石油化工空冷器泄露檢測裝置與系統(tǒng)的應用

劉金山，李艷，王樂闖，李桂其，姜海礁

（1.中國石油大慶石化有限責任公司，黑龍江大慶163000）

（2.中國石油吉林石化公司煉油廠加氫一車間，吉林吉林 132001）

（3.中國石油吉林石化公司培訓中心，吉林吉林 132001）

（4.中國石油吉林石化公司，吉林吉林 132001）

在我國整個能源結構體系中，石油化工能源占據的地位是不言而喻的，在提升人們生活質量，促進社會經濟發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用。石油資源開采后需要進行深加工后可以投入使用，隨著社會各領域的不斷發(fā)展，對石油產品質量和需求量要求在不斷提升。基于加氫裂化技術能顯著提升石油化工資源的質量，目前在全世界范圍內得以廣泛應用。在加氫裂化生產過程中，如果原油資源質量不達標，會導致加氫裂化裝置中的空氣冷卻器發(fā)生嚴重的腐蝕現象，最終出現泄漏問題，威脅生產過程的安全性。針對該問題，本文設計研究了石油化工加氫空冷器泄漏檢測裝置與系統(tǒng)，該裝置和系統(tǒng)在應用時效果較好，顯著提升了加氫裂化生產過程的可靠性和安全性，具有重要的實踐意義和安全價值。

1 加氫裂化裝置空冷器概述

對原油產品進行生產時的工藝和裝置都非常復雜，是一項系統(tǒng)的工程，尤其是各類管道數量非常多。管道特別容易出現泄露問題，對石油化工生產中的管道進行泄露檢測是一項相對較難的技術問題。本文以加氫裂化裝置空氣冷卻器為案例，型號為EC102，詳細介紹了空冷器的泄露檢測裝置。如圖1所示為EC102型加氫空冷器的現場圖片。

圖1 EC102型加氫空冷器的現場圖片

由圖可知，加氫空冷器由很多縱向排列的管道構成，管道內部的壓力通?？刂圃?5.8 MPa，內部流通的主要是可燃性氫氣氣體，一旦管道出現泄露問題，可燃性氣體就會泄露到空氣中。根據流體力學原理，高壓氣體在向外泄漏時，會在泄露口周圍產生一定頻率的超聲波，然后向四周傳播。根據上述的空冷器泄漏過程基本原理，可以利用超聲波檢測方法和氣體檢測方法對加氫空冷器的泄漏問題進行實時檢測。

2 泄露檢測裝置與系統(tǒng)的整體方案設計

如圖2所示為泄漏檢測裝置與系統(tǒng)的整體方案框圖。由圖可知，整個裝置可以劃分成為兩大部分，分別為傳感器節(jié)點部分和多傳感器匯聚網關部分。其中，傳感器節(jié)點部分主要包含兩類傳感器，分別為氣體傳感器和超聲波傳感器。利用氣體傳感器可以對空冷器周圍的可燃性氣體濃度進行檢測，利用超聲波傳感器可以對附近空氣中的超聲波傳播信號進行檢測。傳感器檢測得到的數據信息通過無線網絡實時傳輸到匯聚節(jié)點。

圖2 泄漏檢測裝置與系統(tǒng)的整體方案框圖

傳感器與匯聚節(jié)點之間通過ZigBee無線網絡通信技術實現信息交互。ZigBee無線網絡技術在工業(yè)領域有非常廣泛的應用，不僅設備成本低、功率消耗低，且整體運行穩(wěn)定，在100 m范圍內能夠實現數據的穩(wěn)定無線傳輸。匯聚節(jié)點將收集到的檢測數據信息傳輸到PLC控制器中，控制器對數據進行分析與處理，判斷是否存在氫氣泄漏問題。所有數據信息通過網絡接入到企業(yè)內部網絡中。同時通過LED顯示屏實時顯示檢測數據信息，以便工作人員實時查看相關情況。

3 泄露檢測裝置與系統(tǒng)關鍵部位的設計

3.1 傳感器節(jié)點選型

1）氣體傳感器。空冷器管道內部流通的是可燃性氣體，具有一定的爆炸性危險。結合實際情況選用的是催化燃燒式氣體傳感器，具體型號為TGS6812。該傳感器具很高的靈敏度，即便空氣中泄露氣體濃度很低，也可檢測出來。圖3所示為TGS6812氣體傳感器基本原理圖。由圖可知，傳感器中包含兩個素子C和D，其中C對可燃性氣體不靈敏，D對可燃性氣體比較靈敏，兩個數字構成了一個平衡電橋。如果空氣中沒有可燃性氣體，電橋兩側可以保持平衡狀態(tài)，一旦空氣中泄漏出了可燃性氣體，電橋會失去平衡，且傳感器根據電橋的不平衡程度，輸出一個信號。根據該信號大小計算空氣中泄露氣體的濃度。

