新建裂解爐COT偏差大的原因分析及處理措施

作者簡(jiǎn)介：王曉博（1985-），助理工程師，從事乙烯裝置工藝管理的工作，wangxb.hnlh@sinopec.com。

引用本文：王曉博.新建裂解爐COT偏差大的原因分析及處理措施[J].化工機(jī)械，2024，51（2）：310-316;322.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402022

摘 要 針對(duì)新建裂解爐投料開(kāi)車(chē)后出現(xiàn)COT偏差大的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化COT控制方案、調(diào)整熱電偶安裝高度、落實(shí)施工質(zhì)量、更換熱電偶本體保溫等方式，對(duì)裂解爐貼壁式熱電偶進(jìn)行了整改優(yōu)化，最終達(dá)到操作要求。

關(guān)鍵詞 裂解爐 COT偏差 貼壁式熱電偶 保溫

中圖分類(lèi)號(hào) TQ052.6" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）02?0310?08

中國(guó)石化海南煉油化工有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海南煉化）年產(chǎn)百萬(wàn)噸乙烯裂解爐投料開(kāi)工后，各裂解爐爐管出口COT顯示偏差較大（最大偏差達(dá)105 ℃），導(dǎo)致操作時(shí)既無(wú)法準(zhǔn)確判斷各爐管的反應(yīng)溫度，也無(wú)法準(zhǔn)確控制反應(yīng)深度，對(duì)裝置的安全運(yùn)行和操作調(diào)整造成了巨大影響。通過(guò)對(duì)各影響因素進(jìn)行深入分析，找到解決措施，對(duì)保證乙烯裂解爐的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 裝置概況

海南煉化裂解爐采用中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司（SEI）和中國(guó)石化北京化工研究院合作開(kāi)發(fā)的CBL?R型裂解爐（H?001/002）和CBL?Ⅵ型裂解爐（H?003～008）。其中，H?001氣體爐A爐膛裂解氣經(jīng)一級(jí)線性急冷換熱器后進(jìn)入油急冷器;H?001氣體爐B爐膛和H?002氣體爐的急冷換熱器采用三級(jí)急冷，一級(jí)急冷采用線性急冷換熱器，二級(jí)急冷和三級(jí)急冷采用傳統(tǒng)固定管板換熱器;CBL?Ⅵ型裂解爐裂解氣經(jīng)一級(jí)線性急冷換熱器后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的油急冷器。所有裂解爐的供熱均采用全底部供熱方式。按8 000 h計(jì)，CBL?R型氣體裂解爐（H?001/002）的公稱(chēng)最大年產(chǎn)量為20萬(wàn)噸乙烯（以循環(huán)乙烷計(jì)）和15萬(wàn)噸乙烯（以丁烷計(jì)），CBL?Ⅵ型液體裂解爐公稱(chēng)年產(chǎn)量為15萬(wàn)噸乙烯（以石腦油計(jì)）。

裂解爐是乙烯裝置的“腦袋”，是乙烯裝置的耗能大戶(hù)，其能耗占裝置總能耗的50%～60%。裂解爐最主要的控制參數(shù)是輻射段爐管出口溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)COT控制，目的是控制原料的裂解深度，以確保目的產(chǎn)品收率能夠達(dá)到更高要求。COT溫度過(guò)高，會(huì)加速爐管結(jié)焦速度引起周期縮短甚至損壞爐管;溫度過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致裂解不充分，影響裂解深度，裝置能耗較高，所以對(duì)裂解爐平均COT溫度進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

裂解爐采用雙爐膛方案，CBL?R型裂解爐輻射段采用96根2?1?1?1爐管，CBL?Ⅵ型裂解爐輻射段采用144根1?1爐管。裂解爐每個(gè)爐膛有單獨(dú)的平均COT溫度控制器用于調(diào)節(jié)各自爐膛的底部燃料氣。每個(gè)爐膛有4組爐出口COT，每根爐管出口設(shè)有一個(gè)貼壁式熱電偶測(cè)量點(diǎn)和兩個(gè)插入式熱電偶點(diǎn)。乙烷爐和氣體爐6支貼壁式熱電偶測(cè)量值取平均后作為每組COT值;液體爐18支貼壁式熱電偶測(cè)量值取平均后作為每組COT值。每個(gè)爐膛4組溫度測(cè)量的平均值作為爐膛COT值。該爐膛每組爐管的COT與本爐膛的總平均COT的差值是溫差控制器的輸入。兩個(gè)爐膛的平均COT可以單獨(dú)控制。每個(gè)爐膛的平均爐出口溫度COT用于控制本爐膛的燃燒負(fù)荷。分爐膛裂解和分爐膛燒焦時(shí)，根據(jù)每側(cè)爐膛的平均COT來(lái)控制各自爐膛的燃燒負(fù)荷。

