CN104880255B - 一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，包括两侧设有凹槽的导轨和测温驱动台，所述导轨上安装有齿条，所述测温驱动台包括底板，所述底板下方安装有若干个嵌入所述导轨凹槽的导轮，所述底板上安装有水平驱动电机和旋转驱动电机，所述水平驱动电机与齿轮连接，用于驱动测温驱动台沿着齿条在导轨上移动，所述旋转驱动电机与旋转器连接，所述水平驱动电机的速度和旋转驱动电机的角速度满足以下关系：其中，ω是旋转驱动电机的速度，V₁是水平驱动电机的速度，H₁是导轨平面离裂解炉炉管平面的距离，H₂是导轨平面与裂解炉观火孔的距离，H₃是裂解炉观火孔深度。本发明实现了测温仪的双相运动，使测温仪能均匀地扫描全部炉管。

Description

一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置

技术领域

本发明涉及石油化工领域，具体涉及一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置。

背景技术

乙烯工业是石油化工行业重要基体，裂解过程是乙烯工业的关键技术之一。目前我国99%以上乙烯生产采用管式炉蒸汽热裂解技术，裂解炉运行状况直接影响乙烯收率和质量。在裂解炉中，炉管是其中的关键部件，起加热原料和反应器的作用。由于裂解炉炉管长期在高温的复杂环境下运行，易发生由于腐蚀、局部超温等引起的表面氧化、结焦以及高温导致的相变、机械性能下降，造成炉管出现渗碳、开裂、冲刷减薄、弯曲等形式的失效。可以说，在裂解炉管失效的多种形式中，大多数与温度有直接关系。温度是裂解炉管失效的主要影响因素，因此，对裂解炉最重要的操作之一就是监控炉管的失效状况，采取的手段是监测和比较炉管外壁温度和裂解炉辐射段炉管气体出口温度（简称COT）。

要实现实时高精度的裂解炉管外壁温度测量，理论上可用红外热像仪进行分析，但红外热像仪价格昂贵，需配套复杂的图像分析处理软件，且可靠性低、操作不方便，因此大大限制了它的推广应用。

目前，公知公用的测量裂解炉管外壁温度的方法是通过人工手持非接触的红外测温仪，经裂解炉观火孔，进行逐管定位，逐管测温。这种人工手持测温方法有以下困难：

1、观火孔小，能清晰观察到的炉膛范围比较有限。

2、作业环境恶劣：炉膛烟火大且温度高（达到1200℃），观火孔热辐射大，测温环境温度高，并伴有振动和噪音，测温环境恶劣。

3、炉管定位难：炉管排列无规律，管间时密时疏，偶有前后遮挡，并伴有微小晃动，因此难以准确定位。

4、温度测量值难以甄别：识别所测温度是炉膛内壁温度还是炉管外壁温度，具体是哪根炉管的温度十分困难。

5、炉膛烟火对红外测温扰动厉害，非线性补偿模型构建非常困难。

6、裂解炉经过长时间运行和多次检修，观火孔厚度、观火孔至炉管距离、观火孔形状及大小等发生了根本变化，重现性差。

现有技术中已经出现了克服现有的人工手持炉管外壁测温方法弊端的炉管壁温自动测量仪，如申请号为201410666748.5的中国发明专利文献公开了一种裂解炉炉管外壁与炉膛内壁的温度甄别方法及测量装置，该方法在通过红外测温模块非接触地测量炉管壁温时，同时通过激光测距模块测量被测对象的距离，从而达到自动测量壁温并甄别测温对象的目的。但是为了能观测到观火孔对应的全部炉管，测温仪在导轨上做水平移动时，还需在水平面上进行同步旋转。因此，测温仪的运动是双相运动，需进行同步，因此需要研发一种能驱动测温仪做双相运动的装置。另外，在测温仪做双相运动的过程中，测温仪发射的光斑也在移动，因此，为了保证测温仪能均匀扫描到观火孔对应的每根炉管，还必须对光斑的位置和速度进行控制。现在技术教导了在直线运动和曲线运动的情况下对光斑的位置和速度进行控制的方法，如申请号为2005100282901，名称为激光淬火时光斑位姿的控制方法的中国发明专利文献，它公开了一种控制光斑位姿的方法，但其针对的情况是曲线运动，并且其方案是被扫描的对象运动而发射光斑的探头不动，不适用于裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，采用的技术方案如下：

一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，包括两侧设有凹槽的导轨和测温驱动台，所述导轨上安装有齿条，所述测温驱动台包括底板，所述底板下方安装有若干个嵌入所述导轨凹槽的导轮，所述底板上安装有水平驱动电机和旋转驱动电机，所述水平驱动电机与齿轮连接，用于驱动测温驱动台沿着齿条在导轨上移动，所述旋转驱动电机与旋转器连接，所述水平驱动电机的速度和旋转驱动电机的角速度满足以下关系：

