DE69208157T2 - Verfahren zur Bestimmung der Erosion oder der Stopfen in einer Strömung in Einsatzdüsen mit Verteilerleitungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Erosion oder teilweiser Verstopfung von Düsen oder Drosselöffnungen (RO) an einem Verteilerrohr in einem Zweiphasen-(Gas/Flüssigkeit)-Zufuhrsystem. Das Verfahren erfordert keinen direkten mechanischen Kontakt zwischen dem Sensor und dem flüssigen Material.
• Zweiphasendüsen sind von Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei der Injektion von zerstäubter Zufuhr in chemischen oder Erdölverarbeitungsverfahren. In vielen solcher Prozesse ergeben sich Verbesserungen in der Funktionsfähigkeit oder Selektivitätsverbesserungen, wenn eine zerstäubte Kohlenwasserstoffflüssigkeit in gesteuerter und abgemessener Weise in eine Reaktionszone gesprüht wird, insbesondere wenn bei einem Prozeß ein Katalysator beteiligt ist. Ein Beispiel ist der Prozeß des katalytischen Fließbettcrackens (FCC) von höhersiedenden Erdölfraktionen. Typischerweise wird ein hoher Grad an Zerstäubung erreicht, indem die Zufuhrflüssigkeit mit einem Gas gemischt und das Gemisch von einer Zufuhrdüse in den Prozeß injiziert wird, die dazu gestaltet ist, fein verteilte Tropfen zu erzeugen. Beim katalytischen Cracken wird typischerweise Dampf als Zerstäubergas verwendet, aber es kann jedes prozeßkompatible Gas verwendet werden.
• Die Notwendigkeit, die Verteilung der in einen Prozeßbehälter eingesprühten zerstäubten Flüssigkeit zu steuern und abzumessen, wird normalerweise dadurch befriedigt, daß Vielfach-Zuleitungen oder Düsen verwendet werden. Es ergeben sich potentielle Vorteile der Anlagenfunktion, wenn die richtige Mischung von Flüssigkeit zu Dampf zur Zerstäubung aufrechterhalten wird und sichergestellt wird, daß jede Düse einen spezifizierten Flüssigkeits- oder Massendurchfluß trägt. Eine übliche Betriebsweise ist, den gleichen Flüssigkeitsdurchfluß in jeder Düse aufrechtzuerhalten. Geeignete Zerstäubung wird aufrechterhalten, indem mit sorgfältig ausgestalteten Geometrien, von denen man annimmt, daß sie beim Betrieb keine Veränderung erfahren, richtige Fließgeschwindigkeiten zu den Düsen sicherstellt. Die meisten Anlagen mit Vielfach-Zufuhrdüsen enthalten gewöhnlich Sperrventile oder Drosselöffnungen an den Flüssigkeits- und Gasleitungen zu den einzelnen Düsen, aber diese Steuerungen bestimmen den Flüssigkeitdurchfluß nicht eindeutig. Wenn die Düsen aus einer gemeinsamen Verteilerleitung versorgt werden, ist nicht sichergestellt, daß der Flüssigkeitsdurchfluß durch jede Düse optimiert ist, da nur der Nettoflüssigkeitsdurchfluß durch die gesamte Verteilerleitung einfach gemessen werden kann. Demgegenüber wird der Gasdurchfluß zu einer Düse gewöhnlich bestimmt durch eine Drosselöffnung an der Gasleitung, die eine relativ definierte Gasverteilung zu den einzelnen Düsen sicherstellt.
• Die Messung des Massendurchflusses einer Flüssigkeit ist nicht neu. Es gibt eine Vielzahl von Strömungsmessern, die verwendet worden sind, um den Massendurchfluß zu messen. Einige von ihnen sind mechanischer Natur und nutzen die Kraft einer bewegten Flüssigkeit aus, um ein Rad zu drehen oder eine Nadel zu biegen. Solche Strömungsmesser können den Massendurchfluß nur unter Einzelphasenbedingungen messen und sind gewöhnlich auf nichtverschmutzende Flüssigkeiten beschränkt. Die verfügbaren Strömungsmesser für den Einzelphasendurchfluß, die in der Erdölindustrie und in der petrochemischen Industrie üblich sind, sind relativ teuer. Die sehr hohen Temperaturen, die aufrechterhalten werden, um die Strömungsviskosität zu reduzieren, schaffen noch weitere Komplikationen. Ferner verschmutzen die Zufuhrflüssigkeiten die mechanischen Teile solcher Strömungsmesser leicht und verstopfen diese.
• Es gibt eine Vielzahl von Strömungsmessern, die als "Wirbelströmungsmesser" bekannt sind und die die von in der Strömung plazierten Hindernissen ausgehenden Wirbelwellen auswerten, um die Fließgeschwindigkeit aus der Frequenz der Wirbelablösungen zu messen. Solche Strömungsmesser sind wiederum auf Einzelphasenströmungen beschränkt. Auch erfordern sie die Plazierung eines Hindernisses in der Strömung und sind daher wiederum anfällig für Verschmutzung. Der Temperaturbereich der meisten Systeme ist eng aufgrund der fundamentalen Beschränkungen der Schallwandler, die benötigt werden, um den durch das Hindernis erzeugten Schall aufzunehmen.
• Es gibt eine Vielzahl von akustischen Strömungsmessern, die Ultraschall verwenden, um den Durchfluß zu messen. Eine Klasse von solchen Strömungsmessern verwendet einen Ultraschall-Sender/Empfänger, der an dem Rohr angebracht ist, das die sich bewegende Flüssigkeit umgibt, und einen Ultraschall-Empfänger/Sender, der an demselben Rohr stromabwärts und/oder stromaufwärts angebracht ist. Die hohe Betriebstemperatur bei vielen erdölverarbeitenden und petrochemischen Prozessen, wie auch die geometrischen Zwänge der Anbringung der akustischen Einrichtung machen diese Strömungsmesser teuer und in vielen erdölverarbeitenden und petrochemischen Anwendungen schwierig anzuwenden. Die Temperaturen überschreiten oft die Betriebsgrenzen vieler Einzelphasen-Strömungsmesser.
• Die Messung des flüssigen Anteils eines Gas-Flüssigkeitsgemisches, das durch Zweiphasendüsen strömt, ist schwierig. Übliche Geräte zur Strömungsmessung sind nur auf die Geschwindigkeit der Strömung oder seinem Druck empfindlich und nicht auf den Massendurchfluß. Daher sind solche Einrichtungen nicht in der Lage, den Flüssigkeitsdurchfluß ohne separate und ebenso komplizierte Messung der Dichte des Gemisches zu messen. Einrichtungen, die in der Lage sind, den Einzelphasen-Flüssigkeitsdurchfluß zu messen, sind teuer und sind häufig eingreifend, da sie das Einsetzen einer Öffnung oder einer Barriere in die Strömung erfordern, die leicht durch den Flüssigkeitsanteil des Gemisches verschmutzt werden kann. Da bei den meisten erdölverarbeitenden und petrochemischen Anwendungen das Zweiphasengemisch auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, um eine ausreichend niedrige Strömungsviskosität zu erhalten, gibt oft Temperaturgrenzen für die Strömungsmeßeinrichtungen.
• Mithin werden in den meisten erdölverarbeitenden und petrochemischen Anlagen nicht die Durchflüsse an jeder Zufuhrdüse gemessen, da geeignete Strömungsmesser und Steuerventile aufgrund der schwierigen Prozeßbedingungen und aufgrund der Einschränkungen der Rohrgeometrie teuer sind. Die Entwicklung von spezialisierten Strömungsmessern, um solchen strengen Anforderungen zu erfüllen, würde erhebliche Kosten und unerwünschte Komplexität erfordern. Ferner erlauben existierende Techniken nicht, teilweises Verstopfen oder Erosion an einzelnen Zufuhrdüsen on-line zu identifizieren. Gegenwärtige Verfahren wenden Drucksensoren an den Düsen an, um Zustände zu identifizieren, die erheblicher Verstopfung zugeschrieben werden können.
• US-A-5 004 152 beschreibt einen Aufbau mit Düsen an Verteilerrohren (siehe insbesondere Figur 2); durch einen Beschleunigungsmesser oder einem anderen Wandler werden Vibrationssignale abgefühlt, um Leistungsspektren für eine bestimmte Düse zu erzeugen, welche Spektren durch ihre Form unterschiedliche Strömungszustände anzeigen. Die Erfindung in dem Patent bezieht sich auf die Bestimmung der zeitlichen Veränderung des Vibrationssignals in einer ersten und einer späteren Zeitperiode, wobei diese verglichen werden und der Düsenströmungszustand demgemäß korrigiert wird.
• Obwohl erdölverarbeitende und petrochemische Prozeßanlagen einen verbesserten Betrieb mit spezifizierter Flüssigkeitsverteilung und Zufuhrzerstäubung aus Zufuhrdüsen an Verteilerleitungen zeigen können, wird gewöhnlich nur der Nettoflüssigkeitsdurchfluß zu der Verteilerleitung gemessen oder gesteuert. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit von Strömungsinstabilitäten, Erosion oder Verstopfung an den Zufuhrdüsen im wesentlichen begründet durch die komplexe Natur des aus der Düse austretenden Zweiphasenfluids. Zu den Unsicherheiten in der Flüssigkeitsverteilung tritt die Möglichkeit hinzu, daß der Flüssigkeitsanteil des Fluids verdampft werden könnte. Das Vorhandensein solcher Strömungsinstabilitäten läßt sich gewöhnlich nur durch anomale Prozeßbedingungen oder Veränderungen in den Prozeßausgabewerten über eine längere Zeitperiode feststellen. Ferner kann die Zufuhrdüsenöffnung teilweise verstopfen oder erodieren, was zu erheblichen Fehlverteilungen der Strömung und/oder schlechter Zufuhrzerstäubung führt, die unentdeckt bleiben können, bis die Anlage zur Wartung abgeschaltet wird. Ähnliche Verstopfung oder Erosion kann auch an der Dampf-Drosselöffnung auftreten. Es besteht daher ein Bedarf für eine Technik, mit der Erosion oder teilweise Verstopfung an einer individuellen Düse gemessen und überwacht werden kann. Eine frühe Erkennung von Erosion oder Verstopfung einer Düsenmündung ermöglicht Operationsveränderungen an dem Prozeß. Solche Änderungen umfassen mechanische Reparaturen (soweit möglich) und Neuverteilung der Strömung durch Einstellungen in dem Ölsperrventil.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erkennen und Quantifizieren von Erosion oder teilweiser Verstopfung an individuellen Düsen oder ROs in Zweiphasen-(Gas/Flüssigkeits)-Zufuhrsystemen. In Zusammenhang mit dieser Erfindung umfaßt Erosion der Düsenmündung oder Verstopfung der Düsenmündung jede physikalische Veränderung in den Abmessungen, die sich auf den Druckabfall an der Düse auswirkt. Solche Änderungen umfassen Erosion oder Ablagerungen an Engstellen oder Mischflügeln, aber sind nicht darauf beschränkt.
