CN101498578A - 延迟焦化加热炉炉管结焦厚度的一种在线检测方法 - Google Patents

Abstract

延迟焦化加热炉辐射室内炉管结焦厚度的在线检测方法属于加热炉自动控制技术领域，其特征在于，根据加热炉管壁温度测点和注水点的位置，对炉管进行分段。采集实测的过程变量，通过加热炉炉管内的工艺计算和传热、反应等数学模型，在线计算得到加热炉炉管不同位置的总传热阻力、对流传热阻力，并进而确定不同位置炉管结焦的厚度。结焦观测结果可以为生产操作和清焦提供参考，提高装置运行的安全性和经济性。在此基础上，可研究炉管结焦速率与各种操作参数之间的关系，对结焦速率进行预报，并设计合理的控制与优化策略，延缓炉管结焦。

Description

延迟焦化加热炉炉管结焦厚度的一种在线检测方法

技术领域

本发明涉及延迟焦化加热炉炉管结焦厚度的在线计算方法，属于石油化工管式加热炉和生产过程自动控制领域。

背景技术

重油和渣油轻质化问题是当前世界炼油技术发展中最重要的问题之一。延迟焦化是将渣油在高温下经深度裂化和缩合反应转化为气体和轻、中质馏分油及焦炭的加工过程，属于热加工过程之一。延迟焦化工艺技术成熟，可以加工残炭值和重金属含量很高的劣质渣油，投资和操作费用较低。延迟焦化是世界上主要的减压渣油转化手段之一，也是唯一能生产石油焦的工艺过程。我国渣油延迟焦化的加工能力仅次于美国，居世界第二位。

加热炉是延迟焦化装置的核心设备，它为整个装置提供热量。重质渣油通过加热炉后达到约500℃左右的高温，进入焦炭塔进行深度的热裂化和缩合反应，反应产物经主分馏塔分离。在加热炉炉管内，焦化原料不断被加热升温，发生轻度的裂解和缩合反应，部分油品汽化。随着温度和反应深度的增加，炉管内结焦前体物浓度增加，生成焦炭，并堆积到管内壁。因此要控制原料油在炉管内的反应深度、尽量减少炉管内的结焦，使反应“延迟”主要在焦炭塔内进行。为防止炉管短期结焦，必须使油料在炉管内具有较高的线速，缩短在炉管内的停留时间，同时要提供均匀的热场，消除局部过热。工业上一般采用注水或蒸汽以增加油品在炉管内的线速，新建焦化加热炉一般在每一支路上有三个注水(蒸汽)点。

延迟焦化装置加热炉管的结焦是影响装置开工周期的主要原因。随着焦层的厚度增加，传热阻力增加，达到相同出口温度所需的燃料消耗增加，炉管管壁温度上升，加剧了炉管的腐蚀和高温氧化，引起炉管鼓包破裂；同时，增加了管内压力降，为维持出口压力，需要提高入口压力，使得动力消耗增加，炉子操作性能下降，甚至提前停运。

已有的结焦厚度计算方法主要是通过计算结焦速率求结焦厚度，用于加热炉的离线静态模拟和设计。给定原料的性质和操作参数，通过严格机理模型计算结焦速率，求得操作周期内的结焦状况，如Toru takatsuka等(Journal of chemical engineering of japan，1989，22(2)，149-154)和肖家治等(Petroleum Science and Technology，2000，18(3)，305-318)。这些方法可以预测操作参数等对结焦速率的影响，但不适用于工业装置的监控。因为工业装置在操作周期内原料性质和操作参数经常是变化的，而上述方法从控制的角度说，相当于开环预测结焦速率，缺乏验证和校正手段，而且原料性质也不易在线实时获得，且参数多，计算量大。也有学者通过实验手段，建立结焦速率与操作参数的关系，如周晓龙等(石油炼制，1992，28(4)，48-52)，但由于实验时未考虑注水等因素，其结果也不能直接用于工业装置。