海南煉化裂解爐于2022年11月1日建設(shè)中交，并開(kāi)始烘爐，12月5日完成烘爐。在裂解爐烘爐階段，各臺(tái)裂解爐升溫過(guò)程中，同組貼壁式熱電偶顯示值之間以及貼壁式熱電偶顯示值與插入式熱電偶顯示值之間均出現(xiàn)較大偏差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)部分貼壁式熱電偶套管內(nèi)有水，判斷為受安裝方式影響，前期施工期間雨水進(jìn)入套管，儀表人員將套管內(nèi)積水排凈后，貼壁式熱電偶檢測(cè)值基本恢復(fù)，插入式熱電偶與貼壁式熱電偶顯示溫差也有所減小。

2023年2月8日開(kāi)工點(diǎn)火，2月15日完成投料。期間，6臺(tái)裂解爐升溫過(guò)程至投料后均出現(xiàn)裂解爐COT顯示溫差較大的情況。在3號(hào)裂解爐燒焦期間，單根爐管貼壁式熱電偶與插入式熱電偶顯示溫度最大偏差達(dá)105 ℃，嚴(yán)重影響操作人員對(duì)COT的判斷，控制起來(lái)非常困難。兄弟單位同類(lèi)裝置COT溫差基本在10 ℃以?xún)?nèi)，以6、7號(hào)裂解爐為例，與鎮(zhèn)海煉化和古雷石化對(duì)比結(jié)果如圖1～4所示。

2 COT偏差大的影響及分析

2.1 COT顯示偏差過(guò)大對(duì)裂解爐運(yùn)行造成的影響

觀察圖1、2可以看出，單組進(jìn)料18根爐管，每根爐管最大偏差達(dá)到90 ℃左右，單組進(jìn)料的平均COT沒(méi)有太大的參考價(jià)值，因此將單根爐管的COT壞值從平均COT計(jì)算模塊中剔除，僅計(jì)算好值的平均COT，如果所有爐管的COT均為壞值，則爐管平均COT也為壞值，此時(shí)將導(dǎo)致COT控制無(wú)法投自動(dòng)。如果將裂解爐的溫度控制全部改為手動(dòng)，則會(huì)使盯表工作量巨大，并且具有極大的操作風(fēng)險(xiǎn)。

如果熱電偶無(wú)法正常顯示，就只能通過(guò)對(duì)各個(gè)爐膛的裂解氣采樣，分析氣體組成進(jìn)而來(lái)判斷裂解深度。此時(shí)，熱電偶測(cè)得的數(shù)據(jù)只能作為參考，而無(wú)法成為控制關(guān)鍵，不僅失去了測(cè)量的作用和意義，而且增加了能耗。

另外，熱電偶顯示溫度不準(zhǔn)還會(huì)造成個(gè)別爐管實(shí)際溫度控制偏高、爐管超溫、結(jié)焦加劇等情況，嚴(yán)重影響裂解爐的運(yùn)行周期。

2.2 裂解爐COT控制指導(dǎo)意見(jiàn)

為避免出現(xiàn)安全問(wèn)題，保證爐管的長(zhǎng)周期運(yùn)行，SEI給出指導(dǎo)意見(jiàn)如下：

a. 裂解爐部分爐管COT偏差較大，不建議投自動(dòng)，待COT測(cè)量問(wèn)題解決后，并對(duì)控制方案進(jìn)行適當(dāng)修改后再投自動(dòng)。

b. 由于插入式熱電偶的測(cè)溫元件插入到爐管中心位置，其測(cè)量的溫度更準(zhǔn)確?？紤]到開(kāi)車(chē)階段運(yùn)行不穩(wěn)定，因此建議以插入式熱電偶的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)控制裂解深度。

c. 控制溫度不能過(guò)高，建議COT的報(bào)警值由880 ℃調(diào)整到870 ℃。COT與燃料氣的串級(jí)控制方案待熱電偶測(cè)量不準(zhǔn)確問(wèn)題排查原因查明及問(wèn)題解決后確定。