• Die vorliegende Erfinndung schafft ein Verfahren zum Bestimmen des absoluten Massendurchflusses einer Flüssigkeit von jeder aus einer Vielzahl von flüssigkeitsversorgten Düsen mit Verteilerrohr während des Betriebs, welche Düsen eine Zweiphasen-Flüssigkeits-Gas-Strömung fördern, mit den Schritten:
• (a) zeitweiliges Unterbrechen oder Ändern des Flüssigkeitsdurchflusses durch eine der flüssigkeitsversorgten Düsen;
• (b) Messen des Gesamtvolumens des Flüssigkeitsdurchflusses zu dem Verteilerrohrsystem;
• (c) Messen eines Flüssigkeitsströmungsparameters für jede der flüssigkeitsversorgten Düsen, einschließlich derjenigen, die zeitweilig unversorgt ist oder einen geänderten Durchfluß hat, wobei der Parameter über eine Polynomfunktion des Parameters mit dem Volumen des Düsenflüssigkeitsdurchflusses in Beziehung steht;
• (d) Wiederholen der Schritte (a), (b) und (c) für jede Düse mit einer genügenden Anzahl von Wiederholungen, so daß die unbekannten Polynomkoeffizienten der anwendbaren Polynomfunktionen für die Wiederholungen der Schritte (a), (b) und (c) bestimmt werden können, wobei jeder geänderte Düsenflüssigkeitsdurchfluß in jeder Wiederholung der Schritte (a) bis (c) verschieden sein kann;
• (e) Bestimmen der unbekannten Koeffizienten der Polynomfunktionen, welche die Flüssigkeitsströmungsparameter der flüssigkeitsversorgten Düsen mit ihren Flüssigkeitsdurchflußvolumen in Beziehung setzen;
• (f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu einem späteren Zeitpunkt an denselben Verteilerrohrdüsen oder an einer identischen Vielzahl von Düsen an demselben Verteilerrohr; und
• (g) Nachweisen jeglicher Änderung in den Koeffizienten der Polynomfunktionen über die Zeit und Korrelieren solcher Änderungen mit Zweiphasenmodellen für Verstopfung oder Erosion.
• Die Erfindung umfaßt auch die in Anspruch 2 und Anspruch 3 definierten Verfahren.
• Durch Anwendung dieser Erfindung können geometrische Veränderungen an der Düsenmündung von Veränderungen an Gas-ROs unterschieden werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine absolute Kalibrationstechnik verfügbar, um die Flüssigkeitsdurchflüsse per Düse mit spezifizierten Parametern in Beziehung zu setzen, die näherungsweise linear dem Flüssigkeitsdurchfluß entsprechen (die Flüssigkeitsströmungsparameter Pij für die i-te Düse und den j-ten Verteilerrohrzustand). Beispiele für geeignete Flüssigkeitsströmungsparameter sind: Druck (statischer oder dynamischer), die Flüssigkeitsströmungsspitze in einem Frequenzspektrum und die Gasspitze in einem Frequenzspektrum. Die Flüssigkeitsströmungsspitze und die Gasspitze können einfach mit einem Beschleunigungs-Vibrationssensor gemessen werden. Flüssigkeitsströmungsparameter können bei Anwendung von einfachen zu wartenden Wandlern einfach gemessen werden, die in allgemeinem Gebrauch sind und von denen einige keine mechanischen Kontakte mit der Flüssigkeit benötigen. Ferner kann das Verfahren in einer elektronischen on-line-Betriebsart oder manuell angewendet werden. Es kann jeder Wandler verwendet werden, der eine näherungsweise lineare Anzeige in bezug auf den Durchfluß liefert, darunter:
• (1) ein Druckwandler (statisch oder dynamisch) in Kontakt mit dem Gas stromabwärts der Drosselöffnung (RO), die den Gasbeitrag zu der Zweiphasen-(Gas/Flüssigkeits)-Strömung steuert;
• (2) ein Beschleunigungsmesser oder ein anderer Vibrationssensor in Kontakt mit durch Festkörper übertragenen Schall, der durch die Drosselöffnung (RO) erzeugt ist, die das Gas steuert, oder in Kontakt mit Flüssigkeitsströmungsturbulenzen innerhalb der Düse;
• (3) andere Wandler, die funktionell konsistente Anzeigen des Flüssigkeitsmassendurchflusses liefern.
• Der durch einen dynamischen Druckwandler oder einen Beschleunigungsmesser gemessene Flüssigkeitsströmungsparameter wird für ein Signal, das über ein spezifisches Frequenzband integriert ist, definiert. Typischerweise berechnet die tatsächliche Integration die bandbegrenzte Beschleunigung im quadratischen Mittel (RMS), indem die Daten zunächst quadriert und integriert werden und dann die Quadratwurzel des Ergebnisses berechnet wird. Das interessierende Frequenzband wird experimentell so bestimmt, daß die integrierte Antwort monoton von dem Flüssigkeitsdurchfluß abhängt. Die experimentelle Bestimmung wird ausgeführt, indem der Flüssigkeitsdurchfluß in diskreten Schritten erhöht wird, während die Flüssigkeitsströmungsparameter gemessen werden. In erdölverarbeitenden und petrochemischen Anwendungen wurden als Frequenzbänder für die Flüssigkeitsströmungsparameter beobachtet: 0-6400 Hz (Beschleunigungsströmungsspitze); 4000-12000 Hz (Beschleunigungsgasspitze); 0-1000 Hz (dynamischer Druck). Die Flüssigkeitsströmungsspitze und der dynamische Druck wachsen monoton mit wachsendem Flüssigkeitsdurchfluß. Für diese speziellen Beispiele sind die monotonen Beziehungen näherungsweise linear für FCC-Verteilerrohre. Die Flüssigkeitsströmungsspitzen werden durch die fließende und mischende Flüssigkeit erzeugt. Die Gasspitzen werden durch die Gasströmung und den Druckabfall über die Drosselöffnung erzeugt.
• Verstopfungen oder Erosion wird erkannt, indem Änderungen in den Düsenströmungseigenschaften, wie mit den obigen Wandlern gemessen, verglichen werden. Genauer werden ihre Strömungseigenschaften durch die Kalibrationskoeffizienten spezifiziert, die die Flüssigkeitsströmungsparameter Pij mit dem Flüssigkeitsdurchfluß in Beziehung setzen. Es können Vergleiche mit früher archivierten Daten oder mit Kalibrationskurven anderer identischer Düsen an demselben Verteilerrohr angestellt werden.
• Für einen weiten Bereich von Flüssigkeit/Gas-Zerstäubungsbedingungen in individuellen Zufuhrleitungen oder Düsen können Veränderungen in der Düsenmündungsgeometrie von Veränderungen an der RO in Echtzeit unterschieden werden. Da das Verfahren von Größen abhängt, die mit der Masse des fließenden Fluids in Beziehung stehen, ist es eine weitverbreitet anwendbare Technik für viele Arten von Zweiphasen-Fluidzerstäubern. Da die Ausgabewerte des beschriebenen Verfahrens elektronischer Art sind, können sie leicht zu einem Steuersystem übertragen werden und zur automatischen Steuerung des Zufuhrdurchflusses durch individuelle Düsen verwendet werden, die aus einem gemeinsamen Verteilerrohr gespeist werden.
• Die Erfindung wird besser verständlich werden, indem beispielhaft auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
• Figur 1a eine schematische Darstellung der Zufuhrinjektionszone einer katalytischen Fließbett-Crackanlage zeigt, in der die Anordnung der Zufuhrdüsen angedeutet ist.
• Figur 1b zeigt die Ölzulaufleitung, die das Verteilerrohr und die individuellen Zufuhrdüsen versorgt, wobei die Ölsperrventile angedeutet sind.
• Figur 1c die Fließverbindungen zu einer individuellen Zufuhrdüsen zeigt, wobei der Dampfstrom durch eine Drosselöffnung (RO) bestimmt wird und wobei der Öldurchfluß durch ein Sperrventil gesteuert werden kann.
• Figur 1d zeigt geeignete Positionen für den dynamischen Druckwandler, der in akustischem Kontakt mit Gas/Flüssigkeit stromabwärts des Gas-Flüssigkeit-Mischpunktes sein sollte; der statische Druckwandler sollte in Kontakt mit dem Gas sein; und der Beschleunigungsmesser sollte so angebracht sein, daß er entweder auf den durch Festkörper übertragenen Schall empfindlich ist, der durch die Strömung durch die RO erzeugt wird (die Gasspitze), oder auf das Flüssigkeitsmischungsgeräusch empfindlich ist, das durch die Düse erzeugt wird (die Flüssigkeitsströmungsspitze). Der Beschleunigungsmesser kann an der Oberfläche oder der Kante des Flansches, in dem die RO gehalten ist, oder an einen anderen Punkt an der Zufuhrdüse, wie etwa dem Stangenstöpsel oder dem Düsenflansch, befestigt werden. Alternativ kann der Beschleunigungsmesser so angebracht werden, daß er auf das Flüssigkeitsströmungsgeräusch empfindlich ist (wie etwa an dem Stangenstöpsel).
• Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung einer FCCU-Drosseldüse.
• Figur 2b zeigt eine schematische Darstellung einer FCCU-Drosseldüse mit Mischflügeln.
• Figur 3 zeigt Beispiele von hypothetischen Flüssigkeitsdurchfluß-Kalibrationskurven, um Verstopfen oder Erosion zu zeigen. Die durchgezogenen Kurven sind Durchflußdarstellungen mit Düsen- und RO-Geometrien im Normalfall. Strichpunktierte Kurven zeigen Erosion und gestrichelte Kurven zeigen Verstopfen:
• a) Wirkung der Düsengeometrieänderung auf die RO-Beschleunigungsgasspitze
• b) Wirkung der Düsengeometrieänderung auf den statischen Druck stromabwärts der RO
• c) Wirkung der RO-Geometrieänderung auf die RO-Beschleunigungsgasspitze
• d) Wirkung der RO-Geometrieänderung auf den statischen Druck stromabwärts der RO.
• Figur 4 zeigt ein Ablaufschema, das den detaillierten Ablauf der Analyseprozedur zum Erkennen des Ortes (Düse oder RO) und der Art der Änderung (Erosion oder Verstopfung) angibt.
• Figur 5a ist ein spezielles Beispiel, daß Düsenerosion bei Verwendung der RO-Beschleunigungsgasspitze zeigt.
• Figur 5b ist ein spezielles Beispiel, daß Düsenerosion bei Verwendung des statischen Druckes zeigt.
• Hierin wird ein im-Strom-Verfahren zum Erkennen und Quantifizieren von Erosion oder teilweiser Verstopfung von Düsen oder ROs an Verteilerleitungen in einem Zweiphasen-(Gas/Flüssigkeit)- Zufuhrsystem geometrischer Veränderungen an der Gas-RO unterschieden. Das Verfahren erfordert die Messung einer Größe, die näherungsweise linear auf den Massen- oder Volumenflüssigkeitsdurchfluß reagiert (die Flüssigkeitsströmungsparameter Pij). Diese Flüssigkeitsströmungsparameter werden funktionell zu dem Flüssigkeitsdurchfluß durch Messung von Kalibrationskoeffizienten in Beziehung gesetzt. Veränderungen in der Kurve (Kalibrationskoeffizienten), die die Flüssigkeitsströmungsparameter mit dem Flüssigkeitsdurchfluß in Beziehung setzt, können mit Geometrieveränderungen in der RO oder der Düsenmündung korreliert werden. Bei linearen Abhängigkeiten manifestieren sich diese Veränderungen durch modifizierte Kalibrationskoeffizienten bestehend aus Steigungen und Achsenschnittpunkten. Beispiele, die in der Lage sind, Flüssigkeitsströmungsparameter zu erzeugen, umfassen: den statischen Druck, den dynamischen Druck, die Flüssigkeitsströmungsspitze, die Gasspitze. Es wurden gewisse Vorteile gefunden, wenn die Gasspitze gemessen durch einen Beschleunigungsmesser verwendet wurde.
• Die erforderlichen Wandler sind in allgemeinem Gebrauch, einige von Ihnen haben keinen mechanischen Kontakt mit der Flüssigkeit. Das vorliegende Verfahren erfordert nicht, daß ein mechanisches Element in Kontakt mit der Flüssigkeitsströmung ist. Weiterhin kann das Verfahren in einer elektronischen on-line-Betriebsart oder manuell angewendet werden. Wenn der Ort der Veränderung (z.B. entweder Düse oder RO) bekannt ist, kann jeder Wandler verwendet werden, der eine näherungsweise lineare Anzeige in Abhängigkeit vom Durchfluß liefert. Wenn jedoch der Ort der Erosion (Düse oder RO) bestimmt werden muß, dann muß ein Sensor verwendet werden, der auf akustische oder Vibrationsenergie empfindlich ist. In typischen Fällen ist ein Beschleunigungsmesser bevorzugt, um akustische oder Vibrationsenergie zu messen, da er im wesentlichen unempfindlich gegenüber luftübertragenem Schall ist, der durch unabhängige Prozeßgeräusche erzeugt ist.
• Mit dem vorliegenden Verfahren ist es auch möglich, Veränderungen in der Düsenmündungsgeometrie von Veränderungen an der RO für einen weiten Bereich von Flüssigkeit-Gas-Zerstäubungsbedingungen in individuellen Zufuhrleitungen oder Düsen in Echtzeit zu unterscheiden. Da das Verfahren von Größen abhängt, die in Beziehung zu der Flüssigkeitsmasse (oder dem Volumen) des fließenden Fluids stehen, ist es eine weithin anwendbare Technik für viele Arten von Zweiphasen-Fluidzerstäubern. Da die Ausgabewerte des beschriebenen Verfahrens elektronischer Art sind, können sie leicht zu einem Steuersystem übertragen und verwendet werden, um automatisch Erosion individueller Düsen zu überwachen, die aus einem gemeinsamen Verteilerrohr gespeist werden.
• Figur 1a ist eine schematische Darstellung des Injektionsbereichs einer typischen katalytischen Fließbett-Crack-Anlage, die die Anordnung von (in diesem Beispiel) acht Zufuhrdüsen (1), die in ein Zufuhrsteigrohr (2) mit angedeuteter Katalysatorströmung (3) injizieren. Das Öl für die Zufuhrdüsen wird von einer Sammelleitung (4) zu einem gemeinsamen Verteilerrohr (5) verteilt, wie in Figur 1b gezeigt. Wie in der Figur angedeutet, steuert ein individuelles Sperrventil (7) in jeder Leitung den Öldurchfluß zu der Düse (6). Wie in Figur 1c gezeigt, werden Dampf (9) und Öl (11) einer individuellen Düse zugeführt; dabei dient der Dampf einem zweifachen Zweck, das Öl zu zerstäuben und die Düse freizuhalten, wenn kein Öl zugeführt wird. Der Öldurchfluß wird durch die Sperrventile (12) gesteuert, wie in Figur 1c gezeigt; der Dampfdurchfluß wird gesteuert, indem man den Dampfströmung unter hohem Druck durch eine Drosselöffnung (RO) (10) fließen läßt, was typischerweise unter den Bedingungen einer "Drosselströmung" einen konstanten Massendurchfluß von Dampf unabhängig vom stromabwärts herrschenden Druck aufrechterhält. Der Druck stromaufwärts der RO bleibt typischerweise konstant. Die Düse ragt in das Zufuhrsteigrohr (13) hinein, um zerstäubtes Öl (14) in dem Katalysatorstrom (15) zu verteilen.
• Figur 1d zeigt eine einzelne Zufuhrdüsenrohrinstallation im Detail. Öl (16), das durch das Sperrventil (17) fließt, mischt sich mit durch RO (19) gesteuerten Dampf (18). Der Öl-Dampf- Mischpunkt (20) liegt stromabwärts sowohl des Ölventils als auch der RO. Das Gemisch wird durch einen Düsenzylinder (21) zur Düsenspitze (22) gedrückt und tritt als Sprühnebel (23) aus der Düsenspitze aus.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Vibrationssensor (24) an oder benachbart dem Flansch (25) angebracht, der die RO (19) trägt, oder an irgendeinem Ort in direkten Kontakt mit dem Schall und der Vibration, die durch die RO erzeugt wird (z.B. die Gasspitze); oder er ist positioniert, um auf durch den Flüssigkeitsdurchfluß erzeugten Schall oder Vibrationen empfindlich zu sein, wie etwa an dem Stangenstöpsel (26) oder an dem Stangenstöpselflansch (27) (z.B. die Flüssigkeitsstromspitze). Jede Position, an der der Beschleunigungsmesser auf Veränderungen in den Strömungsgeräuschen, die durch die RO oder die Flüssigkeits- Gas-Mischung erzeugt werden, ist akzeptabel. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein statischer oder dynamischer Druckwandler (28) so angeordnet, um in Kontakt mit der Strömung stromabwärts der RO oder des Öl-Dampf-Mischpunktes zu sein. Jede Position, in der der Wandler auf Veränderungen im Durchfluß empfindlich ist, ist akzeptabel. Funktionsfähige Beispiele sind die Position (29) für den dynamischen Druckmesser oder Position (30) für den statischen Druckmesser.
• Wie bemerkt, umfaßt das vorliegende Verfahren ein Verfahren zum Erkennen von Erosion oder Verstopfung von individuellen Düsen oder ROs in Zweiphasen-(Gas/Flüssigkeits)-Zufuhrsystemen. Die Düsen, die zur Injektion von Öl in katalytische Fließbett-Crack- Einheiten verwendet werden, sind besonders wichtig und werden als Beispiele verwendet. Für diese Düsen ist das Gas Dampf und die Flüssigkeit Öl.
• Figuren 2a und 2b zeigen Details von zwei typischen Mündungsgeometrien, wie sie in FCC-Zufuhrsystemen mit Verteilerrohren verwendet werden. In diesen Figuren tritt die Dampf/Öl-Gemischströmung (1) in die Düsenmündung (2) zu der Düsenmischkammer (3) ein. Schließlich tritt das Gemisch an der Düsenspitze (4) aus. Das Mündungsgebiet, das für eine Düse vom Drosseltyp in Figur 2a angedeutet ist, ist der Erosion ausgesetzt. In Figur 2b können die Mischflügel in der Düsenmischkammer (3) und/oder das Mündungsgebiet im Betrieb erodiert werden. In beiden Fällen wird angenommen, daß die Erosion verursacht wird entweder durch 1) Katalysatorteilchen, die in die Düse eingezogen werden, oder 2) Kavitation des Zweiphasengemisches innerhalb der Düse. Teilweise Düsenverstopfung kann während Perioden von ungenügendem Dampf- zu-Öl-Verhältnis auftreten, entweder durch Ablagerung von Katalysatorteilchen und/oder durch Verkoken der Ölströmung.
• RO-Erosion tritt auf, wo die Dampfreinheit und der Feuchtigkeitsgehalt nicht ausreichend gesteuert wurde. Es ist bekannt, daß Verstopfungen aufgrund einer Vielzahl von Gründen auftreten: Umkehr der Katalysatorströmung (in Perioden unerwarteter Abschaltung; Leitungsbruchstücke durch Rost oder ungenügende Produktionsverfahren. Für die Zwecke dieser Beschreibung ist der Mechanismus der Düsen/RO-Erosion oder -Verstopfung nicht von Bedeutung.