目前，现场对炉管结焦状况的判断主要依赖肉眼观测，所查文献未见在线进行分段结焦厚度计算的方法。建立一个相对准确的结焦模型，对结焦进行在线观测和预报，对于监视加热炉运转特性，预测运转周期，并进而指导操作和控制，是十分必要的。

发明内容

本发明的目的：给出一种实用的焦化加热炉辐射室炉管结焦厚度的在线计算方法。通过利用被加热介质流量、原料管壁温度、加热炉进出口压力和注水(蒸汽)等实际过程数据，结合加热炉管内的工艺过程计算和传热模型，得到较为准确的炉管结焦厚度。在此基础上，可研究炉管结焦速度与各种操作参数之间的关系，对结焦进行预报，并据此设计合理的控制策略，延缓炉管结焦。

本发明的特征在于，所述方法是在上位机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1).所述上位机通过一个实时数据库实时获取焦化加热炉辐射室加热介质的流量、入口温度、出口温度、炉管管壁温度、注水流量和温度；

步骤(2).分段确定所述延迟焦化加热炉炉管内，以下简称炉管内被加热介质的温度、裂化转化率、汽化率和传热速率；

步骤(2.1).根据炉管管壁温度测点和注水点的位置对所述炉管进行分段，并设定：各段内温度、压力及油品性质相同，

步骤(2.2).如下式计算各炉管段被加热介质的温度，对于第i段炉管，被加热介质的温度用T_i表示：T_i＝T_i-1+α_iΔT，

其中：T_i-1为第i-1段的被加热介质的温度，

α_i为第i段炉管的温升占总温升的比例，按下式计算：

α_i＝α_i0+Δ_αi，

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}$

其中：α_i0为标定情况下每段炉管的温升占总温升的比例系数，

Δα_i为注水量相对标定工况的变化量所引起的温度变化而折算成的系数，步骤(2.3).按下式计算所述各炉管段裂化被加热介质转化率增量ΔX_i：

ΔX_i＝(1-X_i-1)(1-exp(-Kθ_i))，

其中：θ_i为第i段炉管段的停留时间，

K为反应速率，K＝A₀exp(-E/RT_i)，

其中：A₀为频率因子，已知值，

E为活化能，已知值，

R为气体常数，

T_i为第i段路管段内被加热介质温度，

步骤(2.4).按下式计算所述各炉管段的汽化率e_i：

e_i＝e_if+X_i，

其中：e_if为原料的汽化率，已知值，

X_i为第i段炉管段内被加热介质的裂化转化率，

步骤(2.5).按下式计算所述各炉管段的传热速率，所述第i段炉管段的总传热速率Q_i为：

$Q_i=F*[e_i{H}_i^V+(1-e_i)H_i^L-e_{i-1}{H}_{i-1}^V-(1-e_{i-1})H_{i-1}^L]$

$+Q_R\mathrm{F\Δ}{X}_i+(F_{\mathrm{wi}}-F_{w,i-1})(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,\mathrm{in}})+F_{w,i-1}(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,i-1})$

其中：F为所述辐射室被加热介质流量，

为被加热介质在所述第i段炉管的入口汽相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的入口液相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的出口汽相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的出口液相热焓，已知值，

