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)測系統(tǒng)的技術原理

2 溫度測量精度檢測與設備運行情況

紅外測溫系統(tǒng)安裝調試完成后，對爐管表面溫度進行了連續(xù)測量，并與乙烯裝置日常所用測溫槍測量結果進行了現(xiàn)場對比。對比所用測溫槍為Raytek Raynger3I，型號：RAYR3I1MSC，使用波長1.6 m，溫度測溫范圍400～2000℃，距離系數(shù)比250∶1，測量精度0.5%。對比測量日期2016年7月17日和18日，測點位置包括爐體兩側和中間各位置，測點覆蓋爐膛內各位置高溫管和低溫管，對比統(tǒng)計結果如圖1所示，橫坐標表示測溫槍測量溫度，縱坐標表示紅外測溫系統(tǒng)測量溫度，由圖可見：二者溫度測量結果一致性好，離散溫度點線性擬合斜率0.998，最大相差10℃，平均相差0.15℃， 標準差4.4，測溫范圍：956～1096℃，溫度測量精度優(yōu)于0.5%。

2016年7月17日數(shù)據見表1～3。

表1 爐膛西側數(shù)據

表2 爐膛中間數(shù)據

表3 爐膛東側數(shù)據

2016年7月18日數(shù)據見表4～6。

表4 爐膛西側數(shù)據

表5 爐膛中間數(shù)據

表6 爐膛東側數(shù)據

圖1 測溫槍與紅外測量系統(tǒng)測量結果對比

自2016年7月17日設備調試完成正常運行至2016年12月12日，共4個月零25天，設備運行正常，溫度測量數(shù)據準確、穩(wěn)定、可靠，可用于指導安全生產、優(yōu)化操作工藝、節(jié)能增效。

3 保障安全生產

乙烯裂解爐管爐管溫度安全監(jiān)測與分析系統(tǒng)在乙烯裂解爐上的應用可以實現(xiàn)對爐管表面溫度進行實時連續(xù)監(jiān)測，超溫報警，實現(xiàn)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(wěn)定、長周期運行。

3.1 爐管表面溫度可視化顯示與測量

根據探測器像元所接收的目標紅外輻射，計算爐管和爐壁表面溫度，實時顯示爐管爐壁表面溫度分布，可實時查詢爐管任意點處溫度，設定報警閾值，實現(xiàn)超溫報警。根據爐管表面溫度分布情況，有助于及時了解爐管表面溫度變化和燃燒波動情況，提高裂解爐操作的精細化程度。

圖2 爐管表面溫度可視化顯示及分析

3.2 溫度報表輸出

在爐管任意部位設定虛擬熱電偶，直觀顯示溫度，重點監(jiān)測高溫出口管溫度變化，可根據需要任意設置虛擬熱電偶位置，監(jiān)測需要重點關注區(qū)域，還可設定溫差閾值，實現(xiàn)溫差報警；定時輸出溫度報表和熱點溫度，并繪制每根爐管最高溫度柱狀圖和所有爐管熱點溫度(TMT)曲線圖(圖3、4)，有助于直觀掌控爐管實際運行狀況，確保運行安全。

圖3 每根爐管表面最高溫度

圖4 熱點溫度(TMT)變化趨勢圖

3.3 爐管運行歷史數(shù)據分析查詢

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

圖5 運行周期數(shù)據及故障現(xiàn)象分析

圖6 運行周期數(shù)據在線實時分析

3.4 爐管結焦狀態(tài)分析

管內結焦是裂解爐運行過程中的普遍現(xiàn)象，是最大的安全隱患，同時也是困擾裂解爐不能長周期運行的關鍵技術難題，結焦位置、結焦厚度、結焦形態(tài)等無法獲知。利用紅外測溫系統(tǒng)實時獲取爐管表面溫升情況，根據溫差信息直觀判定結焦位置、結焦厚度和結焦形態(tài)，采取相應的應對措施，提高裝置運行效率。

圖7 爐管堵塞超溫與對應COT溫度

3.5 運行周期預測

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(TMT)溫度，根據熱點形態(tài)、大小、溫度高低結合管內流量、壓差、COT溫度等信息綜合判定燒焦周期，延長裝置運行時間，提高裝置利用率。左圖紅色標記是熱點，右圖綠線是對應熱點溫度變化趨勢，粉色線是爐管整體溫度變化趨勢。

圖8 熱點位置、形態(tài)與相應溫度變化，判斷運行周期

4 優(yōu)化工藝過程

利用可視化界面及數(shù)據測量結果可對一些工藝操作過程進行有效的優(yōu)化和改進，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

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

圖9 中間綠色點標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

利用可視化技術連續(xù)追蹤燒焦過程(所有數(shù)據均來自現(xiàn)場實際連續(xù)采集過程)，如圖11～14所示。

圖11 入口管溫度高，出口管溫度相對較低，放熱反應主要集中在入口管中下部

圖12 隨著燒焦進程熱點由入口管底部向出口管轉移

圖13 熱點轉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主要集中在出口管中上部進行，隨后進入下一燒焦工序

