智能型空高檢測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

張塞

（中國石化北京燕山分公司，北京102500）

1 現(xiàn)狀及問題

延遲焦化是一種間歇-連續(xù)加工工藝，通常采用一個加熱爐和兩個焦炭塔的工藝路線，原料油通過一系列換熱并在加熱爐內(nèi)升溫后進(jìn)入焦炭塔，在焦炭塔中發(fā)生裂解和縮合反應(yīng)，裂解產(chǎn)生的輕烴和油氣進(jìn)入分餾塔，縮合產(chǎn)生的焦炭聚集在焦炭塔中，聚集到一定高度時利用水利除焦系統(tǒng)除焦[1-3]。為計算產(chǎn)量，同時有利于水力除焦時操作人員安全、快速、準(zhǔn)確的將鉆桿下降到合適位置，除焦前需測量焦炭塔內(nèi)空高。

目前，焦化裝置空高采用軟尺測量。除焦前打開頂蓋機(jī)，操作人員將帶有重錘的軟尺從上塔口扔進(jìn)塔內(nèi)，通過重物到底后的重量變化來判斷塔空高高度。頂蓋機(jī)打開后，大量高溫高壓蒸汽從上塔口噴涌而出，造成巨大的噪音污染，高溫冷凝水飛濺，容易造成燙傷。塔口周圍有害廢氣含量超標(biāo)，測量環(huán)境極其惡劣，存在極大的安全隱患。由于軟尺較輕，容易被噴出的高壓蒸汽吹起而影響結(jié)果準(zhǔn)確性[4-5]。如果測量誤差較大，鉆桿下降過多，與石油焦相撞，易損壞切焦器等除焦設(shè)備，造成不必要的損失。

2 開發(fā)智能型空高檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為提高操作安全性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，技術(shù)團(tuán)隊對焦炭塔空高測量原理和方式進(jìn)行創(chuàng)新性分析研究，提出總體設(shè)計思路和方案。系統(tǒng)分為機(jī)械、測量、控制三部分，控制部分控制機(jī)械部分動作，機(jī)械部分帶動測量部分進(jìn)行測量，結(jié)果反饋給控制部分，并上傳水力除焦系統(tǒng)。其中，機(jī)械部分采用自動旋轉(zhuǎn)方式，包括防爆底座、支撐機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臂和限位機(jī)構(gòu)；測量部分采用電磁波雷達(dá)式，包括傳感器吊箱[6]；控制部分包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和操作臺，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 機(jī)械部分設(shè)計

機(jī)械部分采用旋轉(zhuǎn)臂帶動測量部分移動實現(xiàn)測量裝置的回轉(zhuǎn)收放，如圖2 所示，旋轉(zhuǎn)臂的一端設(shè)有配重，用于平衡裝置。根據(jù)焦炭塔塔口及相關(guān)尺寸，確定旋轉(zhuǎn)臂長短和焦炭塔安全空高，通過控制旋轉(zhuǎn)臂長短和驅(qū)動電機(jī)停止位置，可將測量部分移動到旋轉(zhuǎn)臂最大范圍內(nèi)任意一點，滿足各種測量需求。焦炭塔相關(guān)測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果統(tǒng)計

圖2 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)

焦炭塔留有一定的安全空高，一般為塔頂切線離泡沫層頂部的距離，具體計算如式（1）所示[7]：

式中：H切為豎向載焦炭塔切線高度，m；G焦為焦炭塔生焦量，kg/h；T為生焦時間，h；ρ焦為焦炭密度，kg/m3；V錐為焦炭塔錐體體積，m3；D為焦炭塔直徑，m；H泡沫為泡沫層高度，m。

將表1中數(shù)據(jù)代入式（1）得H安全空高＝5.8 m。

2.3 測量部分設(shè)計

測量物料高度的技術(shù)有很多種，包括傳統(tǒng)尺子、激光式、雷達(dá)式等。在保證高效前提下，為滿足現(xiàn)場惡劣測量環(huán)境的要求，通過長期在焦炭塔九層現(xiàn)場測試，如圖3 所示，測量部分采用雷達(dá)式測量技術(shù)為最優(yōu)，該技術(shù)能夠在復(fù)雜環(huán)境中測量焦炭塔內(nèi)部焦炭層的平均高度。雷達(dá)式防干擾性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，測速快，且可實現(xiàn)非接觸測量，可靠性高[8-9]。測量部分探頭采用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射器及集束透鏡原理，盲區(qū)小，分辨率與精度高，波長短，固體反射特性好。