H_w，i-1为水蒸汽在所述第i段炉管的入口汽相热焓，已知值，

H_wi为水蒸汽在所述第i段炉管的出口汽相热焓，已知值，

H_w，in为水在所述第i段炉管注入条件下的热焓，已知值；

步骤(3).按下式计算总传热阻力和对流传热阻力

步骤(3.1).计算总传热阻力R_i：

$R_i=\frac{T_{\mathrm{wi}}-T_i}{q_i},$ $q_i=\frac{Q_i}{A_i}$

其中：T_wi为所述第i段炉管管壁温度，

T_i为所述第i段炉管内被加热介质的温度，

A_i为所述第i段炉管的传热面积，

步骤(3.2).计算对流传热阻力R_ci；

$R_{\mathrm{ci}}=\frac{1}{h_{\mathrm{ci}}},$  h_ci＝w_Vih_Vi+w_Lih_Li

其中：h_ci为为所述第i段炉管对流传热系数，已知值，

h_Li为为所述第i段炉管液相的对流传热系数，已知值，

h_Vi为为所述第i段炉管汽相的对流传热系数，已知值，

w_iL为为所述第i段炉管液相的质量百分数，已知值，

w_iV为为所述第i段炉管汽相的质量百分数，已知值；

步骤(4).计算分段结焦厚度δ_fi：

δ_fi＝λ_fR_fi，

其中：λ_f为焦炭的导热系数，

R_fi为每段焦炭层的热阻，

R_fi＝R_i-R_ci-R_wi，

其中：R_wi为炉管管壁热阻

$R_{\mathrm{wi}}=\frac{D_o-D_i}{2{\mathrm{\λ}}_w}$

其中：D_o为炉管外径，

D_i为炉管内径D_o，

λ_w为炉管导热系数。

本发明的优点是适合延迟焦化加热炉的在线监控，充分利用了机理建模和经验统计建模的优点，对原料性质的依赖性小。

附图说明

图1是本发明实施例的炉管结焦厚度计算流程图。

图2是本发明实施例的辐射室炉管分段示意图。

图3是本发明实施例的第i段炉管结焦厚度计算示意图：(a)炉管径向截面示意图，(b)炉管轴向界面示意图，(c)炉管传热阻力示意图。

图4是本发明实施例的结焦厚度计算在上位机中实现的一种方式。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的技术方案提供一种实用的焦化加热炉辐射室炉管结焦厚度的在线计算方法，所述方法包括以下步骤：从DCS(Distributed Control System)控制系统在线数据采集和处理；进行分段集结建模；计算各炉管段裂化转化率；计算各炉管段汽化率；计算炉管分段传热速率；计算总传热阻力；计算对流传热阻力；计算每段焦炭层的热阻R_fi；计算分段结焦厚度，送DCS控制系统使用。

本发明的总体实现方案计算流程图见附图1，包含以下步骤：

步骤1：在线测量焦化加热炉辐射室被加热介质的流量、入口温度、出口温度、炉管管壁温度、注水流量和温度，并进行必要的数据处理。

步骤2：分段确定炉管内被加热介质的温度、裂化转化率、汽化率和传热速率。

步骤2.1：根据炉管管壁温度和注水点的位置对炉管进行分段，假定各段内温度、压力及油品性质相同，如图2所示。

步骤2.2：计算各炉管段被加热介质温度

辐射室入口、出口都有温度测点，由温度测量值计算得到辐射室的总温升。以标定工况为基准，计算得到每段炉管的温升占总温升的比例系数α_i0。考虑注水量的变化对温度的影响，对每段炉管的比例系数α_i0进行修正，得到当前工况下每段炉管的温升占总温升的比例α_i。

T_i＝T_i-1+α_iΔT

其中：T_i为第i段炉管的主体温度；

T_i-1为第i-1段炉管的主体温度；

ΔT为辐射室出入口温升；

α_i为第i段炉管温升占总温升的比例；

α_i＝α_i0+Δα_i

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}$

α_i0为标定工况下第i段炉管温升占总温升的比例；

Δα_i为注水量相对标定工况的变化量所引起的温度变化折算成系数

步骤2.3：计算各炉管段裂化转化率

在焦化加热炉内的反应属于轻度裂化，生成气体、汽油、柴油和蜡油各组分，其反应动力学可以用一级反应来描述：

$K=A_0\exp (-\frac{E}{{\mathrm{RT}}_i})$

其中：K为反应速率，A₀为频率因子，E为活化能，R为气体常数，T为温度。

第i段内的裂化转化率增量

ΔX_i＝X_i-X_i-1＝(1-X_i-1)(1-exp(-Kθ_i))

