CN110734781A - 一种结焦速率检测判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种裂解炉炉管内部结焦厚度及结焦速率快速检测判断方法，包括以下步骤：利用红外可视化技术获取炉管表面温度分布，根据温度分布判断结焦位置，根据连续高温点分布、排列判断结焦形态，然后利用热传导方程根据焦层和炉管热传导率，反应温度和表面温度差值计算焦层厚度，根据温差变化率计算结焦速率，预报结焦厚度。本发明提供的方法可有效解决裂解炉结焦预测和判断的关键技术难题，为裂解炉长周期安全运行提供可靠的技术保障。

Description

一种结焦速率检测判断方法
技术领域
本发明属于加热炉结焦状态监测与预测领域，尤其是化工、石油石化等相关行业加热炉运行状态检测及精细化控制操作等技术领域，具体涉及一种加热炉结焦厚度测量和运行周期预测预报方法。
背景技术
炉管内部结焦是裂解炉运行过程中的普遍现象，也是最大的安全隐患，同时也是困扰裂解炉不能长周期运行的关键技术难题。石油化工行业，特别是烯烃行业由于缺少准确、稳定、可靠的检测手段，运行状态监测主要依赖于人工定期巡查和测量，数据量稀少、缺乏实时性和连续性，且准确性和可靠性不高，尤其是对温度场整体和温差分布状况无法测量，管内结焦速率无法判断、结焦趋势无法预测，特别容易出现炉管堵塞、超温、爆管等安全生产事故。
国内外学者对裂解炉内结焦和清焦过程进行了大量的研究。专利CN201711488784公布了一种燃料裂解炉碳钢内壁抗结焦涂层的制备方法，介绍了一种碳钢内壁衬料制备、涂覆和使用方法，可有效抑制炉管内壁结焦速度和概率。专利CN201610866614专利公布了一种抗结焦合金材料及其制备方法和一种抗结焦裂解炉管，该方法可有效抑制结焦并且能够较长时间保持抗结焦性能。专利CN201610544905公布了一种减少乙烯裂解炉结焦物的方法，主要解决稀释蒸汽中夹带的高聚物无法脱除的问题。专利CN201320636988公布了一种能缓解乙烯裂解炉炉管结焦的喷射喷嘴，解决无机盐类抑制剂在高温炉管内注入困难的问题。
由上述专利分析可以看出，关于乙烯裂解炉减缓结焦、抑制结焦等方面的专利非常多，主要从裂解工艺、炉管材质、表面涂覆剂、抑制剂等方面着手解决裂解炉炉管结焦的关键技术难题。但实时在线监测结焦情况、预报结焦程度、改进操作过程、预防结焦等方面的内容则非常少见。
同时，石油化工行业还没有一种有效的工具可以判断裂解炉结焦状态，无法根据结焦状态预测运行周期，只能依靠操作工到现场凭经验判断结焦情况，因此，只能采用固定运行周期和烧焦时间。
长期以来石油化工行业裂解炉结焦速率检测判断的困难在于炉膛长期处于高温环境，高温烟气连续瞬态扰动，炉管表面温度无法准确测量；炉管内部裂解反应种类过多过于复杂，焦层碳的沉积率与反应温度密切相关；反应温度随着热传导率和结焦厚度实时变化，无法通过理论或模型计算和预测结焦速率。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题提供基于红外测温系统基础上发明一种结焦速率检测判断方法，提供一种结焦区域、结焦形态判断识别的方法，一种结焦速率、结焦程度实时计算方法，通过计算准确预报结焦情况，解决加热炉运行过程中炉管结焦程度无法判断、预测，运行周期无法准确界定的关键技术难题。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
S1利用红外测温系统测量出炉管表面温度分布，根据炉管表面温度分布判断结焦区域；
S2根据高温点连续分布、排列情况判断结焦形态；
S3根据Fourier实验定律，建立关于温度函数的一维定向热传导方程，利用测得的炉管温度和反应温度作为边界条件求解热传导方程，得到结焦厚度；
S4根据实时测量的温度变化率求解结焦厚度增长率，预报结焦厚度，判断反应深度，预测运行周期，指导裂解炉运行操作和开停炉规范。
进一步的，步骤S1中，根据波长与温度以确定辐射初度公式，根据非黑体辐射下普朗克公式得出炉管表面温度的计算公式为：
Figure BDA0002243932660000021
其中，C2为温度常数，T为壁面温度，ε为目标辐射率；