• Um die benötigten Kalibrationsgleichungen zu formulieren, ist es erforderlich, Messungen an dem Flüssigkeitszufuhrsystem in einer Vielzahl von verschiedenen Arbeitszuständen, die in der folgenden Beschreibung durch den zweiten tiefgestellten Index (j) bezeichnet werden, durchzuführen.
• Die verallgemeinerte funktionsmäßige Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsströmungsparameter und dem Flüssigkeitsdurchfluß der Düse kann wie folgt ausgedrückt werden:
• Fij = fi(Pij) (1)
• wobei:
• Fij = Flüssigkeitsdurchfluß für die Düse i unter Verteilerrohrbedingung j.
• fi(Pij) = Flüssigkeitsdurchfluß für die Düse i ausgedrückt als Funktion fi des Flüssigkeitsströmungsparameters Pij unter Verteilerrohrbedingung j. Die funktionelle Beziehung fi wird als invariant unter Veränderungen der Verteilerrohrbedingungen angenommen.
• Bemerkung: Die Notation mit doppelten tiefgestellten Indizes folgt durchgängig der Konvention, daß der erste tiefgestellte Index eine bestimmte Düse bezeichnet und der zweite tiefgestellte Index eine spezielle Verteilerrohrbedingung identifiziert.
• Es wurde gefunden, daß fi sich oft auf ein Polynom niedriger Ordnung reduziert:
• Fij = Ai + BiPij + CiPij²+ ... + (2)
• wobei:
• Ai, Bi, Ci, ... die Kalibrationskoeffizienten sind, die die Polynombeziehung definieren, welche die Strömungsparameter Pij mit dem Flüssigkeitsdurchfluß an der Düse i unter Verteilerrohrbedingung j korrelieren. Die Kalibrationskoeffizienten werden bei fester Verteilerrohrgeometrie als invariant unter Veränderungen der Verteilerrohrbedingungen j angenommen.
• Die zur Illustration verwendeten Beispiele sind mit Flüssigkeitsströmungsparametern ausgewählt, die in linearer Beziehung zum Flüssigkeitsdurchfluß stehen. Für den wichtigen Fall von FCC-Zufuhrdüsen an Verteilerrohren sind näherungsweise lineare Parameter leicht verfügbar. Für den linearen Fall reduziert sich die Gleichung 2 auf N Steigungen und N Achsenschnittpunkten und kann als Gleichung mit zwei 2N Unbekannten angesehen werden. Wie später genauer beschrieben wird, ist N die Anzahl von flüssigkeitsbetriebenen Düsen. Gleichung 3 zeigt die linearisierte Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsströmungsparameter und dem Düsenflüssigkeitsdurchfluß. Um diese Steigungen und Schnittpunkte zu bestimmen, ist es notwendig, Messungen an dem Flüssigkeitszufuhrsystem einer Vielzahl von Arbeitszuständen (die als Variable durch den zweiten tiefgestellten Index bezeichnet werden) durchzuführen. Die vorliegende Erfindung zeigt, wie diese Steigungen und Schnittpunkte verwendet werden können, um geometrische Veränderungen an der RO und der Düsenmündung zu erfassen und zu überwachen. Veränderungen in den Steigungen und Schnittpunkten können archiviert und über die Zeit verglichen werden. Alternativ können die Kalibrationskonstanten der individuellen Düsen (identischer Geometrie) direkt verglichen werden, um Verschiebungen von einem typischen oder mittleren Verhalten zu erkennen.
• Fij = BiPij + Ai (3)
• wobei:
• Fij = Flüssigkeitsdurchfluß der Düse i unter Verteilerrohrbedingung j
• Pij = Flüssigkeitsströmungsparameter gemessen für Düse i unter Verteilerrohrbedingung j
• Bi = Linearisierter Steigungskalibrationskoeffizient
• Ai = Konstanter Kalibrationskoeffizient
• Bemerkung: Die Notation mit doppelten tiefgestellten Indizes folgt durchgängig der Konvention, daß der erste tiefgestellte Index eine bestimmte Düse bezeichnet und der zweite tiefgestellte Index eine spezielle Verteilerrohrbedingung identifiziert.
• Für den durch Gleichung (3) gegebenen linearisierten Fall bestimmt sich der gesamte Verteilerrohrflüssigkeitsdurchfluß, Mj durch Aufsummieren der individuellen Flüssigkeitsdurchflüsse von jeder der N mit Flüssigkeit versorgten Düsen:
• wobei:
• Mj = Verteilerrohrflüssigkeitsgesamtdurchfluß für Verteilerrohrbedingung j.
• Gleichung (4) wird verwendet, um die Grundlage für das Kalibrationsverfahren für die linearisierten Flüssigkeitsströmungsparameter aus Gleichung (3) zu demonstrieren. Dieses Kalibrationsverfahren ermöglicht die Berechnung der Kalibrationskoeffizienten Ai und Bi für jede Düse. Das Verfahren erfordert, daß das Verteilerrohr in einer Folge von verschiedenen Bedingungen betrieben wird, um ein Gleichungssystem zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform werden diese Bedingungen erzeugt, indem zeitweise und einzeln der Flüssigkeitsdurchfluß zu jeder der flüssigkeitsversorgten Düsen unterbrochen wird. Jedesmal wenn eine Düse zeitweise unversorgt mit Flüssigkeit ist, müssen die Flüssigkeitsströmungsparameter für alle Düsen gemessen werden. Zusätzlich muß der Gesamtflüssigkeitsdurchfluß zu dem Verteilerrohr gemessen werden. Wenn z.B. die Düse 1 zeitweise nicht versorgt wird, dann ist der Flüssigkeitsströmungsparameter P&sub2;&sub1; der für Düse 2 gemessene Flüssigkeitsströmungsparameter; P&sub1;&sub1; ist der Flüssigkeitsströmungsparameter für Düse 1 bei einem Flüssigkeitsdurchfluß Null zu Düse 1. Das gesamte Gleichungssystem wird in Matrixform, wie in Tabelle 1 gezeigt, ausgedrückt. Tabelle 1 Gleichungssystem für alle Düsen am Verteilerrohr
• Die durch die Zeilen j und j+N erzeugten Gleichungen spezifizieren jeweils: 1) den Verteilerrohrflüssigkeitsgesamtdurchfluß, und 2) die Null-Bedinung für den Flüssigkeitsdurchfluß für die j-te Düse. Der linkststehende Vektor wird als Durchflußvektor bezeichnet, die Matrix ist die Kalibrationsdatenmatrix und der rechtsstehende Vektor enthält die unbekannten Steigungen und Schnittpunkte (z.B. die Kalibrationskoeffizienten).
• Das Abschalten des Öls an einer Düse bewirkt eine Veränderung der Ölströmung an den anderen N-1 Düsen. Wenn beispielsweise der Verteilerrohrgesamtdurchfluß konstantgehalten wird, wird das Außerbetriebsetzen von einer oder mehreren Düsen im allgemeinen den Durchfluß zu jeder der verbleibenden Düsen erhöhen. Zeilen 1 bis N spezifizieren den Verteilerrohrflüssigkeitsgesamtdurchfluß, wenn jede Düse aufeinanderfolgend zeitweise nicht mit Flüssigkeit versorgt wird.
• Wenn kein Öl zu der i-ten Düse fließt, kann Gleichung (4) äquivalent geschrieben werden als: (für i=j ist das Argument gleich 0)
• Zeilen N+1 bis 2N spezifizieren die Flüssigkeitsdurchfluß=0- Bedingung durch die i-te Düse, wenn sie zeitweise nicht mit Flüssigkeit versorgt wird.
• Die Gleichung für die Düse ohne Öldurchfluß (i=j) ist:
• Fij = 0 = Bi*Pij + Ai = Bi*Pii + Ai (6)
• Die obigen Variablen lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
• Ni = Verteilerrohrölgesamtdurchfluß für Verteilerrohrbedingung j (wie oben gezeigt steht diese Bedingung für einen Ölfluß von Null durch die j-te Düse)
• Fij = Flüssigkeitsdurchfluß zur i-ten Düse (= 0, wenn die Düse nicht mit Flüssigkeit versorgt wird)
• Pij = Flüssigkeitsströmungsparameter für die i-te Düse, wobei der erste tiefgestellte Index i = der Düsennummer ist und j = Verteilerrohrbedingung ist. Für die in Tabelle 1 gezeigte Matrix bezieht sich der zweite tiefgestellte Index j auf die Nummer der Düse, die zeitweise nicht mit Flüssigkeit versorgt wird.
• Ai = Für die Düse i zu bestimmender konstanter Kalibrationskoeffizient.
• Bi = Für die Düse i zu bestimmender Steigungskalibrationskoeffizient.
• Für ein Zufuhrsystem mit N flüssigkeitsversorgten Düsen und entsprechenden N ROs kann ein System von 2N-Gleichungen aufgestellt werden, das Flüssigkeitsströmungsparameter mit den Flüssigkeitsdurchflüssen in Beziehung setzt. (Bemerkung: N kann kleiner oder gleich der Gesamtzahl von physischen Düsen sein, die an dem Verteilerrohr installiert sind. Normalerweise oder dauernd abgeschaltete Düsen können außerachtbleiben, während die Matrixkalibrationsexperimente durchgeführt werden.) In diesem Beispielfall ist der Flüssigkeitsströmungsparameter näherungsweise linear und die entsprechenden Gleichungen sind linear; jede Gleichung wird eindeutig durch eine Steigung und einen Schnittpunkt bestimmt. Für N flüssigkeitsversorgte Düsen führt diese Darstellung zu N eindeutigen Steigungen und N eindeutigen Schnittpunkten. Die in dieser Erfindung beschriebene Prozedur lehrt ein Verfahren zum Bestimmen der benötigten Flüssigkeitsdurchflußkalibrationskoeffizienten (Steigungen und Schnittpunkte im linearen Fall).
• Ein besonders effektives Schema zum Aufstellen dieser Gleichungen für den linearen Fall ist folgendes:
