專利名稱：延遲焦化加熱爐爐管結(jié)焦厚度的一種在線檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及延遲焦化加熱爐爐管結(jié)焦厚度的在線計(jì)算方法，屬于石油化工管式加熱爐和 生產(chǎn)過程自動(dòng)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
重油和渣油輕質(zhì)化問題是當(dāng)前世界煉油技術(shù)發(fā)展中最重要的問題之一。延遲焦化是將渣 油在高溫下經(jīng)深度裂化和縮合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣體和輕、中質(zhì)餾分油及焦炭的加工過程，屬于熱 加工過程之一。延遲焦化工藝技術(shù)成熟，可以加工殘?zhí)恐岛椭亟饘俸亢芨叩牧淤|(zhì)渣油，投 資和操作費(fèi)用較低。延遲焦化是世界上主要的減壓渣油轉(zhuǎn)化手段之一，也是唯一能生產(chǎn)石油 焦的工藝過程。我國渣油延遲焦化的加工能力僅次于美國，居世界第二位。
加熱爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備，它為整個(gè)裝置提供熱量。重質(zhì)渣油通過加熱爐后達(dá) 到約50(TC左右的高溫，進(jìn)入焦炭塔進(jìn)行深度的熱裂化和縮合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)主分餾塔分 離。在加熱爐爐管內(nèi)，焦化原料不斷被加熱升溫，發(fā)生輕度的裂解和縮合反應(yīng)，部分油品汽 化。隨著溫度和反應(yīng)深度的增加，爐管內(nèi)結(jié)焦前體物濃度增加，生成焦炭，并堆積到管內(nèi)壁。 因此要控制原料油在爐管內(nèi)的反應(yīng)深度、盡量減少爐管內(nèi)的結(jié)焦，使反應(yīng)"延遲"主要在焦 炭塔內(nèi)進(jìn)行。為防止?fàn)t管短期結(jié)焦，必須使油料在爐管內(nèi)具有較高的線速，縮短在爐管內(nèi)的 停留時(shí)間，同時(shí)要提供均勻的熱場，消除局部過熱。工業(yè)上一般采用注水或蒸汽以增加油品 在爐管內(nèi)的線速，新建焦化加熱爐一般在每一支路上有三個(gè)注水(蒸汽)點(diǎn)。
延遲焦化裝置加熱爐管的結(jié)焦是影響裝置開工周期的主要原因。隨著焦層的厚度增加， 傳熱阻力增加，達(dá)到相同出口溫度所需的燃料消耗增加，爐管管壁溫度上升，加劇了爐管的 腐蝕和高溫氧化，引起爐管鼓包破裂；同時(shí)，增加了管內(nèi)壓力降，為維持出口壓力，需要提 高入口壓力，使得動(dòng)力消耗增加，爐子操作性能下降，甚至提前停運(yùn)。
已有的結(jié)焦厚度計(jì)算方法主要是通過計(jì)算結(jié)焦速率求結(jié)焦厚度，用于加熱爐的離線靜態(tài) 模擬和設(shè)計(jì)。給定原料的性質(zhì)和操作參數(shù)，通過嚴(yán)格機(jī)理模型計(jì)算結(jié)焦速率，求得操作周期 內(nèi)的結(jié)焦?fàn)顩r，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)。 這些方法可以預(yù)測操作參數(shù)等對結(jié)焦速率的影響，但不適用于工業(yè)裝置的監(jiān)控。因?yàn)楣I(yè)裝
5置在操作周期內(nèi)原料性質(zhì)和操作參數(shù)經(jīng)常是變化的，而上述方法從控制的角度說，相當(dāng)于開 環(huán)預(yù)測結(jié)焦速率，缺乏驗(yàn)證和校正手段，而且原料性質(zhì)也不易在線實(shí)時(shí)獲得，且參數(shù)多，計(jì) 算量大。也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)手段，建立結(jié)焦速率與操作參數(shù)的關(guān)系，如周曉龍等(石油煉制，
1992， 28 (4) ， 48-52)，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)未考慮注水等因素，其結(jié)果也不能直接用于工業(yè)裝 置。
目前，現(xiàn)場對爐管結(jié)焦?fàn)顩r的判斷主要依賴肉眼觀測，所査文獻(xiàn)未見在線進(jìn)行分段結(jié)焦 厚度計(jì)算的方法。建立一個(gè)相對準(zhǔn)確的結(jié)焦模型，對結(jié)焦進(jìn)行在線觀測和預(yù)報(bào)，對于監(jiān)視加 熱爐運(yùn)轉(zhuǎn)特性，預(yù)測運(yùn)轉(zhuǎn)周期，并進(jìn)而指導(dǎo)操作和控制，是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的給出一種實(shí)用的焦化加熱爐輻射室爐管結(jié)焦厚度的在線計(jì)算方法。通過 利用被加熱介質(zhì)流量、原料管壁溫度、加熱爐進(jìn)出口壓力和注水(蒸汽)等實(shí)際過程數(shù)據(jù)， 結(jié)合加熱爐管內(nèi)的工藝過程計(jì)算和傳熱模型，得到較為準(zhǔn)確的爐管結(jié)焦厚度。在此基礎(chǔ)上， 可研究爐管結(jié)焦速度與各種操作參數(shù)之間的關(guān)系，對結(jié)焦進(jìn)行預(yù)報(bào)，并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的控制 策略，延緩爐管結(jié)焦。
本發(fā)明的特征在于，所述方法是在上位機(jī)中依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的
歩驟(1).所述上位機(jī)通過一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)獲取焦化加熱爐輻射室加熱介質(zhì)的流量、 入口溫度、出口溫度、爐管管壁溫度、注水流量和溫度；
步驟(2).分段確定所述延遲焦化加熱爐爐管內(nèi)，以下簡稱爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)的溫度、裂 化轉(zhuǎn)化率、汽化率和傳熱速率；