由燒焦過程可見，熱點的移動進程標志著爐管由堵塞逐漸燒通的過程，但熱點過后局部溫度依然很高，表明爐管內部雖然燒通但局部焦層還是很厚，放熱反應仍然在劇烈的進行中。因此，若能根據溫度測量結果適當延長反應時間，并相應增加蒸汽和空氣含量，或適當增加爐管燒焦溫度等措施，都可以使爐管燒焦更徹底、更干凈，進一步提高爐管使用壽命和裝置運行效率。

另外，實時溫度測量與控制還可保障爐管燒焦過程的安全性。

4.2 配風的實時監(jiān)測與控制

恰當?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爐管爐壁清晰可見。而燃料與空氣配比不當時則會產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 燒嘴局部配風不好和整體配風不好

因此，利用紅外測溫系統(tǒng)可以實時監(jiān)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(tài)，提高熱效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

4.3 爐管運行狀態(tài)的監(jiān)測與改進

爐管長期處于高溫燃燒環(huán)境中，且管內時刻進行著大量劇烈、復雜的化學反應，因此，管內不停的有熱蠕變應力的產生和釋放，導致爐管在運行過程中會有輕微的擺動，但是如果連續(xù)擺動幅度過大甚至扭絞在一起，就會給裝置的運行過程帶來安全隱患。如圖16所示。

圖16 一個運行周期中連續(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，超出正常熱蠕變應力產生與釋放擺動的程度，應從設計、安裝、材質及運行負荷等方面綜合分析判斷，優(yōu)化改進排除安全隱患，提高裝置運行的穩(wěn)定性、可靠性與安全性。

應用紅外測溫系統(tǒng)還可有效監(jiān)測爐管輕微泄漏與破裂故障?。?/p>

5 綜合經濟效益

在保持裂解爐運行條件不變的情況下，應用本產品所產生的綜合經濟效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，根據爐管表面溫度測量結果，調節(jié)燃燒強度使表面溫度分布更均勻，減少高溫熱點，減少管內結焦和滲碳，消除安全隱患，保障設備安全、穩(wěn)定、長周期平穩(wěn)運行，可為企業(yè)帶來極大的社會經濟效益；其次，利用可視化技術優(yōu)化和改進操作工藝，提高精細化操作水平，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效益還具有較大的直接經濟效益。

直接經濟效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

5.1 長周期運行所產生的直接經濟效益

以前6#裂解爐運行周期一般在70 d以內，使用紅外測溫系統(tǒng)以后最近一個周期的運行周期是80 d，如清焦更徹底、運行時爐管溫度分布更均勻，延長裝置運行時間10%達到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次多運行2 d，按照現(xiàn)在每噸原料邊際效益1500元來計算(中韓石化提供)，由此帶來的直接經濟效益：

1500元×2 d×24 h×50 t/h=360萬元；

燒焦每小時平均耗費2萬元：

2×24 h×2萬/h=96萬

合計：360萬+96萬=456萬

表7 裂解爐燒焦過程用量情況統(tǒng)計

5.2 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(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，裝置年平均運行時間8000 h，每小時消耗天然氣7 t，天然氣每噸價格3300元，所產生的直接經濟效益：

7 t/h×8000 h/a×0.33萬/t×0.3% = 55.4萬元

總計：每年可實現(xiàn)直接經濟效益456萬+55.4萬=511.4萬。

6 結束語

裂解爐爐管表面溫度紅外監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單，可切換測溫各組爐管畫面，分別監(jiān)視爐內爐管溫度，具有超溫報警功能，可使我們及時發(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)可在爐管上任意設置虛擬熱電偶，導出溫度數(shù)據報表，以及爐管上的最高溫度變化趨勢，同時具有爐管溫差報警功能，對生產過程調整具有重要指導意義。

該系統(tǒng)的數(shù)據分析功能，對我們及時了解爐管的結焦趨勢，定位爐管結焦嚴重區(qū)域有重要意義。通過分析可掌握爐管任意一點在某個運行周期內溫度隨時間的變化，以及爐管上下溫度曲線，供生產參考。

運行周期預測功能，可根據溫度數(shù)據對本生產周期的燒焦時機作出預測，并與選定的某周期溫度數(shù)據進行比較，供我們在生產實踐中參考，為安全運行和延長燒焦周期積累經驗。

該測溫探頭還可以監(jiān)視爐膛內燃燒器燃燒情況，爐管振動、泄漏等，讓主操和技術人員能及時了解爐膛內實際情況，對調整燃燒器、避免發(fā)生重大安全事故具有重大意義。

該系統(tǒng)經長期運行比較，測溫精度滿足生產需求，可取代人工對裂解爐爐管溫度的監(jiān)測。為我們改善工藝和保持安全、穩(wěn)定、長周期生產運行提供了科學依據。

綜上所述，裂解爐爐管溫度安全監(jiān)測與分析系統(tǒng)在我單位的實施使用，在乙烯裂解爐的工藝操作、設備運行等各方面均取得了理想效果，不僅可以保障設備安全、穩(wěn)定、長周期運行，對裂解爐操作工藝的優(yōu)化與改進還具有積極的促進作用。同時，還具有較大的社會、經濟效益，項目實施后1年內便可收回投資成本，故建議推廣應用！