爐膛監(jiān)控系統(tǒng)在裂解爐上的應(yīng)用

周 春

(中國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)

在裂解爐日常運行監(jiān)控中，測溫主要依賴人工測溫槍，故對溫度場整體分布狀況無法測量，導(dǎo)致無法實現(xiàn)操作過程的精細化控制。裂解爐紅外監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)爐內(nèi)工況監(jiān)視及運行狀態(tài)監(jiān)測，對實時監(jiān)視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監(jiān)測爐管結(jié)焦狀況、指導(dǎo)裂解爐安全運行均具有重要的實用價值，能產(chǎn)生較大的社會和經(jīng)濟效益。

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；溫度過高又會加快二次反應(yīng)速度，加速碳化及結(jié)焦。由于缺少準確、穩(wěn)定、可靠的檢測手段，無法實現(xiàn)操作過程的精細化控制，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)窺式裂解爐運行狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)，可實現(xiàn)爐內(nèi)工況監(jiān)視及運行狀態(tài)監(jiān)測的特種產(chǎn)品，對實時監(jiān)視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監(jiān)測爐管結(jié)焦狀況、指導(dǎo)裂解爐安全運行均具有重要的實用價值；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行狀態(tài)；實時監(jiān)測燒嘴配風(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)實時監(jiān)測：防止火苗舔爐管、爐管撲火、過燒、燃燒負荷不均勻等引起的事故。

(2)安全預(yù)警：實時檢測爐管表面溫度，追蹤爐管表面溫度變化趨勢，對安全隱患提前預(yù)警，防止出現(xiàn)爐管堵塞、超溫、開裂、泄露、爆管等安全生產(chǎn)事故。

(3)燒焦監(jiān)測：燒焦過程中實時跟蹤熱點移動過程、監(jiān)測放熱反應(yīng)進程，防止爐管燒裂、燒穿、燒斷等安全生產(chǎn)事故。

(4)故障監(jiān)測與分析診斷：實時監(jiān)測裝置運行過程中的異常情況，通過歷史數(shù)據(jù)查詢、追蹤、分析，掌握運行規(guī)律，診斷故障原因。

1.2減少操作強度、提高精細化操控水平

(1)爐管表面溫度連續(xù)實時測量、記錄及報表導(dǎo)出，即可降低現(xiàn)場操作人員勞動強度，還可減少由于人為及其他因素帶來的測量結(jié)果不確定性。

(2)實時監(jiān)測燒嘴燃燒狀態(tài)，為燒嘴遠程調(diào)控提供依據(jù)，降低現(xiàn)場操作人員巡查及手動調(diào)節(jié)風(fēng)門的勞動強度。

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

(4)提高信息化水平，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測與分析，為管理人員提供遠程信息化監(jiān)管服務(wù)。

1.3提高燃燒效率

實時監(jiān)測燃燒器配風(fēng)狀態(tài)、計算燃燒效率，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員實時調(diào)整，特別是燃燒負荷變化和波動時，保持高效燃燒狀態(tài)。通過溫度實時監(jiān)測及時判斷爐管表面均熱狀況，為工藝調(diào)整、負荷變化、節(jié)能降耗提供可靠的依據(jù)。

1.4優(yōu)化燃燒控制

通過長時期的數(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；同時通過監(jiān)視燒嘴燃燒狀態(tài)、估算燃燒效率、計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

通過調(diào)整輻射率系數(shù)能對視場范圍內(nèi)的爐管、爐壁表面溫度進行實時檢測記錄，可為爐膛內(nèi)部空間溫度場的建立提供關(guān)鍵的邊界條件，構(gòu)建空間溫度場；同時，還可為空間溫度場定標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)部熱點移動過程，根據(jù)爐管表面溫度判斷焦層反應(yīng)進程，結(jié)合燒焦尾氣分析系統(tǒng)實時檢測燒焦尾氣中CO、CO2和O2體積分數(shù)，綜合判定燒焦狀態(tài)，控制燒焦進程，保證燒焦過程平穩(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)測與分析系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)對爐管表面溫度進行實時連續(xù)監(jiān)測，超溫報警，實現(xiàn)對爐管在整個運行周期的溫度分布和變化趨勢進行分析、預(yù)測等，保障裂解爐安全、穩(wěn)定、長周期運行。

(1)爐管表面溫度可視化顯示與測量

實時顯示爐管爐壁表面溫度分布，實時查詢爐管任意點處溫度，實現(xiàn)爐管表面溫度線分析和熱點實時跟蹤等。

(2)爐管趨勢線監(jiān)控

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

(3)溫度報警設(shè)置以及對應(yīng)溫度值顯示

該系統(tǒng)可以對溫度報警做相關(guān)設(shè)置，若溫度設(shè)置高報1 100 ℃，當某點溫度超過1 100 ℃時，則畫面該溫度點會閃爍報警，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，通過該功能，可以選取任意的時間段，對每組爐管的歷史溫度數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出。