再进一步的，步骤S2中，利用红外系统测量的炉管温度设定基准温度，在基准温度基础上得到Δu(t，x)温度，根据Δu(t，x)分布判断结焦区域，根据Δu(t，x)位置、形状判断结焦形态。
特别的，步骤S3中，根据Fourier实验定律，建立关于温度函数的一维定向热传导方程，
Figure BDA0002243932660000022
上述公式u(t，x)为温度；t为温度；x为厚度；α1，α2分布为炉管和焦碳的热传导率。
优选的，步骤S3中，取炉管内部介质反应温度为x＝Δx的边界条件u(t，x)|x＝l+Δx＝U2，取红外可视化测温系统测量的炉管表面温度为x＝0处的边界条件u(t，x)|x＝0＝U1，求解一维定向热传导方程从而获得结焦厚度信息；其中U1为测量的炉管温度，U2为反应温度，l为炉管厚度，Δx为结焦厚度。
特别的，步骤S4中，解一维定向热传导方程求得Δx和
Figure BDA0002243932660000031
得到结焦厚度和结焦变化率。
有益效果：
与现有技术相比，本发明可根据计算的结焦厚度和结焦速率实时预测裂解炉运行周期、确定烧焦时间，延长裂解炉运行周期，提高企业经济效益；同时还可根据结焦厚度和结焦速率判断裂解炉运行操作情况，避免出现火焰舔炉管、炉管超温、堵塞、泄露和爆炸的可能，保障裂解炉长周期、安全、稳定运行。
附图说明
图1为本发明的结焦速率检测和判断的流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种结焦速率检测判断方法，包括以下步骤：
S1：炉管表面温度测量采用红外比色可视化测温技术。通过选取合适的波长、带宽及波长间距可有效减少目标辐射率和高温烟气对测温精度的影响，准确测量壁面温度分布。在波长λ1和λ2下，同时测量目标同一点发射的光谱辐照度为M(T，λ1)和M(T，λ2)，利用二者的比值可反演目标任一点的温度：
Figure BDA0002243932660000032
其中，C2为温度常数，T为壁面温度，ε为目标辐射率。
S2：利用红外比色测温技术获取炉管表面温度分布，根据炉管表面温度分布情况寻找温差阈值，设定阈值温度计算温差Δu(t，x)，根据炉管表面温差Δu(t，x)和排列情况即可判定结焦位置和形态，计算日平均升温幅度。除此之外，红外可视化测温技术还可实现对炉管表面温度实时测量与可视化显示，对炉管进行超温报警、温差报警等功能，能及时发现裂解炉在运行过程中出现的问题，避免炉管因为局部超温导致安全事故的发生，减少不必要的停炉，延长运行周期，更加全面的掌握和了解炉膛的燃烧工况和炉管温度状况。
在步骤S2中，利用温度与热量传导之间的关系，由于结焦导致热传导率下降，表面温度升高，因此，首先测量表面温度判断结焦位置和形态，再通过定向热传导方程精确计算结焦厚度和速率。
S3：建立一维定向热传导方程求解结焦厚度。炉管长期处于炉膛高温辐射、对流和传导环境中，环境复杂、气氛恶劣，周围环境温度高，炉管温度低，炉管是吸热体。炉管表面温度高，内部反应温度低，热量从高温管壁传输到管内介质，提供管内介质反应所需的热量。由于热量传导过程是高温管壁接收热辐射和对流的热量，经炉管金属材料传导到内部反应介质，因此，在此过程中忽略热辐射和热对流效益，仅考虑热传导效应。
设u(t，x)是关于位置和时间的二元函数，根据传热学的傅里叶实验定律，在Δt时间内，通过面积元ΔS流入小体积元的热量Q与沿面积元外法线方向的温度变化率成正比。因为热量传导的方向共线，所以仅考虑一维情况。
定义x＝0处为炉管表面位置，Δx为炉管厚度，炉管表面微元吸收的热量：
Figure BDA0002243932660000041
炉管内壁微元放出的热量：
Figure BDA0002243932660000042
在Δt时间内沿炉管径向在Δx长度范围内传递的热量：
Figure BDA0002243932660000043
流入的热量使炉管内部介质温度发生变化，Δt时间间隔内介质温度从u(t，x)变化到
u(t+Δt，x)，应该吸收的热量是：
Q1-Q2＝CΔm(u(t，x)-u(t+Δt，x))
Figure BDA0002243932660000051
Figure BDA0002243932660000052
带入δm＝ρ*δv＝ρ*δs*δx得：
即得一维定向热传导方程：
Figure BDA0002243932660000054