其中：θ_i为第i段总停留时间。

假设生成的气体、汽油、柴油和蜡油各组分所占比例在各炉管段内相同。由裂解转化率，可计算生成的各组分产率增量

ΔX_ij＝β_jK_jΔX_i

其中：下标j表示气体、或汽油、或柴油、或蜡油各组分，K_j是最终产品产率，由实测数据获得。β_j是装置因数，对最终产率进行校正，

步骤2.4：计算各炉管段汽化率

将汽化分为两部分：一部分是原料的汽化，另一部分是反应产物的汽化。

原料的汽化率e_if根据原料的组分分析通过软件HYSYS流程模拟计算得到。

e_if＝f(T_i，P_i)

假设反应产物全部汽化。

于是，第i段炉管内的汽化率和平均流速为

e_i＝e_if+X_i

$U_i=\frac{F*[e_i/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Vi}}+(1-e_i)/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Li}}]+F_{\mathrm{wi}}/{\mathrm{\ρ}}_w}{A}$

其中：ρ_Vi和ρ_Li分别为第i段内气体和液体油品的平均密度，F_wi为第i炉管段的总注水量，ρ_w为水蒸汽密度，A为流通面积。

步骤2.5：计算炉管分段传热速率

第i段总传热速率为：

$Q_i=F*[e_i{H}_i^V+(1-e_i)H_i^L-e_{i-1}{H}_{i-1}^V-(1-e_{i-1})H_{i-1}^L]$

$+Q_R\mathrm{F\Δ}{X}_i+(F_{\mathrm{wi}}-F_{w,i-1})(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,\mathrm{in}})+F_{w,i-1}(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,i-1})$

其中：Q_i为第i段炉管的传热速率；

F为辐射室被加热介质流量；

分别为被加热介质在第i段炉管的入口、出口条件下的汽相、液相热焓；

H_w，i-1、H_wi、H_w，in分别为水(蒸气)在第i段炉管的入口、出口和注入条件下的热焓。

步骤3：计算分段总传热阻力和对流传热阻力

步骤3.1：计算总传热阻力

如图3所示，对每一分段的炉管，总传热阻力包括对流传热热阻R_ci、炉管管壁热阻R_wi和焦炭层热阻R_fi。

$R_i=\frac{T_{\mathrm{wi}}-T_i}{q_i}$

$q_i=\frac{Q_i}{A_i}$

其中：R_i为第i段炉管的总传热阻力；

T_wi为第i段炉管的管壁温度，为实测

T_i为第i段炉管内介质的主体流温度；

A_i为第i段炉管传热面积。

步骤3.2：计算对流传热阻力

对每一炉管段，对流传热阻力：

$R_{\mathrm{ci}}=\frac{1}{h_{\mathrm{ci}}}$

h_ci＝w_Vih_Vi+w_Lih_Li

其中：h_ci对流传热系数；

h_Li、h_Vi分别是液相和汽相的对流传热系数；

w_iL、w_iV分别是液相和汽相的质量百分数。

步骤4：计算分段结焦厚度

步骤4.1：计算每段焦炭层的热阻R_fi

R_fi＝R_i-R_ci-R_wi

$R_{\mathrm{wi}}=\frac{D_o-D_i}{2{\mathrm{\λ}}_w}$

其中：λ_w为炉管导热系数；

D_o、D_i分别为炉管外径和内径。

步骤4.2：计算分段结焦厚度

δ_fi＝λ_fR_fi

其中：δ_fi为焦炭层厚度；

λ_f为焦炭的导热系数

本发明中的数据采集和处理以及计算可以在集散控制系统(DCS)上实现，也可以通过上位机实现。图4是在上位机中实现的一种方案。结焦厚度计算程序通过实时数据库或通过OPC(OLE for Process Control)方式获取过程数据，计算完成后将结焦数据在上位机显示或送入DCS显示。

Claims (1)