• 1) Miß die Flüssigkeitsströmungsparameter für jede flüssigkeitsversorgte Düse und den Flüssigkeitsgesamtdurchfluß zu dem Verteilerrohrzufuhrsystem, wenn Flüssigkeit zu allen flüssigkeitsversorgten Düsen fließt, während der Flüssigkeitsdurchfluß zu einer betriebenen Düse zeitweise unterbrochen wird. Der Flüssigkeitsströmungsparameter muß auch für die Düse gemessen werden, die zeitweise unversorgt ist. Diese Messung wird am besten zu einem Zeitpunkt ausgeführt, wenn alle Flüssigkeits- und Gasströmungen zu dem Zufuhrsystem stabile Strömungszustände erreicht haben.
• 2) Versorge die Düse wieder (nimm die Düse wieder in Betrieb), deren Durchfluß zeitweise unterbrochen war, und setze dann zeitweise eine andere Düse außer Betrieb.
• 3) Wiederhole die Messungen der obigen Schritte 1 und 2, wenn stabile Zustandsbedingungen erreicht sind.
• 4) Setze die obige Prozedur fort, bis N Sätze von Messungen ausgeführt sind, während für jede flüssigkeitsversorgte Düse die Versorgung einzeln und zeitweise unterbrochen worden ist.
• 5) Für nichtlineare Darstellungen müssen zusätzliche unabhängige Messungen ausgeführt werden. Für jeden zusätzlichen nichtverschwindenden Term in der Gleichung müssen N zusätzliche unabhängige Messungen ausgeführt werden.
• Die obige Prozedur, die als Kalibrationsmeßschema bezeichnet wird, liefert die benötigten numerischen Daten für die Gleichungen aus Tabelle 1. Dieses Meßschema liefert die Daten für den Durchflußvektor. Die ersten N-Werte des Durchflußvektors sind die Verteilerrohrflüssigkeitgesamtdurchflüsse; der zweite Satz von Durchflüssen in dem Durchflußvektor sind die Flüssigkeitsdurchflüsse zu derjenigen Düse, die zeitweise außer Betrieb war (d.h. Durchfluß 0). Die Daten für die ersten N Reihen der Kalibrationsmatrix sind die Flüssigkeitsströmungsparameter von den flüssigkeitsversorgten Düsen mit nichtverschwindenden Flüssigkeitsdurchflüssen; die Daten für die zweiten N Zeilen der Flüssigkeitskalibrationsmatrix sind die Flüssigkeitsströmungsparameter von jeder zeitweilig außer Betrieb gesetzten Düse. Die N unbekannten Steigungen und N unbekannten Schnittpunkte können unter Verwendung wohlbekannter Rechenverfahren (z.B. Matrixinversion) einfach berechnet werden. Die Lösungen für die N unbekannten Steigungen und die N unbekannten Schnittpunkte werden als Flüssigkeitsdurchflußkalibrationskoeffizienten bezeichnet. Die Lösung für diese Koeffizienten stellt eine eindeutige Kalibration für jeden Sensor dar.
• Nachdem die Kalibrationskoeffizienten bestimmt worden sind, ist es möglich, die absolute Rechengenauigkeit insgesamt zu prüfen. Wenn alle der flüssigkeitsversorgten Düsen wieder mit Flüssigkeitsdurchfluß in Betrieb sind, kann der Flüssigkeitsströmungsparameter für jede Düse gemessen werden. Der Flüssigkeitsmassen(oder Volumen)-Durchfluß kann dann für jede Düse berechnet werden. Die Summe der Flüssigkeitsdurchflüsse durch die Mehrzahl von Düsen sollte mit dem Flüssigkeitsdurchfluß vergleichbar sein, der dem Verteilerrohr zugeführt wird.
• Die zur Verfügung stehenden Daten deuten darauf hin, daß das beschriebene Schema den Aufwand experimenteller Datensammlung minimiert und rechnerische Vorteile in bezug auf Rundungsfehler und Geschwindigkeit bietet. Die Verwendung redundanter Daten zum Überprüfen der Durchflußkalibrationskoeffizienten oder zum Minimieren von Effekten durch Meßungenauigkeiten ist sinnvoll. Die redundanten Daten können eine Vielzahl von Verteilerrohrströmungszuständen sein oder Wiederholungen derselben Strömungszustände.
• In einigen Fällen können die Flüssigkeitsströmungsparameter nicht genügend linear sein, um die Durchsätze mit linearisierten Steigungen und Schnittpunkten darzustellen. In solchen Fällen kann es Terme höherer Ordnung geben, wie etwa Polynomausdrücke. Um die zusätzlichen Flüssigkeitsdurchflußkalibrationskoeffizienten zu bestimmen, müssen zusätzliche Strömungszustände während des Kalibrationsmeßschemas geprüft werden.
• Für die Situation, daß nichtlineare Terme in die Korrelation zwischen den Flüssigkeitsströmungsparametern und dem Flüssigkeitsmassendurchfluß eingeführt werden, muß das oben beschriebene Schema zum Formulieren der Gleichungen ergänzt werden. Jeder zusätzliche nichtlineare Term hat einen entsprechenden unbekannten Kalibrationskoeffizienten, der bestimmt werden muß. Für ein Verteilerrohr mit N flüssigkeitsbetriebenen Düsen, führt jeder nichtlineare Term zusätzliche N solcher Koeffizienten ein (ein zusätzlicher Koeffizient für jede Düse). Es ist daher notwendig, zusätzliche N Gleichungen zu erzeugen, um die zusätzichen N unbekannten Koeffizienten zu bestimmen. Diese zusätzlichen N Gleichungen können bestimmt werden, indem, über ein vollständiges Unterbrechen des Flüssigkeitsdurchflusses hinaus, aufeinanderfolgend der Flüssigkeitsdurchfluß zu jeder Düse gedrosselt wird.
• Dieses Schema, den Flüssigkeitsdurchfluß nur teilweise zu beschränken, bietet einem Verfahren, die notwendige Anzahl von Gleichungen zu erhalten, wenn die Sperrventile (17 in Figur 1d) unvollständig betrieben werden. Wenn z.B. ein Sperrventil nicht vollständig geschlossen ist oder vollständig außer Betrieb ist, können zusätzliche Gleichungen erhalten werden, indem das defekte Ventil soweit wie möglich geschlossen wird oder indem der Flüssigkeitsdurchfluß zu einer anderen Düse teilweise eingeschränkt wird.
• In manchen Flüssigkeitszufuhrsystemen ist es gängige Praxis, einen Staudruck in dem Ölzufuhrverteilerrohr einzuführen, indem das Flüssigkeitsströmungssteuerventil an jeder Düse leicht gedrosselt wird. Diese Praxis bewirkt keine besonderen Schwierigkeiten für das Kalibrationsmeßschema. Das oben beschriebene Kalibrationsmeßverfahren erfordert nicht, daß irgendwelche speziellen nichtverschwindenden Durchflüsse erreicht werden. Das einzige Erfordernis für die bevorzugte Ausführungsform ist, daß der Flüssigkeitsdurchfluß zu der Düse zeitweise und vollständig unterbrochen werden kann. Nachdem die Flüssigkeitsströmungsparameter bestimmt worden sind, können die Flüssigkeitsströmungsteuerventile dazu verwendet werden, die Strömung gemäß einem gewünschten Verteilungsmuster neu zu verteilen.
• In Verteilerrohrsystemen, in denen Düsen defekt oder normalerweise außer Betrieb sind, kann die effektive Anzahl von Gleichungen demgemäß reduziert werden. Das obige Kalibrationsmeßschema kann für eine geringere als die physische Anzahl von Düsen eingesetzt werden, indem die normalerweise oder permanent außer Betrieb befindlichen Düsen ausgelassen werden.
• Die Flüssigkeitsströmungsparameter Pij, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, können eindringungsfrei unter Verwendung von Beschleunigungsmessern, statischen oder dynamischen Druckmessern gemessen werden, wie zuvor beschrieben und in Figur 1 gezeigt.
• Es ist wohlbekannt, daß Veränderungen in den Abmessungen des Düsenmündungsgebiets Auswirkungen auf den Druckabfall über die Düse für den Fall von Flüssigkeits- oder Gasströmung haben. Der Effekt von Erosion besteht darin, daß der Druckabfall über die Düsenmündung abnimmt, was einen Anstieg im Flüssigkeitsdurchfluß für einen festen Betrag von Zerstäubergas und Druck im Flüssigkeitsverteilerrohr stromaufwärts zur Folge hat. Der reduzierte Druckabfall über die Düse führt zu einem erhöhten RO-Druckabfall, wodurch die RO-Gasspitze erhöht wird, die Flüssigkeitsströmungsspitze erhöht wird, aber der statische Druck stromaufwärts der Düsenmündung abnimmt. Teilweise Verstopfung an der Düsenspitze hat den gegenteiligen Effekt auf den Druckabfall über die Düse, den statischen Druck, den Flüssigkeitsdurchfluß, die Flüssigkeitsströmungsspitze und die RO-Gasspitze. Für Zustände ohne Flüssigkeitsströmung, bewirken geringfügige Düsenerosion oder -verstopfung im wesentlichen keine Veränderung im Dampfdurchfluß. Daher verursachen mäßige Düsenerosion oder -verstopfung keine Veränderung in dem RO-Gasspitzensignal oder im statischen Druck für Zustände ohne Flüssigkeitsdurchfluß.
• Erosion der Gas-RO hat den gegenteiligen Effekt gegenüber Düsenerosion: RO-Erosion führt aufgrund des erhöhten Gasdurchflusses zu einem erniedrigen Flüssigkeitsmassendurchfluß (oder Volumendurchfluß), wodurch die Flüssigkeitsströmungsspitze erniedrigt wird. In ähnlicher Weise erniedrigt teilweise Verstopfung der RO den totalen Dampfmassendurchfluß, was einen erhöhten Flüssigkeitsdurchfluß ermöglicht. Anders jedoch als Düsenerosion bewirkt RO-Erosion oder -Verstopfung eine Veränderung in dem Beschleunigungssignal für den Zustand ohne Flüssigkeitsdurchfluß. Es ist bekannt, daß die RO-Beschleunigung in erster Näherung direkt proportional zu der Masse des Gasdurchflusses für einen festen RO-Druckabfall ist. Teilweises Verstopfen des Gases an der RO hat den gegenteiligen Effekt gegenüber RO-Erosion.
