紅外在線溫度場檢測系統在乙烯裝置裂解爐中的應用

牛冠博,于世恒

(中石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

乙烯裂解主要在輻射段爐管內進行，該爐管位于爐膛中央，雙面經受高達1 200 ℃的高溫火焰輻射，是裝置中操作溫度最高的部位，輻射段爐管內的物料會產生結焦現象，使得爐管的管壁溫度上升，如果長時間超溫運行，爐管會發生蠕變、滲碳，甚至破裂等不同的失效形式，使裂解爐檢修頻繁，不僅生產成本增加，生產效率下降，還伴隨著較大的安全隱患。

常規爐管溫度檢測方法有人工測量和熱電偶測量。人工測量是通過手持式紅外測溫儀在現場檢測爐內溫度，特點是只能進行單點的測溫，無法做到連續和在線監測，容易漏測，出現問題不能及時發現。熱電偶測量是在爐內輻射段爐管壁采用埋入方式安裝測溫熱電偶，其特點是結構簡單，測量精度高，但因為采取的是接觸式測溫，熱電偶損壞率較高，維護頻繁、工作量大，一旦損壞只有停爐檢修方可更換，因無法及時更換所以常造成盲燒狀況；由于熱電偶只能做單點的測溫，并且位于管道的底部，所以不能有效監測裂解爐輻射段的溫度和最高溫度，無法進行科學有效的管理。

紅外在線溫度場檢測系統是近年興起的新型測溫技術，可以實現更廣泛的監視區域，包括： 爐內、爐壁、爐管和爐膛燃燒火焰等范圍，可在線非接觸式測溫，并分析溫度監測狀況。可以實現爐管狀況缺陷在線監測和實時安全評估，延長有效運行時間，減少停車的盲目性，從而大幅提高經濟效益，做到既安全又高效。

1 系統技術特點

紅外在線溫度場檢測系統的原理如圖1所示的普朗克黑體輻射定律，通過紅外探頭測量被監視物體的紅外輻射能量，計算并獲取被測物體的表面溫度。該系統具有測溫精準度高、圖像清晰、視野寬、檢測數據可網絡遠傳等特點，適用于石化、鋼鐵、電力、建材等行業加熱爐和加熱裝置的實時在線溫度檢測和分析。

圖1 黑體輻射在不同溫度下的頻譜示意

該系統運用紅外傳感技術實現對輻射段燃燒及爐管溫度場的在線實時監測，可以為裂解爐運行提供控制參數，預測爐管壽命和裂解爐的運行周期；具備火焰熄滅報警功能，一旦有火嘴熄滅及時提醒操作人員，避免裝置發生安全事故；具有聯網功能，可以接入公司辦公網，工藝人員可在辦公室內實時查看爐膛狀況；同時也充分考慮裝置運行環境，采用冷卻氣體外排方式，避免影響爐膛燃燒狀況和氧含量的提升，保障裝置運行不受影響。

2 系統結構及特點

紅外在線溫度場檢測系統主要有前端、傳輸、后端三部分組成。傳輸主要是依靠光纜和光端機實現，以下重點介紹前端和后端的結構和特點。

2.1 前 端

前端即防爆攝像儀，直接應用在裂解爐高溫環境，其安裝和保護尤為重要。防爆攝像儀由監測探頭、推進器和預埋件組成，監測探頭由高溫鏡頭、測溫探測器和外保護筒組成，測溫探測器放置在高溫鏡頭的后面，鏡頭成像的焦平面上。推進器的功能是推動測溫探頭進出爐膛，采用氣動方式工作，由裝置壓縮空氣作為動力源。

圖2所示的預埋件是作為推進器與爐壁中間的一個連接裝置，預埋件上的風門裝置在測溫探頭進出爐膛時自動開關，冷卻風管路設計成循環外排式，可以將經過預埋件的冷卻氣通過特殊設計的管路排到爐外，可以保證不破壞裂解爐的熱力學環境。

圖2 紅外在線溫度場檢測系統預埋件安裝示意

除此以外，前端還配有鏡頭風源保護模塊以及自動保護功能，一方面可以使鏡頭風更干凈，保護鏡頭長久運行，無需人為的排污；另一方面是探頭在冷卻風欠壓、內部超溫狀況下自動退出爐膛，為系統提供可靠的保護。

2.2 后 端

后端包括工控機和軟件，可通過系統軟件實現點測量、區域測量、報警輸出、歷史趨勢記錄等功能。

操作人員通過上位機可以及時、直觀了解裂解爐輻射段爐管和燃燒器工作狀態，應用專業圖像分析軟件，可以測量視場范圍內燃燒火焰、爐管、爐壁等的可視表面的溫度，并將實時溫度數據顯示出來，得到爐膛內溫度分布的準確情況。

