管式裂解爐爐管溫度監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)的應(yīng)用

王佳航

摘 要：傳統(tǒng)的爐管測(cè)溫方法無(wú)法實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確的反映爐管運(yùn)行情況，存在較大的檢測(cè)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(cè)及分析系統(tǒng)，本文主要介紹該系統(tǒng)在投用過(guò)程中的實(shí)施、改進(jìn)及投用后的運(yùn)行效果，并利用該系統(tǒng)對(duì)裂解爐爐管運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析。

關(guān)鍵詞：裂解爐；爐管表面溫度；在線監(jiān)測(cè)；運(yùn)行周期

引言

在石化領(lǐng)域，裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，裂解爐運(yùn)行正常與否不僅直接影響乙烯的產(chǎn)量和質(zhì)量，還關(guān)系到裂解爐的安全運(yùn)行。乙烯裂解反應(yīng)主要在輻射段爐管內(nèi)進(jìn)行，輻射段爐管位于裂解爐爐膛中央，雙面經(jīng)受高達(dá)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(yùn)行過(guò)程中，輻射段爐管內(nèi)物料會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，使得爐管管壁溫度上升，如果長(zhǎng)時(shí)間超溫運(yùn)行，爐管會(huì)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(guò)低，直接會(huì)使產(chǎn)品收率降低，同時(shí)浪費(fèi)原料。在極端情況下，溫度過(guò)高會(huì)造成爐管爆裂，被迫停產(chǎn)進(jìn)行爐管維修和更新，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此。能夠及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)輻射段爐管外表面溫度（TMT）至關(guān)重要。

一、裂解爐爐管TMT監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方式

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

（一）被測(cè)量點(diǎn)區(qū)域有限，部分區(qū)域存在盲區(qū)，不能真實(shí)反映爐管表面溫度的實(shí)際分布，難以了解爐膛內(nèi)入、出口爐管在正常運(yùn)行及燒焦時(shí)的實(shí)際情況，燃燒控制也就無(wú)法難以達(dá)到最佳效果[1]；

（二）每周對(duì)裂解爐全面測(cè)溫2-3次，不能實(shí)時(shí)對(duì)各爐管的運(yùn)行溫度進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的記錄、分析，對(duì)爐管的溫度變化趨勢(shì)難以全面地掌握，對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)發(fā)生爐膛襯里損壞等嚴(yán)重后果。

（四）從裂解爐長(zhǎng)周期角度考慮，不能根據(jù)爐管的結(jié)焦情況預(yù)測(cè)裂解爐的運(yùn)行周期。

二、爐管在線溫度監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)應(yīng)用

為能夠及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(cè)與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)由防爆型高溫紅外測(cè)溫?cái)z像儀、自動(dòng)回縮保護(hù)裝置、爐壁安裝套件、空氣過(guò)濾系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備箱、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。

（一）測(cè)溫原理

該系統(tǒng)以普朗克（Plank）黑體輻射定律為基礎(chǔ)，采用雙波長(zhǎng)成像比色測(cè)溫原理，集熱輻射技術(shù)、雙波長(zhǎng)比色測(cè)溫技術(shù)、紅外輻射檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理等多種技術(shù)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(duì)零度（-273.15℃），就會(huì)以電磁輻射的形式在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(qiáng)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(cè)溫只要能獲取被測(cè)物體在波長(zhǎng)λ時(shí)直接發(fā)射的輻射量，就能知道被測(cè)物體的溫度。紅外視頻測(cè)溫技術(shù)就是利用紅外熱成像技術(shù)感應(yīng)被測(cè)物體的輻射量，通過(guò)普朗克輻射定律來(lái)獲取被測(cè)物體的溫度。