（1）

其中，ω是旋转驱动电机的速度，V₁是水平驱动电机的速度， H₁是导轨平面离裂解炉炉管平面的距离，H₂是导轨平面与裂解炉观火孔的距离，H₃是裂解炉观火孔深度。

工作时，水平驱动电机启动，齿轮旋转，带动测温驱动台整体沿着齿条导轨向左移动，直到到达设定的初始位置；随即旋转驱动电机驱动旋转器，旋转器带动测温仪逆时针旋转，直到到达设定的初始角度。而后水平驱动电机和旋转驱动电机同步配合，使测温仪在沿导轨向左移动的同时沿顺时针方向作旋转运动，使得测温仪发射的光斑扫描到观火孔对应的每根炉管的外壁。本发明通过测温驱动台实现了测温仪的双相运动；通过将导轮嵌入导轨两侧的凹槽，确保驱动台沿着齿条导轨持续作水平直线运动；同时，本发明通过控制水平驱动电机的速度和旋转驱动电机的角速度之间的关系，使得测温仪发射的光斑能均匀地扫描到观火孔对应的全部炉管。

测温驱动台在导轨上的移动方向和旋转器的旋转方向可根据裂解炉炉管排列方向和测量扫描方向设置，本发明不作唯一限定。

作为优选，所述导轨上还安装有若干个第一定位件，所述底板上还安装有第一接近开关。

第一定位件的数量及其在导轨上的安装位置与裂解炉观火孔的位置相对应，在开始扫描炉管前，水平驱动电机启动，齿轮旋转，使测温驱动台带着测温仪在齿条导轨上向左移动，直到测温驱动台内的第一接近开关与导轨上的第一定位块位于同一竖轴，并以此位置为参考继续向前移动距离S。

作为优选，所述第一接近开关为霍尔开关，所述第一定位件为磁体。

霍尔元件是一种磁敏元件，利用霍尔元件做成的开关，称为霍尔开关。当霍尔开关靠近磁体时，霍尔开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近是否有磁体存在，从而实现位置检测或定位。

作为优选，所述旋转器上安装有第二定位件，所述底板上还安装有第二接近开关。

在开始扫描炉管前，旋转驱动电机驱动旋转器，旋转器带动测温仪逆时针旋转，直到旋转器上的第二定位件被第二接近开关检测到，并以此位置为参考顺时针旋转一定的角度β。

作为优选，所述第二接近开关为光电开关，所述第二定位件为挡板。

光电开关是利用光电效应制造而成的零件，当有反光面即被检测物体接近时，光电开关内光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可感知是否有物体接近。

作为优选，所述光电开关通过支架固定安装在测温驱动台的底板上。

作为优选，所述底板下方安装有四个嵌入所述导轨凹槽的导轮。

此时，四个导轮分别安装在底板的四个角位置，并嵌入导轨上的凹槽，以确保驱动台在导轨上持续作水平直线运动。导轮的个数也可以为两个、六个等，本发明不作唯一限定。

作为优选，所述水平驱动电机和旋转驱动电机为步进电机。

由人工测量出H₁、H₂和H₃，给定水平驱动电机的移动速度V₁，再由式（1）求得ω，知道V₁和ω后，根据步进电机速度与脉冲频率、步进电机驱动器细分数的关系即可将相应的速度和角速度转化为步进电机所需脉冲的脉冲频率，从而实现驱动台和旋转器的同步速度控制，其中，步进电机驱动器细分数可通过查询电机参数得到。

本发明的有益效果：实现了测温仪的双相运动，使得测温仪能扫描到观火孔对应的全部炉管的外壁；通过接近开关和定位件的配合，实现了测温仪测量温度时初始位置的精准定位；水平驱动电机和旋转驱动电机之间的速度相互配合，使得测温仪能均匀地扫描到观火孔对应的全部炉管；采用步进电机，方便地实现了对水平驱动电机和旋转驱动电机的同步速度控制。

附图说明

图1是本发明的实施示意图；

图2是本发明的测温驱动台结构示意图；

图3是本发明旋转驱动电机和旋转器的结构示意图；

图4是本发明的工作流程图；

图5是本发明水平驱动电机速度与旋转驱动电机角速度关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例：

如图1和图2所示，一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，包括两侧设有凹槽的导轨9和测温驱动台10，所述导轨9上安装有齿条11和磁体12，所述测温驱动台10包括底板，所述底板下方安装有四个嵌入所述导轨9的凹槽的导轮22，所述底板上安装有水平驱动电机17、旋转驱动电机23、霍尔开关16和光电开关19，所述水平驱动电机17与齿轮连接，用于驱动测温驱动台10沿着齿条11在导轨9上移动，所述旋转驱动电机23与旋转器20连接，所述旋转器上安装有挡板21，所述水平驱动电机17的速度和旋转驱动电机23的角速度满足以下关系：

