differenz - T _i ermittelt. Hierauf wird für jeden Durchflußregler 25, 26, 27 und 28 auf der Basis der Differenz - T _i ein Sollwert berechnet, der jetzt proportional zu dieser Differenz schrittweise vergrößert wird. In diesem Zusammenhang wird der Sollwert F _s für den gesamten Materialstrom 8 berücksichtigt, wie es in Fig. 2 durch den Pfeil 37 angedeutet ist. Das Rechenelement 38 erfüllt die Aufgabe des Wählers 30 und des Reglers 35 nach Fig. 1. Der Sollwert T _s ist in Fig. 2 durch den Pfeil 39 angedeutet. Somit regelt das Rechenelement 36 den gesamten durch die Rohrschlangen geleiteten Strom und den Abgleich zwischen den Strömen, während das Rechenelement 38 den Abgleich zwischen der Solltemperatur und der höchstzulässigen Temperatur regelt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher der zuzuführende Strom 8 dem unteren Teil einer Kolonne 41 mittels einer Pumpe 40 entnommen wird. Die Standhöhe der Flüssigkeit in der Kolonne 41 muß innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Um dies zu ermöglichen, sind ein Standhöhenmesser 42 und ein Regler 43 vorhanden. Das Ausgangssignal des Standhöhenreglers 43 wird Rechenelementen 44, 45, 46 und 47 zugeführt. Jedes dieser Rechenelemente berechnet das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal des Standhöhenreglers 43 und der Differenz - T _i , die für jede Rohrschlange durch das Rechenelement 48 berechnet wird. Somit wird die Flüssigkeitsmenge, deren Austreten aus der Kolonne 41 zugelassen wird, und die durch den Standhöhenregler 43 bestimmt wird, auf die verschiedenen Rohrschlangen 2 bis 5 verteilt. Außerdem berechnet auf der Basis des Sollwertes T _s (Pfeil 49) das Rechenelement 48 den Sollwert für den Regler 23 in der anhand von Fig. 2 bezüglich des Rechenelements 38 beschriebenen Weise.

Fig. 3 zeigt ferner ein Rechenelement 51, mittels dessen sich der proportionale Regelfaktor und die integrale Wirkungszeit des Reglers 23 auf die durch das Rechenelement 48 berechnete Differenz T _{i max} - T _s einstellen läßt.

Die vorstehend beschriebenen Regelverfahren lassen sich mit Hilfe von Reglern bekannter Art und speziellen Rechenelementen verwirklichen, wobei die Rechenelemente dazu dienen, z. B. ein Verhältnis, einen Mittelwert oder dergl. zu berechnen. Jedoch ist es auch möglich, für sämtliche Berechnungen einen Digitalrechner zu benutzen. Auch die Funktionen der Regler können vollständig von einem Digitalrechner übernommen werden.

Beispiel I

Öl wurde in einer Durchsatzmenge von etwa 3000 t/Tag durch einen Ofen mit vier Rohrschlangen geleitet. Die höchstzulässige Temperatur T _max betrug 390°C. Fig. 4A zeigt für eine willkürlich gewählte Zeitspanne von 120 min die Änderungen der Temperatur an den Enden jeder der Rohrschlangen 1, 2, 3 und 4 für den Fall, daß nur mit manueller Regelung gearbeitet wurde. Hierbei trat eine Streuung von etwa 11°C auf. Die Änderungen der Temperatur T _o des gesamten abgegebenen Materialstroms sind in Fig. 4B im gleichen Temperatur- und Zeitmaßstab dargestellt wie in Fig. 4A. Auch der Sollwert T _s ist angegeben. Wegen der starken Streuung mußte für T _s ein Wert von etwa 380°C gewählt werden, um die Gefahr zu vermeiden, daß die Temperatur irgendeiner Rohrschlange den Wert T _max überschritt.

Fig. 4C und 4D zeigen die Ergebnisse der Anwendung der Erfindung bei konstanter Ölzufuhr. Die Temperaturkurven für die Rohrschlangen 1, 2, 3 und 4 befinden sich jetzt in Deckung, und die Kurve für T _o ist mit jeder der Kurven für die vier Rohrschlangen identisch. Nunmehr kann man den Sollwert T _s so wählen, daß er viel weniger weit von T _max entfernt ist, d. h. man kann den Sollwert im Vergleich zur manuellen Regelung nach Fig. 4B entsprechend der Strecke a in Fig. 4D erhöhen.

Beispiel II

In diesem Fall wird die Wirkung der Veränderung des gesamten Öldurchsatzes für einen Ofen ähnlich demjenigen des Beispiels I dargestellt, bei dem die Regelung in der erfindungsgemäßen Weise erfolgt. Fig. 5A zeigt die Temperaturänderungen T _i und den Öldurchdatz F _i für die vier Rohrschlangen für den Fall der manuellen Regelung. Die Temperatur T _o des gesamten abgegebenen Stroms ist ebenfalls angegeben. Diese Temperatur T _o ist niedriger als jede der Temperaturen T _i , was auf eine Verdampfung zwischen den Punkten zurückzuführen ist, an denen T _i und T _o gemessen wurden. Die gestrichelte Linie T _s veranschaulicht den Sollwert der Temperatur T _o .

In Fig. 5B bezeichnet der Pfeil b den Zeitpunkt, in dem die gesamte Ölzufuhr um 292 t/Tag verringert wurde, und der Pfeil c bezeichnet den Zeitpunkt, in dem die Ölzufuhr um 292 t/d gesteigert wurde. Fig. 6A und 6B veranschaulichen die Wirkungen dieser schrittweisen Veränderungen für den Fall der Anwendung einer erfindungsgemäßen Regelung. Der anfängliche Störeinfluß auf die Temperaturen T _i und T _o wird offenbar schnell neutralisiert. Die relative Streuung bei den Temperaturen T _i ist sehr gering.

