大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化變換預(yù)熱器運(yùn)行參數(shù)

趙曉君，劉衛(wèi)兵

(1.大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021012；2.大唐國(guó)際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070)

大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化變換預(yù)熱器運(yùn)行參數(shù)

趙曉君1，劉衛(wèi)兵2

(1.大唐呼倫貝爾化肥有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021012；2.大唐國(guó)際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070)

大唐呼倫貝爾化肥有限公司建設(shè)了世界上首套以褐煤水煤漿為氣化源頭的煤化工項(xiàng)目，開車以后出現(xiàn)一系列問(wèn)題，其中變換工段原料氣預(yù)熱器的結(jié)垢堵塞最為嚴(yán)重，制約著整個(gè)項(xiàng)目的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，給公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了損失。本文采用“大數(shù)據(jù)分析”的理念，對(duì)預(yù)熱器某一運(yùn)行周期內(nèi)的相關(guān)操作運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，篩選出導(dǎo)致積灰結(jié)垢的操作參數(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化，為后續(xù)裝置的運(yùn)行提供指導(dǎo)。

大數(shù)據(jù)分析；運(yùn)行參數(shù)；結(jié)垢；優(yōu)化

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.007

水煤漿氣化技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)最早，技術(shù)成熟度較高，采用褐煤作為原料的水煤漿氣化技術(shù)具有成本低廉、就近取材等較多的優(yōu)勢(shì)[1]。但目前應(yīng)用先例鮮有，大唐呼倫貝爾化肥有限公司(以下簡(jiǎn)稱“呼化公司”)當(dāng)屬世界首家。由于沒有前人經(jīng)驗(yàn)可借鑒，呼化公司開車至今，出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，其中變換工段原料氣預(yù)熱器(E0401)的結(jié)垢堵塞最為棘手，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行僅7 d，變換壓差就會(huì)由原來(lái)的0.1 MPa(g)漲至0.7 MPa(g)以上，整個(gè)裝置系統(tǒng)被迫停車處理，嚴(yán)重制約著整個(gè)項(xiàng)目的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，給公司的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了巨大的損失。為了解決這一制約系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的“瓶頸”問(wèn)題，近幾年來(lái)，呼化公司不斷尋求解決辦法，并對(duì)合成氣洗滌工段和變換工段做了部分技改，運(yùn)行周期由原7 d延長(zhǎng)至40 d，但仍不能滿足裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

本文將大數(shù)據(jù)分析的概念引入化工操作中，初步探索大數(shù)據(jù)在化工行業(yè)的應(yīng)用途徑，旨在通過(guò)采用大數(shù)據(jù)分析的理念[2]，對(duì)呼化公司變換預(yù)熱器(E0401)某一運(yùn)行周期內(nèi)的相關(guān)操作運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集、分析和歸納，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)采集的數(shù)十萬(wàn)個(gè)操作運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析[3]，篩選出影響積灰結(jié)垢的操作參數(shù)，以將預(yù)熱器(E0401)運(yùn)行周期延長(zhǎng)至90 d為目標(biāo)，對(duì)篩選出的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)后續(xù)運(yùn)行進(jìn)行指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)分析在化工行業(yè)應(yīng)用概況

眾所周知，隨著時(shí)代的發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析已從互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)。大數(shù)據(jù)就是將海量碎片化的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分析，并最終歸納、整理出企業(yè)需要的資訊[3]，具體來(lái)說(shuō)，大數(shù)據(jù)分析主要分為4步：采集、導(dǎo)入和預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)和分析以及挖掘。目前，大數(shù)據(jù)分析在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越多，2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主將看似不相干的大數(shù)據(jù)信息化處理方法應(yīng)用于化學(xué)研究中，開發(fā)出多尺度復(fù)雜化化學(xué)系統(tǒng)模型，翻開了化學(xué)史的“新篇章”；兗礦魯南化工有限公司氣化分廠將大數(shù)據(jù)積累和分析應(yīng)用于裝置日常運(yùn)行和操作人員培訓(xùn)中，成功實(shí)現(xiàn)氣化爐單爐年運(yùn)行開工率達(dá)97%以上的目標(biāo)；金陵石化在操作培訓(xùn)中巧用裝置的大數(shù)據(jù)尋求優(yōu)化措施，促進(jìn)了技術(shù)和操作兩個(gè)層面的生產(chǎn)優(yōu)化，提升了裝置經(jīng)濟(jì)效益[4]；吳凡等[5]將數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用于石油化工檢測(cè)中，為實(shí)際操作提供了理論依據(jù)；何燕等[6]利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)加強(qiáng)了石油化工產(chǎn)品及檢測(cè)設(shè)備的質(zhì)量監(jiān)督，提升了檢測(cè)人員的專業(yè)素質(zhì)，提高了檢驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)管力度；劉利麗[7]將乙烯生產(chǎn)裝置各工藝參數(shù)、儀表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了收集和梳理，利用大數(shù)據(jù)分析的方法對(duì)該裝置發(fā)生火災(zāi)的原因進(jìn)行了分析，并對(duì)做好化工裝置火災(zāi)的預(yù)防提供了指導(dǎo)意見；楊善升等[8]研究了數(shù)據(jù)挖掘在化學(xué)工業(yè)優(yōu)化中的應(yīng)用，認(rèn)為大量、多變的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，將是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的途徑。大數(shù)據(jù)分析在石油化工行業(yè)的成功應(yīng)用，尤其是在實(shí)際操作運(yùn)行中的應(yīng)用，將有效保障化工生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 運(yùn)行參數(shù)采集及分析

