乙烯裝置裂解爐爐管表面溫度紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果

齊明祿

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

1 紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)原理

2 溫度測(cè)量精度檢測(cè)與設(shè)備運(yùn)行情況

紅外測(cè)溫系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，對(duì)爐管表面溫度進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量，并與乙烯裝置日常所用測(cè)溫槍測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比。對(duì)比所用測(cè)溫槍為Raytek Raynger3I，型號(hào)：RAYR3I1MSC，使用波長1.6 m，溫度測(cè)溫范圍400～2000℃，距離系數(shù)比250∶1，測(cè)量精度0.5%。對(duì)比測(cè)量日期2016年7月17日和18日，測(cè)點(diǎn)位置包括爐體兩側(cè)和中間各位置，測(cè)點(diǎn)覆蓋爐膛內(nèi)各位置高溫管和低溫管，對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，橫坐標(biāo)表示測(cè)溫槍測(cè)量溫度，縱坐標(biāo)表示紅外測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量溫度，由圖可見：二者溫度測(cè)量結(jié)果一致性好，離散溫度點(diǎn)線性擬合斜率0.998，最大相差10℃，平均相差0.15℃， 標(biāo)準(zhǔn)差4.4，測(cè)溫范圍：956～1096℃，溫度測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。

2016年7月17日數(shù)據(jù)見表1～3。

表1 爐膛西側(cè)數(shù)據(jù)

表2 爐膛中間數(shù)據(jù)

表3 爐膛東側(cè)數(shù)據(jù)

2016年7月18日數(shù)據(jù)見表4～6。

表4 爐膛西側(cè)數(shù)據(jù)

表5 爐膛中間數(shù)據(jù)

表6 爐膛東側(cè)數(shù)據(jù)

圖1 測(cè)溫槍與紅外測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

自2016年7月17日設(shè)備調(diào)試完成正常運(yùn)行至2016年12月12日，共4個(gè)月零25天，設(shè)備運(yùn)行正常，溫度測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，可用于指導(dǎo)安全生產(chǎn)、優(yōu)化操作工藝、節(jié)能增效。

3 保障安全生產(chǎn)

乙烯裂解爐管爐管溫度安全監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)在乙烯裂解爐上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐管表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，超溫報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐管在整個(gè)運(yùn)行周期的溫度分布和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)等，保障裂解爐安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。

3.1 爐管表面溫度可視化顯示與測(cè)量

根據(jù)探測(cè)器像元所接收的目標(biāo)紅外輻射，計(jì)算爐管和爐壁表面溫度，實(shí)時(shí)顯示爐管爐壁表面溫度分布，可實(shí)時(shí)查詢爐管任意點(diǎn)處溫度，設(shè)定報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警。根據(jù)爐管表面溫度分布情況，有助于及時(shí)了解爐管表面溫度變化和燃燒波動(dòng)情況，提高裂解爐操作的精細(xì)化程度。

圖2 爐管表面溫度可視化顯示及分析

3.2 溫度報(bào)表輸出

在爐管任意部位設(shè)定虛擬熱電偶，直觀顯示溫度，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)高溫出口管溫度變化，可根據(jù)需要任意設(shè)置虛擬熱電偶位置，監(jiān)測(cè)需要重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，還可設(shè)定溫差閾值，實(shí)現(xiàn)溫差報(bào)警；定時(shí)輸出溫度報(bào)表和熱點(diǎn)溫度，并繪制每根爐管最高溫度柱狀圖和所有爐管熱點(diǎn)溫度(TMT)曲線圖(圖3、4)，有助于直觀掌控爐管實(shí)際運(yùn)行狀況，確保運(yùn)行安全。

圖3 每根爐管表面最高溫度

圖4 熱點(diǎn)溫度(TMT)變化趨勢(shì)圖

3.3 爐管運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析查詢

可查詢分析任意時(shí)間段內(nèi)溫度歷史數(shù)據(jù)和原始紅外圖像數(shù)據(jù)，有助于分析裂解爐溫度歷史變化，掌握運(yùn)行規(guī)律，診斷故障原因，促進(jìn)裂解爐運(yùn)行操作的優(yōu)化與改進(jìn)。

圖5 運(yùn)行周期數(shù)據(jù)及故障現(xiàn)象分析

圖6 運(yùn)行周期數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)分析

3.4 爐管結(jié)焦?fàn)顟B(tài)分析

管內(nèi)結(jié)焦是裂解爐運(yùn)行過程中的普遍現(xiàn)象，是最大的安全隱患，同時(shí)也是困擾裂解爐不能長周期運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)難題，結(jié)焦位置、結(jié)焦厚度、結(jié)焦形態(tài)等無法獲知。利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取爐管表面溫升情況，根據(jù)溫差信息直觀判定結(jié)焦位置、結(jié)焦厚度和結(jié)焦形態(tài)，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，提高裝置運(yùn)行效率。