其中，k是炉管材料热传导率；C为炉管材质比热容；ρ为炉管材料密度。
然后确定一维定向热传导方程求解的边界条件。取炉管内部介质反应温度为x＝Δx的边界条件u(t，x)|x＝l+Δx＝U2；取红外可视化测温系统测量的炉管表面温度为x＝0处的边界条件u(t，x)|x＝0＝U1；求解热传导方程，获得结焦厚度信息并实时显示。
S4：根据Δu(t，x)确定炉管表面温度实时变化率和日平均变化率，并根据Δu(t，x)变化幅度实时计算结焦厚度变化率，根据变化趋势预测平均结焦速率，判断运行状态，预报运行周期。为裂解炉安全、稳定、长周期运行奠定坚实的基础，提高企业经济效益
应当指出的是，本发明公开不限于前述实施方式并且可以在不背离本公开的精神的情况下适当地改变。例如，在步骤S1中，选取合适的波长、带宽及波长间距可有效减少目标辐射率和高温烟气对测温精度，在波长λ1和λ2下将炉管近似为在黑体辐射下简化普朗克公式；例如，在步骤S2中，关于温差阈值的测试通过标定、工艺需求和计算得出的，作为结焦厚度计算的基础并且基础温度随着各个阶段工况和条件的变化动态变化的；例如，在步骤S3中，选取不同的边界条件连续求解定向热传导方程将求取的结焦速率和结焦厚度增长率加权平均减少变化趋势的误差等等。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (6)

1.一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1利用红外测温系统测量出炉管表面温度分布，根据炉管表面温度分布判断结焦区域；
S2根据高温点连续分布、排列情况判断结焦形态；
S3根据Fourier实验定律，建立关于温度函数的一维定向热传导方程，利用测得的炉管温度和反应温度作为边界条件求解热传导方程，得到结焦厚度；
S4根据实时测量的温度变化率求解结焦厚度增长率，预报结焦厚度，判断反应深度，预测运行周期，指导裂解炉运行操作和开停炉规范。
2.根据权利要求1所述的一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，步骤S1中，根据波长与温度以确定辐射初度公式，根据非黑体辐射下普朗克公式得出炉管表面温度的计算公式为：
Figure FDA0002243932650000011
其中，C2为温度常数，T为壁面温度，ε为目标辐射率。
3.根据权利要求1所述的一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，步骤S2中，利用红外系统测量的炉管温度设定基准温度，在基准温度基础上得到Δu(t，x)温度，根据Δu(t，x)分布判断结焦区域，根据Δu(t，x)位置、形状判断结焦形态。
4.根据权利要求3所述的一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，步骤S3中，根据Fourier实验定律，建立关于温度函数的一维定向热传导方程，
Figure FDA0002243932650000012
上述公式u(t，x)为温度；t为时间；x为厚度；α1，α2分别为炉管和焦碳的热传导率。
5.根据权利要求4所述的一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，步骤S3中，取炉管内部介质反应温度为x＝Δx的边界条件u(t，x)|x＝l+Δx＝U2，取红外可视化测温系统测量的炉管表面温度为x＝0处的边界条件u(t，x)|x＝0＝U1，求解一维定向热传导方程从而获得结焦厚度信息；其中U1为测量的炉管温度，U2为反应温度，l为炉管厚度，Δx为结焦厚度。
6.根据权利要求3所述的一种结焦速率检测判断方法，其特征在于，步骤S4中，解一维定向热传导方程求得Δx和得到结焦厚度和结焦变化率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114774159A (zh) * 2022-04-22 2022-07-22 中国石油化工股份有限公司 一种可延长沸腾床渣油加氢装置运行周期的结焦预警方法及模型建立装置

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