3.比色測(cè)溫原理

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

（二）系統(tǒng)應(yīng)用情況及效果

EF-3120為USC-192U型輕質(zhì)液相裂解爐，輻射段分為A、B室。烴進(jìn)料為四路，其中第一、三路進(jìn)入A室進(jìn)行裂解，第二、四路進(jìn)入B室進(jìn)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(chǎng)安裝8套高溫紅外測(cè)溫?cái)z像儀及附屬設(shè)備。每套攝像儀對(duì)應(yīng)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(jié)焦程度及結(jié)焦過(guò)程

2018年12月10日，操作人員利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面檢查時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)二路3組4組第7號(hào)爐管溫度偏高，TMT達(dá)到1013℃，爐管出口管整體發(fā)亮，判斷是爐管堵塞，現(xiàn)場(chǎng)隨即采取措施進(jìn)行調(diào)整，降低該爐管TMT，避免了溫度繼續(xù)惡化及爐管損壞等風(fēng)險(xiǎn)，次日進(jìn)行燒焦。

通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析，該爐管TMT在10日3時(shí)為985℃，5：45迅速漲至1013℃，通過(guò)調(diào)整后溫度下降；此后在12時(shí)左右，現(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)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(guò)程，判斷燒焦效果

為利用系統(tǒng)對(duì)燒焦過(guò)程進(jìn)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(jìn)行對(duì)比。

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

（三）系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

1.測(cè)溫點(diǎn)偏移問(wèn)題

系統(tǒng)投用后，在EF-3120為便于觀察、測(cè)量爐管表面溫度，在輻射段爐管出口增加測(cè)溫線。運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)測(cè)溫點(diǎn)存在偏移現(xiàn)象。分析可能的原因：（1）高溫紅外測(cè)溫?cái)z像儀鏡頭卡扣松動(dòng)；（2）內(nèi)套筒漏氣引起整個(gè)套筒長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)相應(yīng)部位做緊固后，發(fā)現(xiàn)偏移問(wèn)題仍然存在。經(jīng)過(guò)與廠家溝通，建議增加自動(dòng)跟蹤功能，偏移問(wèn)題解決。

2.工業(yè)風(fēng)量過(guò)大問(wèn)題

系統(tǒng)設(shè)有耐高溫防護(hù)罩，防護(hù)罩配置有一套創(chuàng)新的強(qiáng)制渦旋冷卻系統(tǒng)，吹掃風(fēng)由光學(xué)鏡頭前的窺孔吹入爐膛，冷卻風(fēng)經(jīng)防護(hù)罩渦旋風(fēng)道強(qiáng)制循環(huán)冷卻后排除爐膛外，既提高了鏡頭倉(cāng)的冷卻效率，也減少了冷卻風(fēng)對(duì)加熱爐燃燒工藝的影響。其中吹掃風(fēng)對(duì)品質(zhì)要求高，選用裝置內(nèi)的儀表風(fēng)，設(shè)計(jì)25Nm3/h（每套）； 冷卻風(fēng)分為兩路，選用裝置內(nèi)的工業(yè)風(fēng)，設(shè)計(jì)為68 Nm3/h（每套）。

投用后發(fā)現(xiàn)，工業(yè)風(fēng)使用量偏大，經(jīng)過(guò)測(cè)量單套的工業(yè)風(fēng)使用量可達(dá)到100 Nm3/h，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，造成了浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)閥門限位及相關(guān)調(diào)整后，工業(yè)風(fēng)量降低至75Nm3/h（每套）。工業(yè)風(fēng)用量大大降低。

結(jié)論

E3裝置在EF-3120裂解爐增加爐管溫度安全監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)，投用后能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控爐管的TMT及運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂解爐爐管的運(yùn)行情況；利用溫度分析功能夠查看爐管TMT變化趨勢(shì)，便于預(yù)測(cè)裂解爐的運(yùn)行時(shí)間，利于裂解爐的燒焦優(yōu)化操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]爐管安全監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，袁柏峰，[J]，石油化工設(shè)備技術(shù)，2014，35（1），62。