圖7 爐管堵塞超溫與對(duì)應(yīng)COT溫度

3.5 運(yùn)行周期預(yù)測(cè)

將爐管與爐壁溫度分離，提取爐管表面溫度，獲取爐管表面最高熱點(diǎn)(TMT)溫度，根據(jù)熱點(diǎn)形態(tài)、大小、溫度高低結(jié)合管內(nèi)流量、壓差、COT溫度等信息綜合判定燒焦周期，延長裝置運(yùn)行時(shí)間，提高裝置利用率。左圖紅色標(biāo)記是熱點(diǎn)，右圖綠線是對(duì)應(yīng)熱點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)，粉色線是爐管整體溫度變化趨勢(shì)。

圖8 熱點(diǎn)位置、形態(tài)與相應(yīng)溫度變化，判斷運(yùn)行周期

4 優(yōu)化工藝過程

利用可視化界面及數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果可對(duì)一些工藝操作過程進(jìn)行有效的優(yōu)化和改進(jìn)，提高裝置利用率，延長裝置使用壽命，節(jié)能增效。

4.1 燒焦過程的優(yōu)化與改進(jìn)

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(duì)于堵塞較嚴(yán)重的爐管，若采用常規(guī)的燒焦程序更是難以達(dá)到徹底清焦的結(jié)果。

圖9 中間綠色點(diǎn)標(biāo)記爐管溫度高出相鄰爐管70多℃

圖10 燒焦后該爐管仍高出相鄰爐管17℃以上，燒焦不徹底

利用可視化技術(shù)連續(xù)追蹤燒焦過程(所有數(shù)據(jù)均來自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際連續(xù)采集過程)，如圖11～14所示。

圖11 入口管溫度高，出口管溫度相對(duì)較低，放熱反應(yīng)主要集中在入口管中下部

圖12 隨著燒焦進(jìn)程熱點(diǎn)由入口管底部向出口管轉(zhuǎn)移

圖13 熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移至出口管下部并逐漸上移至頂部

圖14 入口管通暢放熱反應(yīng)主要集中在出口管中上部進(jìn)行，隨后進(jìn)入下一燒焦工序

由燒焦過程可見，熱點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)程標(biāo)志著爐管由堵塞逐漸燒通的過程，但熱點(diǎn)過后局部溫度依然很高，表明爐管內(nèi)部雖然燒通但局部焦層還是很厚，放熱反應(yīng)仍然在劇烈的進(jìn)行中。因此，若能根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果適當(dāng)延長反應(yīng)時(shí)間，并相應(yīng)增加蒸汽和空氣含量，或適當(dāng)增加爐管燒焦溫度等措施，都可以使?fàn)t管燒焦更徹底、更干凈，進(jìn)一步提高爐管使用壽命和裝置運(yùn)行效率。

另外，實(shí)時(shí)溫度測(cè)量與控制還可保障爐管燒焦過程的安全性。

4.2 配風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

恰當(dāng)?shù)娜剂吓c空氣配比可以使燃燒過程接近理想狀態(tài)，主要產(chǎn)物是H2O和CO2，H2O和CO2在紅外波段有透射窗口，利用此窗口可以濾除煙氣使?fàn)t管爐壁清晰可見。而燃料與空氣配比不當(dāng)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生大量的炭黑與顆粒，影響紅外光透射效果，如圖15所示。

圖15 燒嘴局部配風(fēng)不好和整體配風(fēng)不好

因此，利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燒嘴燃燒狀況，調(diào)整燃料與空氣配比，使燃燒器始終運(yùn)行在最佳燃燒狀態(tài)，提高熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

4.3 爐管運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與改進(jìn)

爐管長期處于高溫燃燒環(huán)境中，且管內(nèi)時(shí)刻進(jìn)行著大量劇烈、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，因此，管內(nèi)不停的有熱蠕變應(yīng)力的產(chǎn)生和釋放，導(dǎo)致爐管在運(yùn)行過程中會(huì)有輕微的擺動(dòng)，但是如果連續(xù)擺動(dòng)幅度過大甚至扭絞在一起，就會(huì)給裝置的運(yùn)行過程帶來安全隱患。如圖16所示。

圖16 一個(gè)運(yùn)行周期中連續(xù)扭絞4～5次

由圖可見：這兩根爐管不僅扭絞幅度大且頻率高，超出正常熱蠕變應(yīng)力產(chǎn)生與釋放擺動(dòng)的程度，應(yīng)從設(shè)計(jì)、安裝、材質(zhì)及運(yùn)行負(fù)荷等方面綜合分析判斷，優(yōu)化改進(jìn)排除安全隱患，提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性與安全性。