2.1 運(yùn)行參數(shù)采集

按照呼化公司的裝置流程設(shè)置，預(yù)熱器(E0401)前后裝置的流程見圖1。來(lái)自氣化裝置的粗煤氣經(jīng)洗滌塔清洗掉飛灰后進(jìn)入原料氣水分離器(D0401)分離掉部分水分，再進(jìn)入原料氣過(guò)濾器(D0408A/B)中過(guò)濾掉攜帶的部分飛灰，經(jīng)預(yù)變爐(R0403)除灰后進(jìn)入原料氣預(yù)熱器(E0401)的管程，該預(yù)熱器為逆流換熱，原料氣進(jìn)入E0401管程的入口時(shí)溫度為207～210 ℃，殼程提供熱源的氣體為一變爐(R0401)出來(lái)的溫度為400 ℃的變換氣，E0401殼程的出口溫度為300～310 ℃，經(jīng)預(yù)熱器(E0401)預(yù)熱后的原料氣進(jìn)入一變爐(R0401)中進(jìn)行變換反應(yīng)，而經(jīng)預(yù)熱器(E0401)殼程降溫后的變換氣進(jìn)入中壓廢熱鍋爐(E0402)產(chǎn)生中壓飽和蒸汽外送。

圖1 預(yù)熱器(E0401)前后裝置流程

根據(jù)上述預(yù)熱器(E0401)前后裝置的流程圖，并通過(guò)分析各操作參數(shù)對(duì)預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢的影響，本文采集了預(yù)熱器(E0401)某一運(yùn)行周期內(nèi)可能對(duì)其積灰結(jié)垢造成影響的操作參數(shù)。

2.2 運(yùn)行參數(shù)分析

以變換系統(tǒng)壓差的變化速率為橫軸、預(yù)熱器(E0401)相關(guān)操作運(yùn)行參數(shù)為縱軸，作操作運(yùn)行參數(shù)隨壓差變化速率的散點(diǎn)趨勢(shì)圖[9,10]，見圖2?？疾旄鞑僮鬟\(yùn)行參數(shù)對(duì)壓差變化速率的影響，本節(jié)中所述壓差變化速率定義如下：每小時(shí)變化壓差的變化量，單位為MPa/h。

圖2 粗煤氣總量影響趨勢(shì)

由圖2可見，隨著壓差變化速率的增大，粗煤氣總量基本不變化，并不是說(shuō)明粗煤氣總量的變化對(duì)壓差變化速率沒影響，而是說(shuō)明粗煤氣總量在預(yù)熱器(E0401)運(yùn)行周期內(nèi)操作較平穩(wěn)，其可控范圍內(nèi)的變化不是造成換熱器積灰積垢的影響因素。

對(duì)洗滌塔總水量隨壓差變化速率的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，總趨勢(shì)見圖3。

圖3 洗滌塔總水量影響趨勢(shì)

由圖3可見，隨著壓差變化速率的逐漸增加，洗滌塔總水量表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，這說(shuō)明，洗滌塔總水量的減少會(huì)加速預(yù)熱器(E0401)的積灰結(jié)垢速度。

對(duì)原料氣預(yù)熱器出口溫度隨壓差變化速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，形成的影響趨勢(shì)見圖4。

圖4 原料氣預(yù)熱器出口溫度影響趨勢(shì)

由圖4可見，隨著原料氣預(yù)熱器出口溫度的升高，壓差變化速率呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，也就是說(shuō)原料氣預(yù)熱器出口溫度較高時(shí)，換熱器積灰結(jié)垢的速度較快。

對(duì)氣化爐操作溫度和洗滌塔液位隨壓差變化速率的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，形成的影響趨勢(shì)見圖5。

圖5 氣化爐溫度和洗滌塔液位影響趨勢(shì)圖

由圖5可見，洗滌塔液位和氣化爐最高溫隨著壓差變化速率的變化，表現(xiàn)出比較平穩(wěn)的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，洗滌塔液位和氣化爐最高溫在正常運(yùn)行時(shí)操作參數(shù)變化不大，不是造成預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢的影響因素。

對(duì)進(jìn)入預(yù)熱器(E0401)的合成氣中水汽比隨壓差變化速率的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，形成的影響趨勢(shì)見圖6。

圖6 水汽比影響趨勢(shì)