圖3 測量部分現(xiàn)場試驗

2.4 控制部分設(shè)計

控制部分包括驅(qū)動裝置和操作臺，驅(qū)動裝置由一臺電機(jī)和一臺行星減速機(jī)組成，操作臺部分設(shè)置有控制按鈕和顯示裝置。按下啟動按鈕后驅(qū)動裝置的旋轉(zhuǎn)臂自動向塔口旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)位置后自動停止，測量裝置自動測量并讀取數(shù)據(jù)回傳到顯示裝置，完成后停止測量，旋轉(zhuǎn)臂自動回轉(zhuǎn)到初始位置，完成一塔次的焦高測量。

3 系統(tǒng)工作原理

通過自動旋轉(zhuǎn)臂帶動傳感器到指定測量位置后傳感器自動測量，測量完成后傳感器回傳數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)臂帶動傳感器回移復(fù)位，如圖4 所示。整個測量全程自動化控制，一鍵測量，簡單、安全、迅速、準(zhǔn)確。天線波束角度小，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率與精度高，適應(yīng)各種工況。

圖4 系統(tǒng)工作原理

4 系統(tǒng)實際應(yīng)用

4.1 安裝

將控制部分中的驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在防爆底座內(nèi)部，支撐機(jī)構(gòu)上下表面均設(shè)有法蘭面，支撐機(jī)構(gòu)的下法蘭面和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的上法蘭面相連，旋轉(zhuǎn)臂的一端和支撐機(jī)構(gòu)的上法蘭面連接，均通過螺栓固定。傳感器吊箱和旋轉(zhuǎn)臂連接，組裝完成后安裝在焦炭塔A塔九層平臺上，最后連接內(nèi)部接線，將控制部分上RS485 接口通過Modbus 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議與水力除焦控制系統(tǒng)/DCS通訊連接。

安裝完成后操作人員可在操作臺操控設(shè)備控制空高測量并讀取測量數(shù)據(jù)，根據(jù)空高高度精確下鉆。

4.2 調(diào)試和應(yīng)用

安裝完成后對機(jī)械部分的限位擋板進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)臂所需旋轉(zhuǎn)范圍調(diào)整限位擋板于合適位置，分別確定停止位和測量位。旋轉(zhuǎn)臂在停止位時不妨礙現(xiàn)場日常操作和設(shè)備檢維修工作；旋轉(zhuǎn)臂在測量位時傳感器吊箱正處于塔口上方中心位置，若限位擋板位置調(diào)整出現(xiàn)偏差需斷電后重新調(diào)整。

限位設(shè)定好后控制部分通上電源，焦炭塔除焦前打開焦炭塔頂蓋機(jī)泄放塔內(nèi)蒸汽，同時將鉆桿提升至高于9 層平臺0.8 m 以上處。當(dāng)操作界面發(fā)出“測量”指令，“測量位”指示燈亮，系統(tǒng)開始自動測量。操作臺上顯示數(shù)值為空高的有效高度值，測量結(jié)束后系統(tǒng)自動控制測量旋臂回轉(zhuǎn)，此時“測量位”指示燈熄滅，“中間位”指示燈亮。旋轉(zhuǎn)臂回到停止位后，“停止位”指示燈亮，其他指示燈熄滅，測量結(jié)束。完成一次測量后系統(tǒng)重新回到待機(jī)狀態(tài)。

2021年7月智能空高檢測系統(tǒng)在焦炭塔A塔塔頂位置實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用，僅用1 分鐘就自動完成了對焦炭塔空高的測量，如圖5 所示。日常焦炭塔空高測量高度均大于安全空高高度，滿足焦炭塔日常生焦要求。測量焦炭塔空高的對比統(tǒng)計見表2，其中人工軟尺需要測量三次數(shù)據(jù)取均值，通過對比發(fā)現(xiàn)智能型空高測量系統(tǒng)與人工軟尺、機(jī)械結(jié)構(gòu)測量相比更加安全、高效、準(zhǔn)確。

表2 三種測量方式對比統(tǒng)計

圖5 現(xiàn)場實際應(yīng)用

5 結(jié)論

智能型空高檢測系統(tǒng)自2021 年7 月投用至今，運行正常，實現(xiàn)空高的全自動化測量，提升了延遲焦化裝置HSE 水平。測量數(shù)據(jù)自動回傳除焦系統(tǒng)，完成除焦鉆桿的自動定位，全程無需人力參與，更加安全智能。系統(tǒng)快速測量焦炭塔生焦高度，同時采用電磁波雷達(dá)液位計測量技術(shù)，大大減小測量誤差。該系統(tǒng)在焦炭塔上的成功應(yīng)用保障了焦炭塔長周期安全平穩(wěn)運行，也是設(shè)備智能化發(fā)展的重要體現(xiàn)[10]。未來如何將空高測量數(shù)據(jù)和智能抓斗抓焦數(shù)據(jù)結(jié)合保證智能配合，是未來焦炭塔系統(tǒng)設(shè)備發(fā)展方向之一。