• Die qualitativen Effekte von Geometrieänderungen an der Düse und der RO sind in Figur 3 dargestellt. Die Ergebnisse für den statischen Druck gelten für den Druckmeßort (29) in Figur 1d. Die Ergebnisse der RO-Beschleunigung gelten für das Gasspitzensignal gemessen durch den Beschleunigungsmesser (24) in Figur 1d.
• Für den Fall ohne Flüssigkeitsdurchfluß (Ölsperrventil geschlossen) ermöglicht das Verhalten des Gasspitzenparameters die Unterscheidung zwischen geometrischen Veränderungen an der RO oder der Düsenmündung. Für kleine Veränderungen (innerhalb des 20%- Bereichs) der RO-Geometrie, tritt praktisch keine Veränderung im statischen Druck stromabwärts der RO auf. Der Druck stromabwärts der RO bleibt auf dem Abgabedruck stromabwärts der Düsenmündung. Der dynamische Druck oder die RO-Beschleunigung ändern sich jedoch, weil sich der tatsächliche Dampfmassendurchfluß geändert hat. Demgegenüber wird der Dampfmassendurchfluß (im Fall ohne Flüssigkeitsdurchfluß) durch kleine geometrische Veränderungen an der Düsenmündungsöffnung nicht beeinflußt. Daher ergibt die Verwendung der RO-Beschleunigung oder des dynamischen Drucks einen klaren Mechanismus, um zwischen RO- und Düsengeometrieveränderungen zu unterscheiden. Dieses Ergebnis ist auch in Figur 3 illustriert.
• Das in Tabelle 1 dargestellte Strömungsmeßschema wird benutzt, um die beobachtete Erosion und Verstopfung zu quantifizieren. Geometrische Veränderungen an der Düsenmündung oder an der RO manifestieren sich durch Veränderungen der Kalibrationskoeffizienten Ai, Bi. Eine Verfahrensweise zum Erkennen von geometrischen Veränderungen im Zufuhrsystem kann aus Figur 3 abgeleitet werden und ist in Figur 4 gezeigt. Zur Anwendung von Figur 4 wird angenommen, daß Steigungen und Schnittpunkte in Tabelle 1 bestimmt für einen Grundfall als auch die eines späteren Testfalls zur Verfügung stehen. Alternativ können Steigungen und Schnittpunkte mit anderen Düsen (mit identischer Designgeometrie) an demselben Verteilerrohr verglichen werden. Ob der Flüssigkeitsströmungsparameter mit dem statischen Druck (bei 30 in Figur 1d) oder mit der RO-Beschleunigung (bei 24 in Figur 1d) gemessen wird, Figur 4 wird folgendermaßen angewendet, um geometrische Veränderungen zu erkennen:
• 1. Keine Veränderung in den Steigungen/Schnittpunkten: dies impliziert, daß keine geometrischen Veränderungen stromabwärts des Flüssigkeits-Gas-Mischpunktes oder an der RO aufgetreten sind. Änderungen im Flüssigkeitsmassendurchfluß (oder Volumendurchfluß) können dann Flüssigkeitsdurchflußänderungen stromaufwärts des Flüssigkeits-Gas-Mischpunktes in der Flüssigkeitsleitung zugeschrieben werden.
• 2. Verwendung der RO-Beschleunigungsgasspitzen als Flüssigkeitsströmungsparameter: wenn der Schnittpunkt mit der Beschleunigungsachse (Flüssigkeitsdurchfluß gleich Null) sich verändert hat, impliziert dies, daß sich die RO-Geometrie verändert hat. Wenn sich der Achsenschnittpunkt nicht verändert hat, dann hat sich auch die RO-Geometrie nicht geändert.
• 3. Nachdem bestimmt worden ist, ob geometrische Veränderungen entweder an der RO oder der Düsenmündung aufgetreten sind, können entweder der dynamische Druck, der statische Druck, die RO-Beschleunigung (Dampfspitzen), oder Flüssigkeitsströmungsspitzen die Richtung der Veränderung wie unten angedeutet bestimmen.
• 4. Geometrische Veränderungen an der Düsenmündung werden angezeigt durch:
• a) Die (absolute) Größe der Steigung erhöht sich: dies impliziert Düsenerosion
• b) Die (absolute) Größe der Steigung nimmt ab: dies impliziert Düsenverstopfung
• 5. Geometrische Veränderungen an der RO werden angezeigt durch:
• a) Die (absolute) Größe der Steigung nimmt ab: dies impliziert RO-Erosion
• b) die (absolute) Größe der Steigung nimmt zu: dies impliziert RO-Verstopfung
• 6. Gleichzeitige Veränderungen sowohl in der RO- als auch der -Düsengeometrie können nicht eindeutig zugeordnet werden. Wenn jedoch solche Zustände zu erwarten sind, erlaubt die Leitungskonstruktion gewöhnlich, on-line eine RO-Austauschinspektion und/oder einen RO-Austausch durchzuführen. Katalytische Fließbettcrackverfahren haben im allgemeinen gezeigt, daß mit größerer Wahrscheinlichkeit zunächst geometrische Veränderungen an der Düsenmündung als an der RO auftreten.
• Das obige Verfahren ermöglicht, daß Düsen- oder RO-Geometrien gespeichert und auf quantitativer Basis zeitlich verfolgt werden können. Die Änderungen in den Steigungen und Schnittpunkten ermöglichen die Berechnung der Durchflüsse per Düse, die der geometrischen Veränderung in dem Zufuhrsystem direkt zugeschrieben werden können. In Fällen, in denen sich der Flüssigkeitsgesamtdurchfluß verändert hat, kann entweder der Prozentsatz des von jeder Düse geführten Flüssigkeitsdurchflusses oder die tatsächliche Steigung als quantitativer Indikator verwendet werden.
• Wenn erwünscht, können diese Durchflußänderungen in Größenänderungen überführt werden, indem Standartzweiphasen-Strömungsmodelle für Düsen und ROs angewendet werden. Es ist bekannt, daß in erster Näherung die RO-Beschleunigung der Masse des Gasdurchflusses bei festem RO-Druckabfall direkt proportional ist. Der Massendurchfluß des Gases ist unter diesen Bedingungen proportional zur RO-Fläche. Zum Beispiel entspricht eine 5%-ige Erhöhung im charakteristischen Durchmesser der RO einem 10%-igen Flächenanstieg, was den Dampfmassendurchfluß und die Beschleunigung um etwa 10% erhöht. Daher kann in dem Fall, in dem RO-Erosion identifiziert wurde, die RO-Erosion quantifiziert werden, indem das Beschleunigungssignal im quadratischen Mittel (RMS), welches an oder nahe der RO gemessen wird, mit seinem nominellen Wert (Grundfall) für den Fall eines Flüssigkeitsdurchflusses von Null verglichen wird. Die Erhöhung des RMS-Beschleunigungssignals ist proportional zur Flächenvergrößerung der RO.
• In ähnlicher Weise kann Düsenmündungserosion quantifiziert werden, indem das Verhältnis des aktuellen Steigungskalibrationskoeffizienten zum Steigungskalibrationskoeffizienten des Ausgangsfalls gebildet wird. Für den Fall, daß der statische Druck als Flüssigkeitsströmungsparameter verwendet wird, ist das Verhältnis der Steigungen gleich dem Verhältnis der Druckerhöhung stromaufwärts der Düse, die erforderlich ist, um einen gegebenen Flüssigkeitsdurchfluß, welcher vor dem Einsetzen der Erosion gegeben war, aufrechtzuerhalten.
• In erster Näherung bedeutet ein Anstieg von 5% im charakteristischen Durchmesser der Düsenmündung einen Anstieg der Querschnittsfläche der Düsenmündung um etwa 10%, wodurch der Strömungswiderstand um etwa 10% abnimmt, was die Steigung in Figur 3b um 10% ändert.
• Diese Argumente hinsichtlich Druckabfall und Durchfluß können leicht auf andere lineare Strömungsparameter in bezug auf Geometrieänderungen in der RO oder Düsenmündung ausgedehnt werden. Änderungen in der Zufuhrzerstäubung können aus diesen Strömungsparametern abgeleitet werden. Folglich ermöglicht das Verfahren, Betriebsentscheidungen, wie etwa Außerbetriebsetzen erodierter Düsen, Reparieren verstopfter ROs, etc., vorzunehmen.
• In Fällen, wo der Flüssigkeitsströmungsparameter nichtlineare Terme enthält, muß die obige Interpretation modifiziert werden. Die notwendige Modifikation kann durch einfache Testsimulationen bestimmt werden. Die Veränderungen in den Kalibrationskoeffizienten über die Zeit können jedoch wie im linearen Fall überwacht werden.
• Figur 5a zeigt ein Feldbeispiel, bei dem die lineare Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsdurchfluß und der RMS-Beschleunigung gemäß der Gasspitze für zwei Düsengruppen gezeigt ist. Der Flüssigkeitsdurchfluß ist in Kbl/d (=1000 Barrel/Tag, wobei 1 Barrel 42 US Gallonen entspricht) angegeben. Die Beschleunigung ist in m/s² angegeben, gemessen durch einen Beschleunigungsmesser (24) in Figur 1d. Die RMS-Beschleunigung wurde über den Bereich 1000- 5000 Hz berechnet. Für das Zehndüsensystem zeigten zwei der zehn Düsen Korrelationen ähnlich der gestrichelten Kurve in Figur 5a. Die erhöhte Größe der Steigung dieser Kurve im Vergleich zu den meisten anderen Düsen läßt geometrische Ähnlichkeiten innerhalb jeder Gruppe und Unterschiede zwischen den Gruppen vermuten. Figur 5b zeigt die Ergebnisse für dasselbe Düsenverteilerrohrsystem, wobei der statische Druck als Flüssigkeitsströmungsparameter verwendet wurde ((29) in Figur 1d). Es läßt sich die gleiche Schlußfolgerung bezüglich geometrischer Ähnlichkeiten ziehen, wenn entweder der statische Druck oder die RO-Beschleunigung als Flüssigkeitsströmungsparameter verwendet wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen des absoluten Massendurchflusses einer Flüssigkeit von jeder aus einer Vielzahl von flüssigkeitsversorgten Düsen mit Verteilerrohr während des Betriebs, welche Düsen eine Zweiphasen-Flüssigkeits-Gas-Strömung fördern, mit den Schritten:

