智能型空高檢測系統的開發和應用

張塞

（中國石化北京燕山分公司，北京102500）

1 現狀及問題

延遲焦化是一種間歇-連續加工工藝，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升溫后進入焦炭塔，在焦炭塔中發生裂解和縮合反應，裂解產生的輕烴和油氣進入分餾塔，縮合產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除焦[1-3]。為計算產量，同時有利于水力除焦時操作人員安全、快速、準確的將鉆桿下降到合適位置，除焦前需測量焦炭塔內空高。

目前，焦化裝置空高采用軟尺測量。除焦前打開頂蓋機，操作人員將帶有重錘的軟尺從上塔口扔進塔內，通過重物到底后的重量變化來判斷塔空高高度。頂蓋機打開后，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，測量環境極其惡劣，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果準確性[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備，造成不必要的損失。

2 開發智能型空高檢測系統

2.1 系統總體設計

為提高操作安全性和數據準確性，技術團隊對焦炭塔空高測量原理和方式進行創新性分析研究，提出總體設計思路和方案。系統分為機械、測量、控制三部分，控制部分控制機械部分動作，機械部分帶動測量部分進行測量，結果反饋給控制部分，并上傳水力除焦系統。其中，機械部分采用自動旋轉方式，包括防爆底座、支撐機構、旋轉臂和限位機構；測量部分采用電磁波雷達式，包括傳感器吊箱[6]；控制部分包括驅動機構和操作臺，如圖1所示。

圖1 系統架構

2.2 機械部分設計

機械部分采用旋轉臂帶動測量部分移動實現測量裝置的回轉收放，如圖2 所示，旋轉臂的一端設有配重，用于平衡裝置。根據焦炭塔塔口及相關尺寸，確定旋轉臂長短和焦炭塔安全空高，通過控制旋轉臂長短和驅動電機停止位置，可將測量部分移動到旋轉臂最大范圍內任意一點，滿足各種測量需求。焦炭塔相關測量結果如表1所示。

表1 測量結果統計

圖2 機械部分結構

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中數據代入式（1）得H安全空高＝5.8 m。

2.3 測量部分設計

測量物料高度的技術有很多種，包括傳統尺子、激光式、雷達式等。在保證高效前提下，為滿足現場惡劣測量環境的要求，通過長期在焦炭塔九層現場測試，如圖3 所示，測量部分采用雷達式測量技術為最優，該技術能夠在復雜環境中測量焦炭塔內部焦炭層的平均高度。雷達式防干擾性好，環境適應性強，測速快，且可實現非接觸測量，可靠性高[8-9]。測量部分探頭采用調頻連續波雷達發射器及集束透鏡原理，盲區小，分辨率與精度高，波長短，固體反射特性好。

圖3 測量部分現場試驗

2.4 控制部分設計

控制部分包括驅動裝置和操作臺，驅動裝置由一臺電機和一臺行星減速機組成，操作臺部分設置有控制按鈕和顯示裝置。按下啟動按鈕后驅動裝置的旋轉臂自動向塔口旋轉，旋轉到預設位置后自動停止，測量裝置自動測量并讀取數據回傳到顯示裝置，完成后停止測量，旋轉臂自動回轉到初始位置，完成一塔次的焦高測量。

3 系統工作原理

通過自動旋轉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據，旋轉臂帶動傳感器回移復位，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、準確。天線波束角度小，抗干擾能力強，分辨率與精度高，適應各種工況。

圖4 系統工作原理

4 系統實際應用

4.1 安裝

將控制部分中的驅動機構安裝在防爆底座內部，支撐機構上下表面均設有法蘭面，支撐機構的下法蘭面和驅動機構的上法蘭面相連，旋轉臂的一端和支撐機構的上法蘭面連接，均通過螺栓固定。傳感器吊箱和旋轉臂連接，組裝完成后安裝在焦炭塔A塔九層平臺上，最后連接內部接線，將控制部分上RS485 接口通過Modbus 標準通信協議與水力除焦控制系統/DCS通訊連接。

安裝完成后操作人員可在操作臺操控設備控制空高測量并讀取測量數據，根據空高高度精確下鉆。

4.2 調試和應用

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

限位設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泄放塔內蒸汽，同時將鉆桿提升至高于9 層平臺0.8 m 以上處。當操作界面發出“測量”指令，“測量位”指示燈亮，系統開始自動測量。操作臺上顯示數值為空高的有效高度值，測量結束后系統自動控制測量旋臂回轉，此時“測量位”指示燈熄滅，“中間位”指示燈亮。旋轉臂回到停止位后，“停止位”指示燈亮，其他指示燈熄滅，測量結束。完成一次測量后系統重新回到待機狀態。

2021年7月智能空高檢測系統在焦炭塔A塔塔頂位置實現現場應用，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計見表2，其中人工軟尺需要測量三次數據取均值，通過對比發現智能型空高測量系統與人工軟尺、機械結構測量相比更加安全、高效、準確。

表2 三種測量方式對比統計

圖5 現場實際應用

5 結論

智能型空高檢測系統自2021 年7 月投用至今，運行正常，實現空高的全自動化測量，提升了延遲焦化裝置HSE 水平。測量數據自動回傳除焦系統，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。系統快速測量焦炭塔生焦高度，同時采用電磁波雷達液位計測量技術，大大減小測量誤差。該系統在焦炭塔上的成功應用保障了焦炭塔長周期安全平穩運行，也是設備智能化發展的重要體現[10]。未來如何將空高測量數據和智能抓斗抓焦數據結合保證智能配合，是未來焦炭塔系統設備發展方向之一。