圖3 TGS6812氣體傳感器基本原理圖

2）超聲波傳感器。本系統(tǒng)中選用的超聲波傳感器具體型號為TC40-A18，該傳感器具有很高的靈敏度，可以檢測的角度為95°，檢測距離可以達到6m?？紤]到傳感器可檢測角度只有95°，可以將4個傳感器沿不同方向布置，傳感器之間的角度為90°，經過組合后的4個傳感器可以對360°方向進行檢測。EC102型空冷器需要檢測的長度和寬度分別為21m和12m，通過6組傳感器即可實現空冷器的全覆蓋檢測。

3）多傳感器匯聚網關的設計

傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間通過ZigBee無線通信技術實現數據信息交互，匯聚節(jié)點是整個裝置和系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，無線網絡的建立與連接需通過該節(jié)點完成。傳感器檢測到的數據都需要匯集到該節(jié)點，并傳輸到PLC控制中。圖4所示為匯聚節(jié)點的工作流程圖。匯聚節(jié)點通電后開始工作，首先對硬件進行初始化處理，然后對協(xié)議棧進行初始化并開始建立ZigBee無線網絡。成功建立無線網絡后，匯聚節(jié)點會接收傳感器節(jié)點發(fā)出的請求，分析請求是入網請求還是數據傳輸請求，如果是入網請求則建立與傳感器之間的網絡連接，如果是數據信息傳輸請求，則將數據傳輸到PLC控制器中。

圖4 匯聚節(jié)點的工作流程圖

4 泄露檢測裝置與系統(tǒng)的應用研究

4.1 現場試驗測試

將設計的加氫空冷器泄漏檢測裝置與系統(tǒng)應用到石油化工生產實踐中。裝置安裝完成后，對其檢測性能開展了相關試驗工作。考慮到加氫空冷器正常工作時管道內部介質種類及其溫度基本不會出現明顯變化。即便管道出現小范圍泄露，也不會影響管道內部壓力大小，認為管道壓力保持恒定。根據有關理論可知，以上參數都固定時，如果空氣器管道出現泄露問題，則泄漏產生的聲壓等級也基本固定，管道內部壓力會影響聲壓等級大小。本次試驗中，人為在冷卻器管道中設置一個直徑為0.8mm的泄露孔，并在泄漏口附近1.5m左右安裝泄漏檢測裝置。經過試驗發(fā)現該裝置能夠快速檢測氣體的泄漏流量及泄漏過程中產生的聲壓等級。改變管道內部的壓力大小，獲得了管道壓力泄漏流量和聲壓等級之間的關系數據，如圖5所示為泄漏量與聲壓等級之間的關系曲線。試驗測試結果表明，該裝置可以準確并快速的檢測管道中出現的氣體泄漏問題。

圖5 泄漏量與聲壓等級之間的關系曲線

4.2 應用效果分析

泄漏檢測裝置與系統(tǒng)應用到工程實踐后，對其運行情況進行了連續(xù)3個月時間的監(jiān)測，結果發(fā)現該裝置整體運行良好，沒有出現明顯的故障問題，可以準確并快速的發(fā)現泄漏問題。泄漏檢測裝置與系統(tǒng)的成功實踐應用，顯著提升了加氫裂化裝置運行過程的安全性和穩(wěn)定性，達到了預期的效果，獲得了石油化工企業(yè)技術人員的一致好評，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益。

5 結論

石油化工領域的加氫裂化裝置空冷器中會使用大量的管道，然而石油化工運行環(huán)境復雜，很多介質容易對管道造成腐蝕，進而導致管道出現裂縫，發(fā)生氣體泄漏問題，給石油化工生產安全構成了嚴重威脅。本文主要基于超聲波檢測原理，設計研究了一種加氫空冷器泄漏檢測裝置與系統(tǒng)。經實踐測試發(fā)現，該系統(tǒng)可以快速并且準確的發(fā)現空冷器管道中出現的氣體泄漏問題，顯著提升了設備運行的安全性和可靠性，值得在本行業(yè)或者相近行業(yè)借鑒。