由圖6可見，隨著壓差變化速率的增加，尤其是壓差速率變化前期，水汽比略有升高的趨勢(shì)，這說(shuō)明，水汽比高會(huì)加快換熱器的積灰積垢速度。

對(duì)氣化的原料源頭-水煤漿的濃度隨壓差速率的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，形成的影響趨勢(shì)見圖7。

圖7 水煤漿濃度影響趨勢(shì)

由圖7可見，隨著壓差變化速率的增大，煤漿平均濃度基本保持不變，這說(shuō)明車間對(duì)煤漿濃度的操作較平穩(wěn)，該參數(shù)在換熱器E0401運(yùn)行期間保持平穩(wěn)，排除該參數(shù)對(duì)換熱器E0401積灰堵塞的影響。

通過(guò)分析上述6個(gè)重點(diǎn)操作運(yùn)行參數(shù)對(duì)變換系統(tǒng)壓差變化速率的影響，梳理出實(shí)際對(duì)預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢有影響的操作運(yùn)行參數(shù)共3個(gè)，分別是水汽比、洗滌塔總水量(FI02017)和原料氣預(yù)熱器出口溫度(TI04007)。

3 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

為了更明顯地看出上述3個(gè)操作運(yùn)行參數(shù)對(duì)預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢的影響程度和趨勢(shì)，同時(shí)也為了更好地制定操作運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化范圍，指導(dǎo)和優(yōu)化后續(xù)操作運(yùn)行，將各操作運(yùn)行參數(shù)按天取平均值，壓差變化速率也調(diào)整為每天的壓差變化量，單位為 MPa/d。

圖8～10分別為水汽比天平均值、洗滌塔總水量天平均值和原料氣預(yù)熱器出口溫度天平均值對(duì)壓差變化率的影響，由圖可見，各參數(shù)對(duì)壓差變化速率的影響趨勢(shì)更加明晰，較高的水汽比、較低的洗滌塔總水量和較高的原料氣預(yù)熱器出口溫度均會(huì)加速預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢的速度。

圖8 水汽比天平均值對(duì)壓差變化速率的影響趨勢(shì)

圖9 洗滌塔總水量天平均值對(duì)壓差變化速率的影響趨勢(shì)

圖10 原料氣預(yù)熱器出口天平均溫度對(duì)壓差變化速率的影響

為了更有目的地優(yōu)化操作運(yùn)行參數(shù)范圍，降低操作運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)對(duì)預(yù)熱器(E0401)積灰結(jié)垢造成的不利影響，本文以預(yù)熱器(E0401)平穩(wěn)運(yùn)行90 d為目標(biāo)，變換壓差由0.1 MPa(g)增至0.8 MPa(g)為基準(zhǔn)，計(jì)算出天壓差變化速率應(yīng)保持在0.08 MPa/d以內(nèi)。按照天壓差變化速率為0.08 MPa/d的極限值，由圖8～10分別得出上述3個(gè)操作運(yùn)行參數(shù)的操作范圍，分別為：原料氣預(yù)熱器出口溫度(TI04007)≤280 ℃，洗滌塔總水量(FI02017)≥26 m3/h，水汽比≤1.15。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)大數(shù)據(jù)分析在化工裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化上的應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

(2)采用大數(shù)據(jù)分析理念得出的預(yù)熱器(E0401)操作運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，成功地指導(dǎo)了該裝置的優(yōu)化運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，在上述運(yùn)行參數(shù)操作范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，預(yù)熱器(E0401)順利實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行90 d的目標(biāo)。

(3)本文是數(shù)據(jù)分析在化工裝置優(yōu)化運(yùn)行中的初探研究，距離真正意義上的大數(shù)據(jù)分析還有一定的差距，將大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算機(jī)先進(jìn)技術(shù)與化工裝置優(yōu)化操作相結(jié)合，實(shí)時(shí)指導(dǎo)裝置運(yùn)行將是今后研究的重點(diǎn)。

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修改稿日期：2016-08-15

Study on Operational Parameters of Optimized Convertor with Large Data Analysis

ZHAO Xiao-jun1, LIU Wei-bing2

(1.DatangHulunBuirChemicalFertilizerCo.,Ltd.,HulunBuirInnerMongolia021012China; 2.DatangInternationalChemicalTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing100070China)

Hulun Buir Datang Chemical Co.Ltd.builds the world's first coal chemical project with water slurry of lignite coal as the gasification source.A series of problems have occurred after it was put into operation.Among these problems, the clogging of raw gas convertor in the transformation process is the most serious one, restricting the long time stable operation of the project, and bringing huge losses to the production and operation of the company.With the concept of “big data analysis”, this paper conducts a systematic analysis of relevant operating parameters in a certain running period of convertor to select the operating parameters of scaling and further optimize them, providing guidance for the subsequent operation of the plant.

big data analysis; operation parameters; scaling; optimization

趙曉君(1971年-)，男，吉林梅河口人，1994年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事煤化工凈化工藝管理等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.007

TQ 545

A

1004-8901(2016)06-0028-05