(a) zeitweiliges Unterbrechen oder Ändern des Flüssigkeitsdurchflusses durch eine der flüssigkeitsversorgten Düsen;

(b) Messen des Gesamtvolumens des Flüssigkeitsdurchflusses zu dem Verteilerrohrsystem;

(c) Messen eines Flüssigkeitsströmungsparameters für jede der flüssigkeitsversorgten Düsen, einschließlich derjenigen, die zeitweilig unversorgt ist oder einen geänderten Durchfluß hat, wobei der Parameter über eine Polynomfunktion des Parameters mit dem Volumen des Düsenflüssigkeitsdurchflusses in Beziehung steht;

(d) Wiederholen der Schritte (a), (b) und (c) für jede Düse mit einer genügenden Anzahl von Wiederholungen, so daß die unbekannten Polynomkoeffizienten der anwendbaren Polynomfunktionen für die Wiederholungen der Schritte (a), (b) und (c) bestimmt werden können, wobei jeder geänderte Düsenflüssigkeitsdurchfluß in jeder Wiederholung der Schritte (a) bis (c) verschieden sein kann;

(e) Bestimmen der unbekannten Koeffizienten der Polynomfunktionen, welche die Flüssigkeitsströmungsparameter der flüssigkeitsversorgten Düsen mit ihren Flüssigkeitsdurchflußvolumen in Beziehung setzen;