Beispiel III

Bei einem Ofen ähnlich dem gemäß dem Beispiel II benutzten wurde die Wirkung einer Nichtlinearität des Reglers für die Brennstoffzufuhr als Funktion der Differenz T _o - T _s (Regler 23 nach Fig. 3) gemessen.

Hierbei ergaben sich vier Fälle. Der Fall I gilt für die normale Einstellung des Reglers, der Fall II für eine Verdoppelung des proportionalen Regelfaktors und der integralen Wirkungszeit, der Fall III für den Faktor 4 und der Fall IV für den Faktor 6.

Fig. 7 zeigt die Änderungen der Temperaturen T _i , die bei allen vier Rohrschlangen jedesmal übereinstimmten, für die Fälle I bis IV, wobei die Differenz T _o - T _s den Wert 1°C überschritt. Fig. 8 veranschaulicht die jeweilige Stellung VP des Ventils 7 in der Brennstoffleitung nach Fig. 3.

Es zeigt sich, daß die Schwankungen der Temperaturen T _i mit zunehmendem Multiplikationsfaktor abnehmen. In Fig. 8 sind die Stellungen des Ventils 7 für die Fälle III und IV wiedergegeben. Bezüglich der Verringerung der Schwankungen der Brennstoffzufuhr erweist sich der Fall III als günstiger als der Fall IV.

Claims (7)

1. Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Ofens mit wenigstens zwei parallelen Rohrschlangen, auf welche ein zu erhitzender und/oder zu verdampfender Materialstrom verteilt wird, die Temperatur T _i des Materials am Ende jeder Rohrschlange gemessen und der Mittelwert (wobei n die Zahl der parallelen Schlangen im Ofen bedeutet) berechnet wird, jede der Differenzen - T _i benutzt wird, um ein Signal zu erzeugen, mittels dessen der die betreffende Rohrschlange passierende Materialstrom so eingestellt wird, daß sich die betreffende Differenz - T _i verkleinert, dadurch gekennzeichnet, daß von den genannten Temperaturen T _i der höchste Wert T _{i max} gewählt wird, um mit Hilfe der Differenz T _{i max} - T _s , bei welcher T _s einen Sollwert bezeichnet, der in Beziehung zu der Temperatur T _o des den Ofen verlassenden gesamten Materialstroms steht, zur Erzeugung eines Signals zu verwenden, mittels dessen die Wärmeerzeugung in dem Ofen so eingestellt wird, daß sich die Differenz T _{i max} - T _s verkleinert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der entsprechend einer der Differenzen - T _i erzeugte Signal veranlaßt wird, den Sollwert für die Regelung des Materialdurchsatzes der betreffenden Rohrschlange proportional zu der betreffenden Differenz - T _i zu verstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Rohrschlange das Verhältnis berechnet wird, wobei C eine Konstante ist und F _s den Sollwert des gesamten Materialdurchsatzes des Ofens bezeichnet, und daß das Verhältnis R _i zur Regelung des Materialdurchsatzes der betreffenden Rohrschlange verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Sollwert F _s für einen Flüssigkeitsstrom aus der Standhöhe der von einem Behälter aus zuzuführenden Flüssigkeit abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz T _o - T _s zur Nichtlinearisierung der Regelung der Wärmeleistung des Ofens benutzt wird, und zwar dadurch, daß bei einer Zunahme dieser Differenz der proportionale Regelfaktor vergrößert und die integrale Wirkungszeit der Wärmeleistungsregelung verlängert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vergrößerung bzw. Verlängerung höchstens dem Faktor 6 entspricht.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, mit Geräten (13, 14, 15, 16) zum Messen der Temperatur des Materials am Ende jeder Rohrschlange (2, 3, 4, 5) Geräten (17, 18, 19, 20) zum Messen des Materialdurchsatzes jeder Rohrschlange, Geräten (25, 26, 27, 28) zum Regeln des Materialdurchsatzes jeder Rohrschlange, einem Rechenelement (29) zum Berechnen von sowie von Δ T _i = - T _i für jede Rohrschlange, wobei das Rechenelement zu diesem Zweck an die genannten Temperaturmeßgeräte angeschlossen ist, je einem Regler (31, 32, 33, 34) für jede Rohrschlange, wobei der Eingang jedes Reglers für den gemessenen Wert mit dem zugehörigen Temperaturmeßgerät verbunden ist und wobei der Eingang für den Sollwert an den Ausgang des genannten Rechenelements für den entsprechenden Wert von Δ T _i angeschlossen ist, und die Ausgänge dieser Regler mit den zugehörigen Reglern für den Materialdurchsatz jeder Rohrschlange verbunden sind, einem Gerät (22) zum Messen der Temperatur des gesamten von dem Ofen abgegebenen Materialstroms (50), einer Einrichtung (24) zum Regeln des dem Brenner des Ofens zugeführten Brennstoffstroms, gekennzeichnet durch ein Rechenelement (48) zum Berechnen der Differenz T _{i max} - T _s , das mit den genannten Temperaturmeßgeräten verbunden ist, und durch einen Regler (23), dessen Eingang für den gemessenen Wert mit dem Gerät zum Messen der Temperatur des gesamten Materialstroms verbunden ist, dessen Eingang für den Sollwert an den Ausgang des Rechenelements zum Ermitteln der Differenz T _{i max} - T _s angeschlossen ist und dessen Ausgang mit dem Gerät zum Regeln des Brennstoffstroms verbunden ist.