管式裂解爐爐管溫度監(jiān)測及分析系統(tǒng)的應用

王佳航

摘 要：傳統(tǒng)的爐管測溫方法無法實時、全面、準確的反映爐管運行情況，存在較大的檢測盲區(qū)和安全隱患。在大慶石化公司E3裝置裂解爐增加爐管溫度安全監(jiān)測及分析系統(tǒng)，本文主要介紹該系統(tǒng)在投用過程中的實施、改進及投用后的運行效果，并利用該系統(tǒng)對裂解爐爐管運行狀態(tài)進行全面分析。

關鍵詞：裂解爐；爐管表面溫度；在線監(jiān)測；運行周期

引言

在石化領域，裂解爐是乙烯裝置的關鍵設備之一，裂解爐運行正常與否不僅直接影響乙烯的產(chǎn)量和質量，還關系到裂解爐的安全運行。乙烯裂解反應主要在輻射段爐管內進行，輻射段爐管位于裂解爐爐膛中央，雙面經(jīng)受高達1200℃的高溫火焰輻射，是乙烯裝置中操作溫度最高的部位。裂解爐在運行過程中，輻射段爐管內物料會產(chǎn)生結焦現(xiàn)象，使得爐管管壁溫度上升，如果長時間超溫運行，爐管會發(fā)生蠕變、滲碳，甚至破裂，使裂解爐檢修頻繁，生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)效率下降，而溫度過低，直接會使產(chǎn)品收率降低，同時浪費原料。在極端情況下，溫度過高會造成爐管爆裂，被迫停產(chǎn)進行爐管維修和更新，經(jīng)濟損失巨大。因此。能夠及時、準確監(jiān)測輻射段爐管外表面溫度（TMT）至關重要。

一、裂解爐爐管TMT監(jiān)測的傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)的測溫方法是采取人工測溫，利用便攜式紅外測溫槍定期從觀火孔測定爐管表面溫度，但這種方法存在一定局限性：

（一）被測量點區(qū)域有限，部分區(qū)域存在盲區(qū)，不能真實反映爐管表面溫度的實際分布，難以了解爐膛內入、出口爐管在正常運行及燒焦時的實際情況，燃燒控制也就無法難以達到最佳效果[1]；

（二）每周對裂解爐全面測溫2-3次，不能實時對各爐管的運行溫度進行全面而準確的記錄、分析，對爐管的溫度變化趨勢難以全面地掌握，對優(yōu)化操作工藝存在困難；

（三）從安全性角度考慮，一旦爐管發(fā)生泄漏、斷裂，若不能及時發(fā)現(xiàn)，可能會發(fā)生爐膛襯里損壞等嚴重后果。

（四）從裂解爐長周期角度考慮，不能根據(jù)爐管的結焦情況預測裂解爐的運行周期。

二、爐管在線溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)應用

為能夠及時、準確監(jiān)測輻射段爐管外表面溫度（TMT），E3裝置于2018年8月在EF-3120裂解爐安裝、投用爐管在線溫度監(jiān)測與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由防爆型高溫紅外測溫攝像儀、自動回縮保護裝置、爐壁安裝套件、空氣過濾系統(tǒng)和現(xiàn)場設備箱、圖像數(shù)據(jù)服務器等組成。

（一）測溫原理

該系統(tǒng)以普朗克（Plank）黑體輻射定律為基礎，采用雙波長成像比色測溫原理，集熱輻射技術、雙波長比色測溫技術、紅外輻射檢測技術、計算機圖像處理等多種技術研發(fā)而成。

1.溫度與光輻射的物理規(guī)律

自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度（-273.15℃），就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內發(fā)射能量，產(chǎn)生電磁波（輻射能） 。不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強度都不同。

2.普朗克輻射定律

普朗克輻射定律則給出了黑體輻射的具體譜分布，輻射測溫只要能獲取被測物體在波長λ時直接發(fā)射的輻射量，就能知道被測物體的溫度。紅外視頻測溫技術就是利用紅外熱成像技術感應被測物體的輻射量，通過普朗克輻射定律來獲取被測物體的溫度。

3.比色測溫原理

在紅外測溫技術應用中，由于存在光學成像系統(tǒng)和光電轉換器件，以及被測物體與紅外探測器之間存在的空間位置和距離的不同，因此對于采集的光譜輻射圖像必須考慮光學成像系統(tǒng)、光電轉換器件參數(shù)及空間位置的影響。如果在兩個波長下，同時測量到由物體同一點發(fā)出的光譜輻射亮度，則根據(jù)兩者的比值可得該點的溫度，就可以忽略探測器光譜響應、透鏡光譜透過率、濾光片透過率對測量精度的影響。同時解決了空間位置、角度與距離因素對測量的影響[1]。

