爐膛監(jiān)控系統(tǒng)在裂解爐上的應(yīng)用

周 春

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海200540)

爐膛監(jiān)控系統(tǒng)在裂解爐上的應(yīng)用

周 春

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海200540)

在裂解爐日常運(yùn)行監(jiān)控中，測(cè)溫主要依賴(lài)人工測(cè)溫槍?zhuān)蕦?duì)溫度場(chǎng)整體分布狀況無(wú)法測(cè)量，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的精細(xì)化控制。裂解爐紅外監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)工況監(jiān)視及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監(jiān)測(cè)爐管結(jié)焦?fàn)顩r、指導(dǎo)裂解爐安全運(yùn)行均具有重要的實(shí)用價(jià)值，能產(chǎn)生較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

裂解爐 紅外 監(jiān)控 應(yīng)用

裂解爐作為乙烯裝置的重點(diǎn)裝置，爐管溫度直接影響生產(chǎn)效率，反應(yīng)溫度低，原料轉(zhuǎn)化不完全，乙烯收率低，不利于提高產(chǎn)能；溫度過(guò)高又會(huì)加快二次反應(yīng)速度，加速碳化及結(jié)焦。由于缺少準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的檢測(cè)手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的精細(xì)化控制，導(dǎo)致裝置能耗大，能源利用率低，設(shè)備損耗大，生產(chǎn)效率低，特別是容易出現(xiàn)爐管堵塞、超溫、爆管等安全生產(chǎn)事故。

裂解爐紅外監(jiān)控是基于紅外輻射譜分析原理最新研發(fā)的內(nèi)窺式裂解爐運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)工況監(jiān)視及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特種產(chǎn)品，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監(jiān)測(cè)爐管結(jié)焦?fàn)顩r、指導(dǎo)裂解爐安全運(yùn)行均具有重要的實(shí)用價(jià)值；根據(jù)橫向溫度均勻性和縱向溫度梯度綜合診斷裂解爐運(yùn)行狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燒嘴配風(fēng)及燃燒效率，最大限度的降低燃料消耗及污染物排放；還可降低爐管高溫氧化和滲碳程度，提高爐管的使用壽命[1]。

1 裂解爐紅外監(jiān)控的特性

1.1提高安全性

(1)燃燒狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：防止火苗舔爐管、爐管撲火、過(guò)燒、燃燒負(fù)荷不均勻等引起的事故。

(2)安全預(yù)警：實(shí)時(shí)檢測(cè)爐管表面溫度，追蹤爐管表面溫度變化趨勢(shì)，對(duì)安全隱患提前預(yù)警，防止出現(xiàn)爐管堵塞、超溫、開(kāi)裂、泄露、爆管等安全生產(chǎn)事故。

(3)燒焦監(jiān)測(cè)：燒焦過(guò)程中實(shí)時(shí)跟蹤熱點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程、監(jiān)測(cè)放熱反應(yīng)進(jìn)程，防止?fàn)t管燒裂、燒穿、燒斷等安全生產(chǎn)事故。

(4)故障監(jiān)測(cè)與分析診斷：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行過(guò)程中的異常情況，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查詢、追蹤、分析，掌握運(yùn)行規(guī)律，診斷故障原因。

1.2減少操作強(qiáng)度、提高精細(xì)化操控水平

(1)爐管表面溫度連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄及報(bào)表導(dǎo)出，即可降低現(xiàn)場(chǎng)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，還可減少由于人為及其他因素帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果不確定性。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燒嘴燃燒狀態(tài)，為燒嘴遠(yuǎn)程調(diào)控提供依據(jù)，降低現(xiàn)場(chǎng)操作人員巡查及手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)裝置運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視與診斷，為精細(xì)化操控提供更豐富的參量和判斷依據(jù)，提高精細(xì)化操作水平。

(4)提高信息化水平，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與分析，為管理人員提供遠(yuǎn)程信息化監(jiān)管服務(wù)。

1.3提高燃燒效率

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒器配風(fēng)狀態(tài)、計(jì)算燃燒效率，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員實(shí)時(shí)調(diào)整，特別是燃燒負(fù)荷變化和波動(dòng)時(shí)，保持高效燃燒狀態(tài)。通過(guò)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)判斷爐管表面均熱狀況，為工藝調(diào)整、負(fù)荷變化、節(jié)能降耗提供可靠的依據(jù)。

1.4優(yōu)化燃燒控制

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的數(shù)據(jù)分析，可以全面掌握和了解爐膛的燃燒工況和爐管溫度狀況，為優(yōu)化工藝，提高產(chǎn)能提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)通過(guò)監(jiān)視燒嘴燃燒狀態(tài)、估算燃燒效率、計(jì)算橫向溫度均勻性和縱向溫度梯度等，為燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)提供直觀有效的診斷方法和手段，指導(dǎo)燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。