（1）

其中，ω是旋转驱动电机的速度，V₁是水平驱动电机的速度， H₁是导轨平面离裂解炉炉管平面的距离，H₂是导轨平面与裂解炉观火孔的距离，H₃是裂解炉观火孔深度。

旋转驱动电机和旋转器的结构尺寸如图3所示，旋转器20的中心通孔与旋转中心严格同轴，其采用精密研配的蜗轮蜗杆结构驱动，可以沿任意正向和反向旋转且空回极小。旋转驱动电机23和旋转器20的蜗杆通过弹性联轴节连接，使得传动同步消偏性能好，大大降低了偏心扰动且噪音小 。

如图4所示，本实施例的工作过程如下：

S1.开启测温仪；

S2.等待测量信号；

S3. 水平驱动电机17驱动测温驱动台10，测温驱动台10带着测温仪15在导轨9上水平向左移动，直到驱动台内的霍尔开关16与导轨9上的磁体12位于同一竖轴，并以此位置为参考继续向前移动距离S；旋转驱动电机23驱动旋转器20，旋转器20带动测温仪15逆时针旋转，直到旋转器20上的挡板21被光电开关19检测到，并以此位置为参考顺时针旋转一定的角度β；

S4.水平驱动电机17和旋转驱动电机23同步配合，使测温仪15在沿导轨9移动的同时作旋转运动，并使得测温仪15发射的光斑扫描到观火孔13对应的每根炉管6的外壁；

S5.该观火孔13对应的炉管6扫描完毕，水平驱动电机17和旋转驱动电机23停止运行，返回S2。

可知，本发明的光斑既进行直线运动也进行旋转运动，而要想实现均匀扫描的效果，必须保证在工作过程中，光斑始终停留在炉管6所在平面并且匀速移动。现有技术中只存在在只有直线运动或曲线运动的情况下对光斑的位置和移动速度进行控制的方法，因此要想实现本发明中光斑的位置和移动速度的控制，必须研究一种新的控制方法。

如图5所示，给定水平驱动电机向左移动的速度为V₁，以炉管6所在平面为参考系，要使测温仪15打出的光斑停留在炉管6所在平面，则要给旋转器20一定的旋转速度V₂，分析可知V₁、V₂关系为：

（2）

上式中θ是测温仪扫描测温的角度。

同时，为了保证测温仪15能均匀地扫描到每根炉管的外壁，必须使得光斑在管道平面上匀速移动，这样，旋转器20的速度在满足式(2)的基础上，还需要再叠加一个能使得光斑匀速移动的速度分量V₃，分析知V₁、V₃的关系为：

(3)

简化（3）式得

（4）

其中，R是测温仪的扫描半径，可由下式计算：

（5）

结合式（2）和式（4），可得旋转驱动电机角速度ω为：

（6）

结合式子（5）和式子（6）可得旋转驱动电机角速度ω为：

（1）

当水平驱动电机17的速度和旋转驱动电机23的角速度之间的关系满足式（1）时，测温仪15发射的光斑在炉管6所在的平面上匀速移动。

进一步地，所述水平驱动电机17和旋转驱动电机23为步进电机。

由人工测量出H₁、H₂和H₃，给定水平驱动电机的移动速度V₁，再由式（1）求得ω，知道V₁和ω后， 根据步进电机速度与脉冲频率、步进电机驱动器细分数的关系即可将相应的速度和角速度转化为步进电机所需脉冲的脉冲频率，从而实现测温驱动台移动速度与其中的旋转器的旋转速度的同步控制，其中，步进电机驱动器细分数可通过查询电机参数得到。

进一步地，所述光电开关19通过支架24固定安装在测温驱动台的底板上。

Claims (8)

1.一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，包括两侧设有凹槽的导轨和测温驱动台，所述导轨上安装有齿条，所述测温驱动台包括底板，所述底板下方安装有若干个嵌入所述导轨凹槽的导轮，所述底板上安装有水平驱动电机和旋转驱动电机，所述水平驱动电机与齿轮连接，用于驱动测温驱动台沿着齿条在导轨上移动，所述旋转驱动电机与旋转器连接，其特征在于，所述水平驱动电机的速度和旋转驱动电机的角速度满足以下关系：

ω＝2V₁/(2H₁-2H₂-H₃)+2V₁/(2H₂+H₃)

其中，ω是旋转驱动电机的角速度，V₁是水平驱动电机的速度，H₁是导轨平面离裂解炉炉管平面的距离，H₂是导轨平面与裂解炉观火孔的距离，H₃是裂解炉观火孔深度。

2.根据权利要求1所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述导轨上还安装有若干个第一定位件，所述底板上还安装有第一接近开关。

3.根据权利要求2所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述第一接近开关为霍尔开关，所述第一定位件为磁体。

4.根据权利要求3所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述旋转器上安装有第二定位件，所述底板上还安装有第二接近开关。

5.根据权利要求4所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述第二接近开关为光电开关，所述第二定位件为挡板。

6.根据权利要求5所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述光电开关通过支架固定安装在测温驱动台的底板上。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述底板下方安装有四个嵌入所述导轨凹槽的导轮。

8.根据权利要求7所述的一种裂解炉炉管外壁测温仪驱动装置，其特征在于，所述水平驱动电机和旋转驱动电机为步进电机。