爐膛監控系統在裂解爐上的應用

周 春

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海200540)

爐膛監控系統在裂解爐上的應用

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，導致無法實現操作過程的精細化控制。裂解爐紅外監控系統可實現爐內工況監視及運行狀態監測，對實時監視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監測爐管結焦狀況、指導裂解爐安全運行均具有重要的實用價值，能產生較大的社會和經濟效益。

裂解爐 紅外 監控 應用

裂解爐作為乙烯裝置的重點裝置，爐管溫度直接影響生產效率，反應溫度低，原料轉化不完全，乙烯收率低，不利于提高產能；溫度過高又會加快二次反應速度，加速碳化及結焦。由于缺少準確、穩定、可靠的檢測手段，無法實現操作過程的精細化控制，導致裝置能耗大，能源利用率低，設備損耗大，生產效率低，特別是容易出現爐管堵塞、超溫、爆管等安全生產事故。

裂解爐紅外監控是基于紅外輻射譜分析原理最新研發的內窺式裂解爐運行狀態監測與分析系統，可實現爐內工況監視及運行狀態監測的特種產品，對實時監視爐管溫度變化、掌控爐管表面溫度分布、監測爐管結焦狀況、指導裂解爐安全運行均具有重要的實用價值；根據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；實時監測燒嘴配風及燃燒效率，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 裂解爐紅外監控的特性

1.1提高安全性

(1)燃燒狀態實時監測：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，對安全隱患提前預警，防止出現爐管堵塞、超溫、開裂、泄露、爆管等安全生產事故。

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

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

1.2減少操作強度、提高精細化操控水平

(1)爐管表面溫度連續實時測量、記錄及報表導出，即可降低現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果不確定性。

(2)實時監測燒嘴燃燒狀態，為燒嘴遠程調控提供依據，降低現場操作人員巡查及手動調節風門的勞動強度。

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

(4)提高信息化水平，實現溫度數據遠程監測與分析，為管理人員提供遠程信息化監管服務。

1.3提高燃燒效率

實時監測燃燒器配風狀態、計算燃燒效率，指導現場操作人員實時調整，特別是燃燒負荷變化和波動時，保持高效燃燒狀態。通過溫度實時監測及時判斷爐管表面均熱狀況，為工藝調整、負荷變化、節能降耗提供可靠的依據。

1.4優化燃燒控制

通過長時期的數據分析，可以全面掌握和了解爐膛的燃燒工況和爐管溫度狀況，為優化工藝，提高產能提供技術和數據支撐；同時通過監視燒嘴燃燒狀態、估算燃燒效率、計算橫向溫度均勻性和縱向溫度梯度等，為燃燒優化控制系統提供直觀有效的診斷方法和手段，指導燃燒控制系統優化控制。

1.5建立空間溫度場

通過調整輻射率系數能對視場范圍內的爐管、爐壁表面溫度進行實時檢測記錄，可為爐膛內部空間溫度場的建立提供關鍵的邊界條件，構建空間溫度場；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

在裂解爐燒焦期間，利用該系統可跟蹤爐管內部熱點移動過程，根據爐管表面溫度判斷焦層反應進程，結合燒焦尾氣分析系統實時檢測燒焦尾氣中CO、CO2和O2體積分數，綜合判定燒焦狀態，控制燒焦進程，保證燒焦過程平穩、安全、快速、徹底[3]。

2 裂解爐紅外監控的應用情況[4-5]

2.1保障安全生產

乙烯裂解爐爐管溫度安全監測與分析系統的應用可以實現對爐管表面溫度進行實時連續監測，超溫報警，實現對爐管在整個運行周期的溫度分布和變化趨勢進行分析、預測等，保障裂解爐安全、穩定、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，實現爐管表面溫度線分析和熱點實時跟蹤等。

(2)爐管趨勢線監控

在系統中可以對單根爐管的某一段進行溫度的測量，并以數據圖的形式進行顯示。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)溫度報警設置以及對應溫度值顯示

該系統可以對溫度報警做相關設置，若溫度設置高報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)數據功能

具備歷史數據的數據預覽與導出功能，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據進行導出。

(5)爐管結焦狀態分析

紅外測溫系統可直觀判定爐管結焦狀況，采取相應的應對措施，提高裝置運行效率。

2.2優化工藝過程

利用紅外測溫系統可優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，節能增效。

(1)燒焦過程的優化與改進

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象，特別是對于堵塞較嚴重的爐管，若采用常規的燒焦程序更是難以達到徹底清焦的結果。

實時溫度測量與跟蹤可保障爐管燒焦過程的安全性。根據測量溫度適當延長反應時間，或增加反應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)燃燒器配風的實時監測與控制

利用紅外測溫系統可以實時監測燒嘴燃燒狀況，調整燃料與空氣配比，使燃燒器始終運行在最佳燃燒狀態，提高熱效率，實現節能降耗。

(3)人工測試與監控對比

在應用中，采用紅外槍人工測試的方法與監控數據進行對比，選取了BA-2104第一組二程管的6組爐管，數據對比見表1。

從表1可以看出：監控數據與實際測溫比較接近，最大偏差僅有8 K，總體效果較好。

3 爐膛監控系統對經濟效益的影響

3.1長周期運行所產生的直接經濟效益

某裂解裝置新區4臺裂解爐，老區10臺裂解爐，新區運行周期設計80 d，老區運行周期設計55 d。使用系統后可延長裂解爐運行時間10%，使新區單爐運行周期達到85 d，老區單爐運行周期達到60 d，新區單爐每年可減少燒焦1次，老區裝置減少燒焦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濟效益。

(1)新區裝置少燒焦1次產生的直接經濟效益

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出，每次燒焦的費用約為29.64萬元，4臺裂解爐可節約費用：29.64×4=118.56萬元。

(2)老區裝置少燒焦1.5次產生的直接經濟效益

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出，每次燒焦的費用約為20.04萬元，10臺裂解爐可節約費用：20.04×10×1.5=300.6萬元。

新區和老區裝置每年可節約燒焦費用為：118.56+300.6=419.16萬元。

3.2燃燒器熱效率提高所產生的經濟效益

燃氣消耗是乙烯裝置的主要能耗之一，節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25.5 t/h、老區30.4 t/h，甲烷氫的價格為0.259萬元/t，每年所產生的直接經濟效益為：(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生的經濟效益

由于爐管堵塞超溫易導致爐管內部二次反應加劇，裂解深度加深，結焦更多，長時間運行在該狀態下會導致爐管損壞，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，采用爐膛監控系統產生的直接或間接的經濟效益為：419.16+115.8=534.96萬元/年。

4 與傳統產品的性能對比

紅外監控系統與傳統產品的性能比較見表2。

表2 紅外監控系統與普通監控系統性能比較

5 結語

裂解爐爐膛紅外監控系統的使用不僅可以保障設備安全、穩定、長周期運行，對裂解爐操作工藝的優化與改進具有積極的促進作用，同時還能產生較大的社會和經濟效益。

[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] 衛成業，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,2002.

[4] 衛成業，嚴建華，商敏兒，等.基于爐內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.圖像處理技術在全爐膛火焰監測中的應用[J].動力工程學報，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年畢業于浙江大學化工系，高級工程師，從事煉油化工企業技術管理工作。