1.5建立空間溫度場(chǎng)

通過(guò)調(diào)整輻射率系數(shù)能對(duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)的爐管、爐壁表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄，可為爐膛內(nèi)部空間溫度場(chǎng)的建立提供關(guān)鍵的邊界條件，構(gòu)建空間溫度場(chǎng)；同時(shí)，還可為空間溫度場(chǎng)定標(biāo)提供有效的手段和方法[2]。

1.6可視化燒焦技術(shù)

在裂解爐燒焦期間，利用該系統(tǒng)可跟蹤爐管內(nèi)部熱點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程，根據(jù)爐管表面溫度判斷焦層反應(yīng)進(jìn)程，結(jié)合燒焦尾氣分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)燒焦尾氣中CO、CO2和O2體積分?jǐn)?shù)，綜合判定燒焦?fàn)顟B(tài)，控制燒焦進(jìn)程，保證燒焦過(guò)程平穩(wěn)、安全、快速、徹底[3]。

2 裂解爐紅外監(jiān)控的應(yīng)用情況[4-5]

2.1保障安全生產(chǎn)

乙烯裂解爐爐管溫度安全監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐管表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，超溫報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐管在整個(gè)運(yùn)行周期的溫度分布和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)等，保障裂解爐安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(1)爐管表面溫度可視化顯示與測(cè)量

實(shí)時(shí)顯示爐管爐壁表面溫度分布，實(shí)時(shí)查詢爐管任意點(diǎn)處溫度，實(shí)現(xiàn)爐管表面溫度線分析和熱點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤等。

(2)爐管趨勢(shì)線監(jiān)控

在系統(tǒng)中可以對(duì)單根爐管的某一段進(jìn)行溫度的測(cè)量，并以數(shù)據(jù)圖的形式進(jìn)行顯示。這個(gè)功能主要便于工藝人員對(duì)單根爐管溫度分布進(jìn)行分析。

(3)溫度報(bào)警設(shè)置以及對(duì)應(yīng)溫度值顯示

該系統(tǒng)可以對(duì)溫度報(bào)警做相關(guān)設(shè)置，若溫度設(shè)置高報(bào)1 100 ℃，當(dāng)某點(diǎn)溫度超過(guò)1 100 ℃時(shí)，則畫(huà)面該溫度點(diǎn)會(huì)閃爍報(bào)警，提示溫度超限。

(4)數(shù)據(jù)功能

具備歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)覽與導(dǎo)出功能，通過(guò)該功能，可以選取任意的時(shí)間段，對(duì)每組爐管的歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出。

(5)爐管結(jié)焦?fàn)顟B(tài)分析

紅外測(cè)溫系統(tǒng)可直觀判定爐管結(jié)焦?fàn)顩r，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，提高裝置運(yùn)行效率。

2.2優(yōu)化工藝過(guò)程

利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)可優(yōu)化和改進(jìn)操作工藝過(guò)程，提高裝置利用率，延長(zhǎng)裝置使用壽命，節(jié)能增效。

(1)燒焦過(guò)程的優(yōu)化與改進(jìn)

燒焦過(guò)程是爐管清焦的重要階段，但燒不盡和燒焦不徹底則是燒焦過(guò)程最常見(jiàn)和不可避免的現(xiàn)象，特別是對(duì)于堵塞較嚴(yán)重的爐管，若采用常規(guī)的燒焦程序更是難以達(dá)到徹底清焦的結(jié)果。

實(shí)時(shí)溫度測(cè)量與跟蹤可保障爐管燒焦過(guò)程的安全性。根據(jù)測(cè)量溫度適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，或增加反應(yīng)溫度可使?fàn)t管燒焦更徹底、更干凈，進(jìn)一步提高爐管使用壽命和裝置運(yùn)行效率。

(2)燃燒器配風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燒嘴燃燒狀況，調(diào)整燃料與空氣配比，使燃燒器始終運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)，提高熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

(3)人工測(cè)試與監(jiān)控對(duì)比

在應(yīng)用中，采用紅外槍人工測(cè)試的方法與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選取了BA-2104第一組二程管的6組爐管，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1可以看出：監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)溫比較接近，最大偏差僅有8 K，總體效果較好。