通過設置高、低溫度預警范圍，一旦達到預警值即反饋報警信息，發出聲光或語音預報警信號，提示操作人員及時調整燃燒器燃燒狀況。

可在每個圖像上選擇32個區域測溫或整個面測溫，溫度直接顯示在區域框內，測溫數據保存在數據庫內，供歷史查閱。同一副圖內可以顯示8條溫度曲線，多個測溫圖像可以切換顯示曲線。

3 相較于傳統測溫方式的優勢

該系統自2015年3月在上海石化乙烯裝置裂解爐投運以來，運行穩定可靠，實現了裂解爐爐管溫度的在線測量、爐膛內工況可視化在線監視等功能。

3.1 爐管表面溫度可視化顯示與測量

該系統能夠準確測量爐管表面溫度，在中心控制室屏幕上實時顯示。通過在線測溫能準確實時顯示爐管的最高溫度、最低溫度、平均溫度，每根爐管的多點溫度監測，為優化裂解爐操作、利用爐管溫度變化曲線分析裂解爐運行周期，為延長裂解爐運行周期提供指導。

3.2 高清顯示爐膛圖像

該系統可對裂解爐內的全視場圖像高清顯示，實時了解裂解爐的工作狀況，如觀察爐管是否彎曲變形、燃燒器燃燒火焰是否正常等。還可對局部和個別爐管熱點監測報警，并有效監測爐管輕微泄漏與破裂故障。

3.3 數據分析優化工藝

該系統可實時存儲裂解爐輻射室的工況實時圖像、報警、溫度等數據，形成歷史數據庫，為今后爐管的故障分析、運行優化提供有利條件。一些工藝操作過程，可以利用可視化界面進行監控，通過對比測量結果，分析后可進行改進或優化，提升裂解爐熱效率，延長裝置運行周期。

3.4 分析爐管結焦狀態

裂解爐管內結焦是生產運行過程中最大的安全隱患，因為無法準確獲知管內的結焦厚度、結焦位置、結焦形態等，因此裂解爐長周期運行的難題一直無法解決。通過紅外在線溫度場檢測系統可以獲知爐管不同點位的溫升趨勢，通過對比可以直觀地判定出爐管內的結焦狀況，然后采取相應的措施。同時還可以利用該系統找出爐管表面最高熱點溫度，再結合管內流量、差壓、裂解爐出口溫度等信息，綜合判定出燒焦周期，化被動為主動，延長裂解爐運行周期，提升裂解爐運行效率。

3.5 燒焦過程跟蹤

燒焦不徹底造成的爐管結焦是生產過程中無法避免的，嚴重時會造成爐管堵塞。可以利用該系統的可視化功能跟蹤燒焦過程，通過熱點的移動來判斷爐管局部焦層的厚度，相應地采取提高蒸汽和氧氣含量，或提高燒焦溫度等措施，再根據溫度變化情況延長或縮短反應時間，這樣有針對性地跟蹤燒焦過程，相較于常規的燒焦程序可以達到更徹底、更干凈效果，從而提高爐管使用壽命和裝置運行效率。

3.6 配風的實時監測與控制

燃燒過程中，充分燃燒后的主要產物是H2O和CO2，而當燃料與空氣配比不當時則會產生大量的炭黑與顆粒。可以通過該系統實時監測燒嘴燃燒狀況，實時調整空/燃比，保持最佳燃燒狀態，提高熱效率，實現節能降耗。

4 系統應用中注意問題

4.1 設計選型

該系統一般為獨立系統，上位機為獨立的工控機，在選擇機型及操作臺時，盡量同中控室DCS保持一致。對于深入爐內高溫區可移動的攝像頭部分，更要對其結構、材質、密封、防爆等結合實際工況作深入探討。因為同DCS是分離的，所以只需考慮該系統的安全防護即可。

4.2 施工安裝

施工安裝應在廠家指導下，嚴格按技術要求施工，攝像頭部分屬于精密儀器，施工時應格外注意對攝像頭的保護。還應按防爆要求，注意對殼體及接線盒防爆面、密封圈、線纜匹配、接地等細節問題的施工處理。

4.3 維護管理

根據運行情況，上位機部分比較穩定，攝像頭部分有一定的維護工作量，應對連接部件定期巡檢、緊固、潤滑；保護氣體應關注潔凈度及冬季帶液問題。作為溫度測量儀表，攝像頭內置的紅外測溫儀應定期進行檢驗校準，這一點不能忽視。

5 結束語

該系統的性能和設備指標完全滿足裂解爐生產環境的要求，相當于在爐管上任意位置上都設置了熱電偶，為操作人員提供實時溫度數據、圖像數據、報警數據以及相應歷史數據。該系統穩定可靠，操作簡單，操作人員易學易用，同時利用該系統的數據分析功能，可以讓技術人員及時了解爐管的結焦趨勢，對工藝操作的優化與改進具有積極的指導作用，提高了裂解爐運行管理的水平。