應(yīng)用紅外測(cè)溫系統(tǒng)還可有效監(jiān)測(cè)爐管輕微泄漏與破裂故障！！

5 綜合經(jīng)濟(jì)效益

在保持裂解爐運(yùn)行條件不變的情況下，應(yīng)用本產(chǎn)品所產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，根據(jù)爐管表面溫度測(cè)量結(jié)果，調(diào)節(jié)燃燒強(qiáng)度使表面溫度分布更均勻，減少高溫?zé)狳c(diǎn)，減少管內(nèi)結(jié)焦和滲碳，消除安全隱患，保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期平穩(wěn)運(yùn)行，可為企業(yè)帶來極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益；其次，利用可視化技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)操作工藝，提高精細(xì)化操作水平，提高熱效率，減少污染物排放，延長燒焦周期和爐管使用壽命，不僅具有較高的社會(huì)效益還具有較大的直接經(jīng)濟(jì)效益。

直接經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5.1 長周期運(yùn)行所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益

以前6#裂解爐運(yùn)行周期一般在70 d以內(nèi)，使用紅外測(cè)溫系統(tǒng)以后最近一個(gè)周期的運(yùn)行周期是80 d，如清焦更徹底、運(yùn)行時(shí)爐管溫度分布更均勻，延長裝置運(yùn)行時(shí)間10%達(dá)到90 d燒焦周期是完全有保障的。以每年360 d每次燒焦2 d，可少燒焦1次多運(yùn)行2 d，按照現(xiàn)在每噸原料邊際效益1500元來計(jì)算(中韓石化提供)，由此帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益：

1500元×2 d×24 h×50 t/h=360萬元；

燒焦每小時(shí)平均耗費(fèi)2萬元：

2×24 h×2萬/h=96萬

合計(jì)：360萬+96萬=456萬

表7 裂解爐燒焦過程用量情況統(tǒng)計(jì)

5.2 燃燒器熱效率提高所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

燃?xì)庀氖且蚁┭b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，以燃燒更充分、溫度分布更均勻節(jié)能降耗0.3%計(jì)，裝置年平均運(yùn)行時(shí)間8000 h，每小時(shí)消耗天然氣7 t，天然氣每噸價(jià)格3300元，所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益：

7 t/h×8000 h/a×0.33萬/t×0.3% = 55.4萬元

總計(jì)：每年可實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益456萬+55.4萬=511.4萬。

6 結(jié)束語

裂解爐爐管表面溫度紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作簡單，可切換測(cè)溫各組爐管畫面，分別監(jiān)視爐內(nèi)爐管溫度，具有超溫報(bào)警功能，可使我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析爐管溫度異常造成可能爆管的安全隱患。

該系統(tǒng)可在爐管上任意設(shè)置虛擬熱電偶，導(dǎo)出溫度數(shù)據(jù)報(bào)表，以及爐管上的最高溫度變化趨勢(shì)，同時(shí)具有爐管溫差報(bào)警功能，對(duì)生產(chǎn)過程調(diào)整具有重要指導(dǎo)意義。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)我們及時(shí)了解爐管的結(jié)焦趨勢(shì)，定位爐管結(jié)焦嚴(yán)重區(qū)域有重要意義。通過分析可掌握爐管任意一點(diǎn)在某個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化，以及爐管上下溫度曲線，供生產(chǎn)參考。

運(yùn)行周期預(yù)測(cè)功能，可根據(jù)溫度數(shù)據(jù)對(duì)本生產(chǎn)周期的燒焦時(shí)機(jī)作出預(yù)測(cè)，并與選定的某周期溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，供我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中參考，為安全運(yùn)行和延長燒焦周期積累經(jīng)驗(yàn)。

該測(cè)溫探頭還可以監(jiān)視爐膛內(nèi)燃燒器燃燒情況，爐管振動(dòng)、泄漏等，讓主操和技術(shù)人員能及時(shí)了解爐膛內(nèi)實(shí)際情況，對(duì)調(diào)整燃燒器、避免發(fā)生重大安全事故具有重大意義。

該系統(tǒng)經(jīng)長期運(yùn)行比較，測(cè)溫精度滿足生產(chǎn)需求，可取代人工對(duì)裂解爐爐管溫度的監(jiān)測(cè)。為我們改善工藝和保持安全、穩(wěn)定、長周期生產(chǎn)運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

綜上所述，裂解爐爐管溫度安全監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)在我單位的實(shí)施使用，在乙烯裂解爐的工藝操作、設(shè)備運(yùn)行等各方面均取得了理想效果，不僅可以保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，對(duì)裂解爐操作工藝的優(yōu)化與改進(jìn)還具有積極的促進(jìn)作用。同時(shí)，還具有較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目實(shí)施后1年內(nèi)便可收回投資成本，故建議推廣應(yīng)用！