管式裂解炉炉管温度监测及分析系统的应用

王佳航

摘 要：传统的炉管测温方法无法实时、全面、准确的反映炉管运行情况，存在较大的检测盲区和安全隐患。在大庆石化公司E3装置裂解炉增加炉管温度安全监测及分析系统，本文主要介绍该系统在投用过程中的实施、改进及投用后的运行效果，并利用该系统对裂解炉炉管运行状态进行全面分析。

关键词：裂解炉；炉管表面溫度；在线监测；运行周期

引言

在石化领域，裂解炉是乙烯装置的关键设备之一，裂解炉运行正常与否不仅直接影响乙烯的产量和质量，还关系到裂解炉的安全运行。乙烯裂解反应主要在辐射段炉管内进行，辐射段炉管位于裂解炉炉膛中央，双面经受高达1200℃的高温火焰辐射，是乙烯装置中操作温度最高的部位。裂解炉在运行过程中，辐射段炉管内物料会产生结焦现象，使得炉管管壁温度上升，如果长时间超温运行，炉管会发生蠕变、渗碳，甚至破裂，使裂解炉检修频繁，生产成本增加，生产效率下降，而温度过低，直接会使产品收率降低，同时浪费原料。在极端情况下，温度过高会造成炉管爆裂，被迫停产进行炉管维修和更新，经济损失巨大。因此。能够及时、准确监测辐射段炉管外表面温度（TMT）至关重要。

一、裂解炉炉管TMT监测的传统方式

传统的测温方法是采取人工测温，利用便携式红外测温枪定期从观火孔测定炉管表面温度，但这种方法存在一定局限性：

（一）被测量点区域有限，部分区域存在盲区，不能真实反映炉管表面温度的实际分布，难以了解炉膛内入、出口炉管在正常运行及烧焦时的实际情况，燃烧控制也就无法难以达到最佳效果[1]；

（二）每周对裂解炉全面测温2-3次，不能实时对各炉管的运行温度进行全面而准确的记录、分析，对炉管的温度变化趋势难以全面地掌握，对优化操作工艺存在困难；

（三）从安全性角度考虑，一旦炉管发生泄漏、断裂，若不能及时发现，可能会发生炉膛衬里损坏等严重后果。

（四）从裂解炉长周期角度考虑，不能根据炉管的结焦情况预测裂解炉的运行周期。

二、炉管在线温度监测与分析系统应用

为能够及时、准确监测辐射段炉管外表面温度（TMT），E3装置于2018年8月在EF-3120裂解炉安装、投用炉管在线温度监测与分析系统。该系统由防爆型高温红外测温摄像仪、自动回缩保护装置、炉壁安装套件、空气过滤系统和现场设备箱、图像数据服务器等组成。

（一）测温原理

该系统以普朗克（Plank）黑体辐射定律为基础，采用双波长成像比色测温原理，集热辐射技术、双波长比色测温技术、红外辐射检测技术、计算机图像处理等多种技术研发而成。

1.温度与光辐射的物理规律

自然界任何物体，只要温度高于绝对零度（-273.15℃），就会以电磁辐射的形式在非常宽的波长范围内发射能量，产生电磁波（辐射能） 。不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色等，所发出的红外辐射强度都不同。

2.普朗克辐射定律

普朗克辐射定律则给出了黑体辐射的具体谱分布，辐射测温只要能获取被测物体在波长λ时直接发射的辐射量，就能知道被测物体的温度。红外视频测温技术就是利用红外热成像技术感应被测物体的辐射量，通过普朗克辐射定律来获取被测物体的温度。

3.比色测温原理

在红外测温技术应用中，由于存在光学成像系统和光电转换器件，以及被测物体与红外探测器之间存在的空间位置和距离的不同，因此对于采集的光谱辐射图像必须考虑光学成像系统、光电转换器件参数及空间位置的影响。如果在两个波长下，同时测量到由物体同一点发出的光谱辐射亮度，则根据两者的比值可得该点的温度，就可以忽略探测器光谱响应、透镜光谱透过率、滤光片透过率对测量精度的影响。同时解决了空间位置、角度与距离因素对测量的影响[1]。

（二）系统应用情况及效果

EF-3120为USC-192U型轻质液相裂解炉，辐射段分为A、B室。烃进料为四路，其中第一、三路进入A室进行裂解，第二、四路进入B室进行裂解。每路共有四组，每组包括12根U型管。根据EF-3120炉型及炉管分布情况，现场安装8套高温红外测温摄像仪及附属设备。每套摄像仪对应两组炉管，系统画面中可完全显示两组炉管的出口管。

1.分析裂解炉管结焦程度及结焦过程

2018年12月10日，操作人员利用系统实时监测画面检查时，及时发现二路3组4组第7号炉管温度偏高，TMT达到1013℃，炉管出口管整体发亮，判断是炉管堵塞，现场随即采取措施进行调整，降低该炉管TMT，避免了温度继续恶化及炉管损坏等风险，次日进行烧焦。

通过历史数据分析，该炉管TMT在10日3时为985℃，5：45迅速涨至1013℃，通过调整后温度下降；此后在12时左右，现场采取对单根裂解炉增加蒸汽的方式，温度再次上涨至最高1030℃，随后下降975℃，并趋于平稳。

2.跟踪烧焦过程，判断烧焦效果

为利用系统对烧焦过程进行优化，以7#温度探头中11、12、13#炉管为例，选取2018年12月11-13日、2019年1月21-23日三次烧焦进行对比。

对比两次烧焦，2018年12月11-13日期间，烧焦时间为36h，烧焦平均温度为885℃2019年1月21-23日。经过软件分析对比后，在TMT不超过指标的情况下提高烧焦温度，提升了烧焦效果，缩短了烧焦时间，2019年1月21-23日期间，焦时间为32h，烧焦平均温度为900℃。

（三）系统优化改进

1.测温点偏移问题

系统投用后，在EF-3120为便于观察、测量炉管表面温度，在辐射段炉管出口增加测温线。运行一段时间后，发现测温点存在偏移现象。分析可能的原因：（1）高温红外测温摄像仪镜头卡扣松动；（2）内套筒漏气引起整个套筒长时间振动。针对上述问题，对相应部位做紧固后，发现偏移问题仍然存在。经过与厂家沟通，建议增加自动跟踪功能，偏移问题解决。

2.工业风量过大问题

系统设有耐高温防护罩，防护罩配置有一套创新的强制涡旋冷却系统，吹扫风由光学镜头前的窥孔吹入炉膛，冷却风经防护罩涡旋风道强制循环冷却后排除炉膛外，既提高了镜头仓的冷却效率，也减少了冷却风对加热炉燃烧工艺的影响。其中吹扫风对品质要求高，选用装置内的仪表风，设计25Nm3/h（每套）； 冷却风分为两路，选用装置内的工业风，设计为68 Nm3/h（每套）。

投用后发现，工业风使用量偏大，经过测量单套的工业风使用量可达到100 Nm3/h，远大于设计值，造成了浪费。通过对阀门限位及相关调整后，工业风量降低至75Nm3/h（每套）。工业风用量大大降低。

结论

E3装置在EF-3120裂解炉增加炉管温度安全监测及分析系统，投用后能够实时监控炉管的TMT及运行状态，及时发现裂解炉炉管的运行情况；利用温度分析功能够查看炉管TMT变化趋势，便于预测裂解炉的运行时间，利于裂解炉的烧焦优化操作。

参考文献：

[1]炉管安全监测与分析系统的研发和应用，袁柏峰，[J]，石油化工设备技术，2014，35（1），62。