(f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu einem späteren Zeitpunkt an denselben Verteilerrohrdüsen oder an einer identischen Vielzahl von Düsen an demselben Verteilerrohr; und

(g) Nachweisen jeglicher Änderung in den Koeffizienten der Polynomfunktionen über die Zeit und Korrelieren solcher Änderungen mit Zweiphasenmodellen für Verstopfung oder Erosion.

2. Verfahren zum Bestimmen von Erosion oder Verstopfung jeder flüssigkeitsversorgten Düse in einer Vielzahl von Düsen mit Verteilerrohr während des Betriebes, welche Düsen einen Zweiphasen-Flüssigkeits-Gas-Strömung fördern, mit den Schritten:

(a) Unterbrechen des Flüssigkeitsdurchflusses durch eine der flüssigkeitsversorgten Düsen;

(b) Messen des Gesamtvolumens des Flüssigkeitsdurchflusses zu dem Verteilerrohrsystem;

(c) Messen eines Flüssigkeitsströmungsparameters für jede der flüssigkeitsversorgten Düsen, einschließlich derjenigen mit zeitweilig unterbrochenem Flüssigkeitsdurchfluß, wobei der Parameter funktionsmäßig mit dem Flüssigkeitsvolumendurchfluß in Beziehung steht;

(d) Wiederholen der Schritte (b) und (c) für jede der flüssigkeitsversorgten Düsen in dem Verteilerrohr;

(e) Bestimmen einer funktionsmäßigen Beziehung, einschließlich von Kalibrationskoeffizienten, zwischen dem Düsenflüssigkeitsdurchfluß und dem Flüssigkeitsströmungsparameter für jede flüssigkeitsversorgte Düse;

(f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu einem späteren Zeitpunkt;

(g) Vergleichen der Änderung in den Kalibrationskoeffizienten der funktionsmäßigen Beziehung und Korrelieren der Änderung mit Zweiphasendurchflußmodellen für Verstopfung oder Erosion.

3. Verfahren zum Bestimmen von Erosion oder Verstopfung für jede flüssigkeitsversorgte Düse in einer Vielzahl von Düsen mit Verteilerrohr, welche Düsen eine Zweiphasen-Flüssigkeits-Gas-Strömung fördern, wobei der Flüssigkeitsvolumendurchfluß funktionsmäßig mit einem Flüssigkeitsströmungsparameter in Beziehung steht, mit den Schritten:

(a) Drosseln oder Unterbrechen des Flüssigkeitsdurchflusses zu jeder flüssigkeitsversorgten Düse in Aufeinanderfolge;

(b) Wiederholen von Schritt (a) wenigstens einmal für jeden unbekannten Kalibrationskoeffizienten in der funktionsmäßigen Beziehung, wobei das eingeschränkte Volumen des Düsenflüssigkeitsdurchflusses in jeder Wiederholung von Schritt (a) verschieden sein kann;

(c) Messen des Flüssigkeitsströmungsparameters für jede der flüssigkeitsversorgten Düsen, einschließlich derjenigen, die zeitweilig gedrosselt oder unterbrochen ist, nach jeder Drosselung;

(d) Messen des Gesamtvolumens des Flüssigkeitsdurchflusses zu dem Verteilerrohr nach jeder Drosselung;

(e) Bestimmen der funktionsmäßigen Beziehung, einschließlich von Kalibrationskoeffizienten, zwischen dem Flüssigkeitsdurchfluß und dem Flüssigkeitsströmungsparameter;

(f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu einem späteren Zeitpunkt;

(g) Vergleichen der Änderung in den Kalibrationskoeffizienten der funktionsmäßigen Beziehung und Korrelieren der Änderung mit den Zweiphasendurchflußmodellen für Verstopfung oder Erosion.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flüssigkeitsströmungsparamter durch eine Beschleunigungsmesser geliefert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flüssigkeitsströmungsparameter durch einen dynamischen Druckwandler geliefert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flüssigkeitsströmungsparameter durch einen statischen Druckmesser geliefert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Flüssigkeitsströmungsparameter durch Schall oder Temperatur gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrationskoeffizienten mit früheren Daten an derselben Düse verglichen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrationskoeffizienten mit geometrisch identischen Düsen an demselben Verteilerrohr verglichen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Änderung in Kalibrationskoeffizienten quantitativ mit Düsenmündungsströmungsmodellen für Zweiphasenströmungen oder geometrischen Änderungen der Drosselöffnung korreliert werden.