(5)爐管結(jié)焦狀態(tài)分析

紅外測溫系統(tǒng)可直觀判定爐管結(jié)焦狀況，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，提高裝置運行效率。

2.2優(yōu)化工藝過程

利用紅外測溫系統(tǒng)可優(yōu)化和改進操作工藝過程，提高裝置利用率，延長裝置使用壽命，節(jié)能增效。

(1)燒焦過程的優(yōu)化與改進

燒焦過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程最常見和不可避免的現(xiàn)象，特別是對于堵塞較嚴重的爐管，若采用常規(guī)的燒焦程序更是難以達到徹底清焦的結(jié)果。

實時溫度測量與跟蹤可保障爐管燒焦過程的安全性。根據(jù)測量溫度適當延長反應(yīng)時間，或增加反應(yīng)溫度可使爐管燒焦更徹底、更干凈，進一步提高爐管使用壽命和裝置運行效率。

(2)燃燒器配風(fēng)的實時監(jiān)測與控制

利用紅外測溫系統(tǒng)可以實時監(jiān)測燒嘴燃燒狀況，調(diào)整燃料與空氣配比，使燃燒器始終運行在最佳燃燒狀態(tài)，提高熱效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

(3)人工測試與監(jiān)控對比

在應(yīng)用中，采用紅外槍人工測試的方法與監(jiān)控數(shù)據(jù)進行對比，選取了BA-2104第一組二程管的6組爐管，數(shù)據(jù)對比見表1。

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

3 爐膛監(jiān)控系統(tǒng)對經(jīng)濟效益的影響

3.1長周期運行所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益

某裂解裝置新區(qū)4臺裂解爐，老區(qū)10臺裂解爐，新區(qū)運行周期設(shè)計80 d，老區(qū)運行周期設(shè)計55 d。使用系統(tǒng)后可延長裂解爐運行時間10%，使新區(qū)單爐運行周期達到85 d，老區(qū)單爐運行周期達到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，平均每次燒焦時間為48 h，由此可帶來較為客觀的經(jīng)濟效益。

(1)新區(qū)裝置少燒焦1次產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益

按照燒焦期間稀釋蒸汽的用量、燃料氣的消耗同時扣除超高壓蒸汽的產(chǎn)出，每次燒焦的費用約為29.64萬元，4臺裂解爐可節(jié)約費用：29.64×4=118.56萬元。

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

按照燒焦期間稀釋蒸汽的用量、燃料氣的消耗同時扣除超高壓蒸汽的產(chǎn)出，每次燒焦的費用約為20.04萬元，10臺裂解爐可節(jié)約費用：20.04×10×1.5=300.6萬元。

新區(qū)和老區(qū)裝置每年可節(jié)約燒焦費用為：118.56+300.6=419.16萬元。

3.2燃燒器熱效率提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益

燃氣消耗是乙烯裝置的主要能耗之一，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，裝置年平均運行時間8 000 h，消耗甲烷氫新區(qū)25.5 t/h、老區(qū)30.4 t/h，甲烷氫的價格為0.259萬元/t，每年所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為：(25.5+30.4)×8 000×0.259×0.1%=115.8萬元。

3.3延長爐管使用壽命所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益

由于爐管堵塞超溫易導(dǎo)致爐管內(nèi)部二次反應(yīng)加劇，裂解深度加深，結(jié)焦更多，長時間運行在該狀態(tài)下會導(dǎo)致爐管損壞，不得不停爐維修或更換爐管，該項維修費用可達50萬～100萬元。

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)濟效益為：419.16+115.8=534.96萬元/年。

4 與傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能對比

紅外監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能比較見表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

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、長周期運行，對裂解爐操作工藝的優(yōu)化與改進具有積極的促進作用，同時還能產(chǎn)生較大的社會和經(jīng)濟效益。

[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的檢測及分析[J].熱能動力工程,2002，17(2):166-168.

[2] 衛(wèi)成業(yè)，王飛，馬增益，等.運用彩色CCD測量火焰溫度場的校正算法[J].中國電機工程學(xué)報,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)，嚴建華，商敏兒，等.基于爐內(nèi)火焰圖像的燃燒診斷[J].動力工程,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)測中的應(yīng)用[J].動力工程學(xué)報，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，高級工程師，從事煉油化工企業(yè)技術(shù)管理工作。