1.延迟焦化加热炉炉管结焦厚度的一种在线检测方法，其特征在于，所述方法是在上位机中

依次按以下步骤实现的：

步骤(1).所述上位机通过一个实时数据库实时获取焦化加热炉辐射室加热介质的流量、入口温度、出口温度、炉管管壁温度、注水流量和温度；

步骤(2).分段确定所述延迟焦化加热炉炉管内，以下简称炉管内被加热介质的温度、裂化转化率、汽化率和传热速率；

步骤(2.1).根据炉管管壁温度测点和注水点的位置对所述炉管进行分段，并设定：各段内温度、压力及油品性质相同，

步骤(2.2).按下式计算各炉管段被加热介质的温度，对于第i段炉管，被加热介质的温度用T_i表示：T_i＝T_i-1+α_iΔT，

其中：T_i-1为第i-1段的被加热介质的温度，

α_i为第i段炉管的温升占总温升的比例，按下式计算：

α_i＝α_i0+Δα_i，

${\mathrm{\α}}_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}$

其中：α_i0为标定情况下每段炉管的温升占总温升的比例系数，

Δα_i为注水量相对标定工况的变化量所引起的温度变化而折算成的系数，

步骤(2.3).按下式计算所述各炉管段被加热介质的裂化转化率增量ΔX_i：

ΔX_i＝(1-X_i-1)(1-exp(-Kθ_i))，

其中：θ_i为第i段炉管段的停留时间，

K为反应速率，K＝A₀exp(-E/RT_i)，

其中：A₀为频率因子，已知值，

E为活化能，已知值，

R为气体常数，

T_i为第i段路管段内被加热介质温度，

步骤(2.4).按下式计算所述各炉管段的汽化率e_i：

e_i＝e_if+X_i，

其中：e_if为原料的汽化率，已知值，

X_i为第i段炉管段内被加热介质的裂化转化率，

步骤(2.5).按下式计算所述各炉管段的传热速率，所述第i段炉管段的总传热速率Q_i为：

$Q_i=F*[e_i{H}_i^V+(1-e_i)H_i^L-e_{i-1}{H}_{i-1}^V-(1-e_{i-1})H_{i-1}^L]$

$+Q_R\mathrm{F\Δ}{X}_i+(F_{\mathrm{wi}}-F_{w,i-1})(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,\mathrm{in}})+F_{w,i-1}(H_{\mathrm{wi}}-H_{w,i-1})$

其中：F为所述辐射室被加热介质流量，

为被加热介质在所述第i段炉管的入口汽相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的入口液相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的出口汽相热焓，已知值，

为被加热介质在所述第i段炉管的出口液相热焓，已知值，

H_w，i-1为水蒸汽在所述第i段炉管的入口汽相热焓，已知值，

H_wi为水蒸汽在所述第i段炉管的出口汽相热焓，已知值，

H_w，in为水在所述第i段炉管注入条件下的热焓，已知值；

步骤(3).按下式计算总传热阻力和对流传热阻力

步骤(3.1).计算总传热阻力R_i：

$R_i=\frac{T_{\mathrm{wi}}-T_i}{q_i},$ $q_i=\frac{Q_i}{A_i}$

其中：T_wi为所述第i段炉管管壁温度，

T_i为所述第i段炉管内被加热介质的温度，

A_i为所述第i段炉管的传热面积，

步骤(3.2).计算对流传热阻力R_ci；

$R_{\mathrm{ci}}=\frac{1}{h_{\mathrm{ci}}},$ h_ci＝w_Vih_Vi+w_Lih_Li

其中：h_ci为所述第i段炉管对流传热系数，已知值，

h_Li为所述第i段炉管液相的对流传热系数，已知值，

h_Vi为所述第i段炉管汽相的对流传热系数，已知值，

w_iL为所述第i段炉管液相的质量百分数，已知值，

w_iV为所述第i段炉管汽相的质量百分数，已知值；

步骤(4).计算分段结焦厚度δ_fi：

δ_fi＝λ_fR_fi，

其中：λ_f为焦炭的导热系数，

R_fi为每段焦炭层的热阻，

R_fi＝R_i-R_ci-R_wi，

其中：R_wi为炉管管壁热阻

$R_{\mathrm{wi}}=\frac{D_o-D_i}{2{\mathrm{\λ}}_w}$

其中：D_o为炉管外径，

D_i为炉管内径D_o，

λ_w为炉管导热系数。

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