SEI還給出了調(diào)整裂解爐的操作參數(shù)。

對(duì)于液體爐：

a. 裂解石腦油工況下，COT控制溫度以插入式熱電偶平均值為準(zhǔn)，裂解爐插入式熱電偶位號(hào)0X011～18U/V，控制溫度838 ℃。

b. 裂解HVGO工況下，COT控制溫度以插入式熱電偶平均值為準(zhǔn)，裂解爐插入式熱電偶位號(hào)0X011～18U/V，控制溫度797 ℃。

c. 裂解LPG工況下，COT控制溫度以插入式熱電偶平均值為準(zhǔn)，裂解爐插入式熱電偶位號(hào)0X011～18U/V，控制溫度854 ℃。

對(duì)于氣體爐：

a. 裂解C2工況下，COT控制溫度以插入式熱電偶平均值為準(zhǔn)，裂解爐插入式熱電偶位號(hào)0X011～18U/V，控制溫度845 ℃。

b. 裂解LPG工況下，COT控制溫度以插入式熱電偶平均值為準(zhǔn)，裂解爐插入式熱電偶位號(hào)0X011～18U/V，控制溫度854 ℃。

3 COT測(cè)量偏差大的原因及整改措施

3.1 熱電偶設(shè)計(jì)和安裝

首先排查是否是熱電偶設(shè)計(jì)安裝高度過(guò)低，導(dǎo)致貼壁式熱電偶受爐膛輻射熱影響導(dǎo)致COT偏差大大。圖5左側(cè)為海南煉化熱電偶設(shè)計(jì)位置，右側(cè)為兄弟單位熱電偶設(shè)計(jì)位置?？梢钥闯?，右側(cè)比左側(cè)設(shè)計(jì)安裝高度較爐頂蓋板高600 mm。考慮到熱電偶套管長(zhǎng)度與TLE下部集合管距離的影響，海南煉化熱電偶設(shè)計(jì)安裝高度較爐頂蓋板只有20 mm（圖6），加上爐管升溫后下移，因此判斷熱電偶是由于受到爐膛內(nèi)側(cè)熱輻射的影響而出現(xiàn)顯示偏差。

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圖6 現(xiàn)場(chǎng)貼壁式熱電偶安裝高度

現(xiàn)場(chǎng)部分爐管的表面熱電偶與插入式熱電偶的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差較大（有的甚至大于50 ℃）。以7號(hào)爐第6組貼壁式熱電偶與插入式熱電偶顯示數(shù)據(jù)為例，大部分貼壁式熱電偶溫度值低于插入式熱電偶溫度指示值;從兩種熱電偶的安裝位置分析發(fā)現(xiàn)，如果受到高溫輻射影響，那么表面熱電偶的顯示值應(yīng)該比插入式熱電偶的顯示值高，因此爐膛熱輻射不是COT顯示偏差大的原因。

在3、5號(hào)爐檢修期間，分別對(duì)第8組爐管重新焊接新的熱電偶，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際允許上移的最大高度，將3號(hào)爐第8組熱電偶安裝高度提高90 mm，5號(hào)爐第8組熱電偶安裝高度提高120 mm，投料運(yùn)行后，對(duì)比改造前后熱電偶顯示值之間的差距，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明COT偏差大與熱電偶安裝高度沒(méi)有直接關(guān)系。

貼壁式熱電偶套管的底部設(shè)計(jì)為“馬蹄形”，為保證貼合性，根據(jù)各爐管外壁直徑設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧度，但由于設(shè)計(jì)安裝位置與爐頂蓋板圍堰基本平齊，焊接時(shí)受空間狹小的影響，存在點(diǎn)焊定位時(shí)馬蹄形套管貼合度不夠的現(xiàn)象，從而影響焊接質(zhì)量。

貼壁式熱電偶的熱偶絲是可以插拔的，當(dāng)重新插入時(shí)應(yīng)采取必要措施以確保測(cè)溫偶絲頂?shù)綘t管外壁并與爐管壓緊壓實(shí)。若熱電偶套管過(guò)長(zhǎng)，則偶絲接觸不到爐管，將導(dǎo)致熱電偶顯示值偏低。對(duì)單組進(jìn)料的18根熱偶絲插入深度進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，最大偏差達(dá)2 mm，但處于設(shè)計(jì)制作的誤差范圍內(nèi)。根據(jù)熱偶絲長(zhǎng)度不同進(jìn)行對(duì)調(diào)后，顯示值沒(méi)有變化。

儀表人員將每組表面熱電偶套管內(nèi)的冷凝蒸汽排出后，又將顯示溫度高的熱電偶與溫度低的進(jìn)行調(diào)換，互換后熱電偶顯示值沒(méi)有明顯變化，可以排除熱電偶安裝和本身設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

3.2 負(fù)壓和冷空氣的影響

裂解爐爐膛是負(fù)壓環(huán)境，受輻射室爐膛頂部爐管保溫施工方法的影響，在此位置爐管之間的間隙會(huì)有冷風(fēng)漏進(jìn)爐膛。貼壁式熱電偶安裝在輻射室爐膛頂部開(kāi)口位置（圖7），此位置流通面積小、負(fù)壓較大，因此熱電偶檢測(cè)數(shù)據(jù)受漏風(fēng)影響嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值偏低的情況。