3 爐膛監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

3.1長(zhǎng)周期運(yùn)行所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

某裂解裝置新區(qū)4臺(tái)裂解爐，老區(qū)10臺(tái)裂解爐，新區(qū)運(yùn)行周期設(shè)計(jì)80 d，老區(qū)運(yùn)行周期設(shè)計(jì)55 d。使用系統(tǒng)后可延長(zhǎng)裂解爐運(yùn)行時(shí)間10%，使新區(qū)單爐運(yùn)行周期達(dá)到85 d，老區(qū)單爐運(yùn)行周期達(dá)到60 d，新區(qū)單爐每年可減少燒焦1次，老區(qū)裝置減少燒焦1.5次，平均每次燒焦時(shí)間為48 h，由此可帶來(lái)較為客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)新區(qū)裝置少燒焦1次產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

按照燒焦期間稀釋蒸汽的用量、燃料氣的消耗同時(shí)扣除超高壓蒸汽的產(chǎn)出，每次燒焦的費(fèi)用約為29.64萬(wàn)元，4臺(tái)裂解爐可節(jié)約費(fèi)用：29.64×4=118.56萬(wàn)元。

(2)老區(qū)裝置少燒焦1.5次產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

按照燒焦期間稀釋蒸汽的用量、燃料氣的消耗同時(shí)扣除超高壓蒸汽的產(chǎn)出，每次燒焦的費(fèi)用約為20.04萬(wàn)元，10臺(tái)裂解爐可節(jié)約費(fèi)用：20.04×10×1.5=300.6萬(wàn)元。

新區(qū)和老區(qū)裝置每年可節(jié)約燒焦費(fèi)用為：118.56+300.6=419.16萬(wàn)元。

3.2燃燒器熱效率提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

燃?xì)庀氖且蚁┭b置的主要能耗之一，節(jié)能降耗的主要方法就是提高熱效率，按燃燒器熱效率提高0.1%計(jì)，裝置年平均運(yùn)行時(shí)間8 000 h，消耗甲烷氫新區(qū)25.5 t/h、老區(qū)30.4 t/h，甲烷氫的價(jià)格為0.259萬(wàn)元/t，每年所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為：(25.5+30.4)×8 000×0.259×0.1%=115.8萬(wàn)元。

3.3延長(zhǎng)爐管使用壽命所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

由于爐管堵塞超溫易導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)部二次反應(yīng)加劇，裂解深度加深，結(jié)焦更多，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在該狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管損壞，不得不停爐維修或更換爐管，該項(xiàng)維修費(fèi)用可達(dá)50萬(wàn)～100萬(wàn)元。

綜上所述，采用爐膛監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的直接或間接的經(jīng)濟(jì)效益為：419.16+115.8=534.96萬(wàn)元/年。

4 與傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能對(duì)比

紅外監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能比較見(jiàn)表2。

表2 紅外監(jiān)控系統(tǒng)與普通監(jiān)控系統(tǒng)性能比較

5 結(jié)語(yǔ)

裂解爐爐膛紅外監(jiān)控系統(tǒng)的使用不僅可以保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，對(duì)裂解爐操作工藝的優(yōu)化與改進(jìn)具有積極的促進(jìn)作用，同時(shí)還能產(chǎn)生較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張師帥，周懷春，彭敏,等.基于火焰圖像處理的爐膛輻射能信號(hào)的檢測(cè)及分析[J].熱能動(dòng)力工程,2002，17(2):166-168.

[2] 衛(wèi)成業(yè)，王飛，馬增益，等.運(yùn)用彩色CCD測(cè)量火焰溫度場(chǎng)的校正算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000，20(1)：70-72.

[3] 王新軍.火焰可視化及燃燒智能診斷研究[D].杭州：浙江大學(xué),2002.

[4] 衛(wèi)成業(yè)，嚴(yán)建華，商敏兒，等.基于爐內(nèi)火焰圖像的燃燒診斷[J].動(dòng)力工程,2003，23(3)：2420-2427.

[5] 王式民，呂震中，麻庭光，等.圖像處理技術(shù)在全爐膛火焰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，1996(6)：68-72.

ApplicationofFurnaceMonitoringSysteminCrackingFurnace

Zhou Chun

(OlefinsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

In the daily operation monitoring of cracking furnace,it depends mainly on the temperature measurement with artificial temperature measuring gun,so the overall site temperature distribution situation cannot be measured,which results in failing of fine control on the operation process.The cracking furnace infrared monitoring system can realize the monitoring of operating conditions and running status of the furnace,which is of great practical value for monitoring the temperature change of the furnace tube in real time,controlling the surface temperature distribution of the furnace tube,monitoring the coking condition of the furnace tube,and guiding safe operation of the cracking furnace,and can bring great social and economic benefits.

cracking furnace,infrared,monitoring,application

1674-1099 (2017)05-0042-04

TK227

A

2017 - 08 - 18。

周春，女，1969年出生，1991年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系，高級(jí)工程師，從事煉油化工企業(yè)技術(shù)管理工作。