（二）系統(tǒng)應用情況及效果

EF-3120為USC-192U型輕質液相裂解爐，輻射段分為A、B室。烴進料為四路，其中第一、三路進入A室進行裂解，第二、四路進入B室進行裂解。每路共有四組，每組包括12根U型管。根據(jù)EF-3120爐型及爐管分布情況，現(xiàn)場安裝8套高溫紅外測溫攝像儀及附屬設備。每套攝像儀對應兩組爐管，系統(tǒng)畫面中可完全顯示兩組爐管的出口管。

1.分析裂解爐管結焦程度及結焦過程

2018年12月10日，操作人員利用系統(tǒng)實時監(jiān)測畫面檢查時，及時發(fā)現(xiàn)二路3組4組第7號爐管溫度偏高，TMT達到1013℃，爐管出口管整體發(fā)亮，判斷是爐管堵塞，現(xiàn)場隨即采取措施進行調整，降低該爐管TMT，避免了溫度繼續(xù)惡化及爐管損壞等風險，次日進行燒焦。

通過歷史數(shù)據(jù)分析，該爐管TMT在10日3時為985℃，5：45迅速漲至1013℃，通過調整后溫度下降；此后在12時左右，現(xiàn)場采取對單根裂解爐增加蒸汽的方式，溫度再次上漲至最高1030℃，隨后下降975℃，并趨于平穩(wěn)。

2.跟蹤燒焦過程，判斷燒焦效果

為利用系統(tǒng)對燒焦過程進行優(yōu)化，以7#溫度探頭中11、12、13#爐管為例，選取2018年12月11-13日、2019年1月21-23日三次燒焦進行對比。

對比兩次燒焦，2018年12月11-13日期間，燒焦時間為36h，燒焦平均溫度為885℃2019年1月21-23日。經(jīng)過軟件分析對比后，在TMT不超過指標的情況下提高燒焦溫度，提升了燒焦效果，縮短了燒焦時間，2019年1月21-23日期間，焦時間為32h，燒焦平均溫度為900℃。

（三）系統(tǒng)優(yōu)化改進

1.測溫點偏移問題

系統(tǒng)投用后，在EF-3120為便于觀察、測量爐管表面溫度，在輻射段爐管出口增加測溫線。運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)測溫點存在偏移現(xiàn)象。分析可能的原因：（1）高溫紅外測溫攝像儀鏡頭卡扣松動；（2）內套筒漏氣引起整個套筒長時間振動。針對上述問題，對相應部位做緊固后，發(fā)現(xiàn)偏移問題仍然存在。經(jīng)過與廠家溝通，建議增加自動跟蹤功能，偏移問題解決。

2.工業(yè)風量過大問題

系統(tǒng)設有耐高溫防護罩，防護罩配置有一套創(chuàng)新的強制渦旋冷卻系統(tǒng)，吹掃風由光學鏡頭前的窺孔吹入爐膛，冷卻風經(jīng)防護罩渦旋風道強制循環(huán)冷卻后排除爐膛外，既提高了鏡頭倉的冷卻效率，也減少了冷卻風對加熱爐燃燒工藝的影響。其中吹掃風對品質要求高，選用裝置內的儀表風，設計25Nm3/h（每套）； 冷卻風分為兩路，選用裝置內的工業(yè)風，設計為68 Nm3/h（每套）。

投用后發(fā)現(xiàn)，工業(yè)風使用量偏大，經(jīng)過測量單套的工業(yè)風使用量可達到100 Nm3/h，遠大于設計值，造成了浪費。通過對閥門限位及相關調整后，工業(yè)風量降低至75Nm3/h（每套）。工業(yè)風用量大大降低。

結論

E3裝置在EF-3120裂解爐增加爐管溫度安全監(jiān)測及分析系統(tǒng)，投用后能夠實時監(jiān)控爐管的TMT及運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)裂解爐爐管的運行情況；利用溫度分析功能夠查看爐管TMT變化趨勢，便于預測裂解爐的運行時間，利于裂解爐的燒焦優(yōu)化操作。

參考文獻：

[1]爐管安全監(jiān)測與分析系統(tǒng)的研發(fā)和應用，袁柏峰，[J]，石油化工設備技術，2014，35（1），62。