為進(jìn)一步驗(yàn)證，加大6號(hào)爐爐膛負(fù)壓進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試輻射室頂部泄漏冷風(fēng)量增大對(duì)貼壁式熱電偶檢測(cè)值的影響，結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)過(guò)程中，3號(hào)爐輻射室爐膛負(fù)壓由-40 Pa降低至-60 Pa后（綠色曲線），顯示正常的TI06012P插入式熱電偶檢測(cè)值沒(méi)有變化（黃色曲線），顯示偏低的TI06012A插入式熱電偶檢測(cè)值降低約8 ℃。從趨勢(shì)觀察可知，爐頂漏風(fēng)量越大的位置，貼壁式熱電偶檢測(cè)值受影響也越大。

針對(duì)爐管之間保溫層漏風(fēng)的問(wèn)題，聯(lián)系設(shè)計(jì)人員對(duì)爐頂保溫進(jìn)行了整改。

原設(shè)計(jì)輻射出口爐管保溫結(jié)構(gòu)為：輻射出口爐管主體保溫結(jié)構(gòu)為4層保溫陶纖毯。其中，內(nèi)層1層23級(jí)陶纖毯厚度δ=15 mm，為爐管獨(dú)立保溫并包裹單根爐管。外層3層23級(jí)陶纖毯δ=25 mm，為管排共用保溫并整體包裹一組出口管排。爐頂密封蓋板以上200 mm范圍內(nèi)采用松散填充普鋁散棉+高硅氧布保溫密封。

整改后的輻射出口爐管保溫結(jié)構(gòu)為：原設(shè)計(jì)保溫主體結(jié)構(gòu)不變，將內(nèi)層陶纖毯和外層1層陶纖毯向下延伸約160 mm，以覆蓋熱電偶基座。沿?zé)犭娕蓟戮?，?1.6 mm的不銹鋼絲纏繞單根爐管緊密綁扎固定。普鋁散棉+高硅氧布保溫密封仍按原設(shè)計(jì)執(zhí)行，但靠近爐頂密封板的部分（密封板法蘭高度范圍內(nèi)）應(yīng)填塞緊密，如圖9所示。

若原保溫結(jié)構(gòu)陶纖毯不具備向下延伸的條件，可以采用兩層23級(jí)δ=15 mm陶纖毯獨(dú)立包裹爐管來(lái)替代，其上部應(yīng)深入原設(shè)計(jì)保溫陶纖毯不少于50 mm，并用不銹鋼絲纏繞綁扎固定。

3.3 DCS顯示比例度

操作人員在DCS界面組態(tài)時(shí)，為了達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)節(jié)爐管COT的目的，將坐標(biāo)值設(shè)置為820～875 ℃之間每小格5 ℃，820 ℃以下和870 ℃以上每小格20 ℃。裂解爐烘爐期間，COT最高升至780 ℃，未發(fā)現(xiàn)貼壁式熱電偶存在偏差，投料后，隨著熱負(fù)荷的逐漸增大，出現(xiàn)了熱電偶偏差較大的情況。

裂解爐從設(shè)計(jì)上屬于絕熱爐膛，通過(guò)輻射傳熱達(dá)到裂解所需熱量，調(diào)整每組爐管可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒器實(shí)現(xiàn)，但如果單根爐管溫度過(guò)高無(wú)法調(diào)節(jié)時(shí)，無(wú)需按照每小格5 ℃設(shè)置。鎮(zhèn)海、古雷兩家兄弟單位均設(shè)置的是每小格20 ℃，因此，為了使檢測(cè)溫度顯示得更加均勻，筆者將DCS界面的每小格統(tǒng)一改為10 ℃。

4 整改后的效果

圖10、11為整改后COT柱狀圖的顯示情況，可以看出，單根爐管貼壁式熱電偶與單組溫度平均值偏差可以控制在5 ℃以?xún)?nèi)，達(dá)到了投用復(fù)雜控制的條件，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此次整改，裂解爐貼壁式熱電偶顯示情況可以滿足生產(chǎn)需要。裂解爐貼壁式熱電偶在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能避開(kāi)爐膛頂部最容易漏風(fēng)的區(qū)域，熱電偶上移后有利于熱電偶的焊接和保溫施工。新建裂解爐在貼壁式熱電偶的施工過(guò)程中，應(yīng)派專(zhuān)業(yè)人士對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全方位監(jiān)督，確保規(guī)范施工，強(qiáng)抓施工質(zhì)量，避免因保溫施工不合格而出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。為了保證測(cè)量的一致性，貼壁式熱電偶的插入深度可以在設(shè)計(jì)制造時(shí)對(duì)熱電偶絲的插入深度進(jìn)行標(biāo)記固定，以減少施工過(guò)程中的人為誤差。

（收稿日期：2023-05-26，修回日期：2024-03-05）