歩驟(2.1).根據(jù)爐管管壁溫度測點(diǎn)和注水點(diǎn)的位置對所述爐管進(jìn)行分段，并設(shè)定各 段內(nèi)溫度、壓力及油品性質(zhì)相同，
步驟(2.2).如下式計(jì)算各爐管段被加熱介質(zhì)的溫度，對于第/段爐管，被加熱介質(zhì)的
溫度用r,表示7; =rM+ ,Ar，
其中rw為第/-1段的被加熱介質(zhì)的溫度，
A為第Z段爐管的溫升占總溫升的比例，按下式計(jì)算
<formula>formula see original document page 6</formula>其中aK)為標(biāo)定情況下每段爐管的溫升占總溫升的比例系數(shù)，
A",.為注水量相對標(biāo)定工況的變化量所引起的溫度變化而折算成的系數(shù)，
步驟(2.3).按下式計(jì)算所述各爐管段裂化被加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)化率增量A^.:
= (1 - Zw )(l - exp(-尺《))，
其中《為第Z段爐管段的停留時(shí)間，
〖為反應(yīng)速率，K-^exp(—￡/i 7;)，
其中4)為頻率因子，己知值， 五為活化能，巳知值， i 為氣體常數(shù)，
r,為第/段路管段內(nèi)被加熱介質(zhì)溫度，
步驟(2.4).按下式計(jì)算所述各爐管段的汽化率e,:
e, =~ +《，
其中％.為原料的汽化率，己知值，
X,為第/段爐管段內(nèi)被加熱介質(zhì)的裂化轉(zhuǎn)化率，
步驟(2.5).按下式計(jì)算所述各爐管段的傳熱速率，所述第/段爐管段的總傳熱速率g,
為
g, = F *[e,《+ (1 -e,)巧-e,一,《-(1 -e,—
其中F為所述輻射室被加熱介質(zhì)流量，
/7乙為被加熱介質(zhì)在所述第/段爐管的入口汽相熱焓，己知值，
//厶為被加熱介質(zhì)在所述第/段爐管的入口液相熱焓，己知值，
/^為被加熱介質(zhì)在所述第/段爐管的出口汽相熱焓，己知值，
//f為被加熱介質(zhì)在所述第/段爐管的出口液相熱焓，己知值，
,為水蒸汽在所述第/段爐管的入口汽相熱焓，已知值，
/^為水蒸汽在所述第!'段爐管的出口汽相熱焓，已知值，
7//，為水在所述第/段爐管注入條件下的熱焓，已知值；
步驟(3).按下式計(jì)算總傳熱阻力和對流傳熱阻力 步驟(3.1).計(jì)算總傳熱阻力^:
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中乙,.為所述第/段爐管管壁溫度，
r,為所述第z段爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)的溫度，
4為所述第/段爐管的傳熱面積，
步驟(3.2〉.計(jì)算對流傳熱阻力A,;
其中^為為所述第/段爐管對流傳熱系數(shù)，已知值，
為為所述第/段爐管液相的對流傳熱系數(shù)，已知值， /V,為為所述第!'段爐管汽相的對流傳熱系數(shù)，已知值， M^為為所述第/段爐管液相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，已知值， 為為所述第Z段爐管汽相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，已知值； 歩驟(4).計(jì)算分段結(jié)焦厚度&.:
=義A ，
其中義,為焦炭的導(dǎo)熱系數(shù)，
^i為每段焦炭層的熱阻，
其中iC為爐管管壁熱阻其中Z)。為爐管外徑，
A為爐管內(nèi)徑化，^為爐管導(dǎo)熱系數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是適合延遲焦化加熱爐的在線監(jiān)控，充分利用了機(jī)理建模和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)建模的優(yōu)點(diǎn)，對原料性質(zhì)的依賴性小。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的爐管結(jié)焦厚度計(jì)算流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的輻射室爐管分段示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的第i段爐管結(jié)焦厚度計(jì)算示意圖(a)爐管徑向截面示意圖，(b)爐管軸向界面示意圖，(c)爐管傳熱阻力示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)焦厚度計(jì)算在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)的一種方式。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案提供一種實(shí)用的焦化加熱爐輻射室爐管結(jié)焦厚度的在線計(jì)算方
法，所述方法包括以下步驟從DCS (Distributed Control System)控制系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)采集和處理；進(jìn)行分段集結(jié)建模；計(jì)算各爐管段裂化轉(zhuǎn)化率；計(jì)算各爐管段汽化率；計(jì)算爐管分段
傳熱速率；計(jì)算總傳熱阻力；計(jì)算對流傳熱阻力；計(jì)算每段焦炭層的熱阻^;計(jì)算分段結(jié)焦厚度，送DCS控制系統(tǒng)使用。
本發(fā)明的總體實(shí)現(xiàn)方案計(jì)算流程圖見附圖1，包含以下步驟
步驟l:在線測量焦化加熱爐輻射室被加熱介質(zhì)的流量、入口溫度、出口溫度、爐管管壁溫度、注水流量和溫度，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。
步驟2:分段確定爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)的溫度、裂化轉(zhuǎn)化率、汽化率和傳熱速率。
歩驟2.1:根據(jù)爐管管壁溫度和注水點(diǎn)的位置對爐管進(jìn)行分段，假定各段內(nèi)溫度、壓力及油品性質(zhì)相同，如圖2所示。
步驟2.2:計(jì)算各爐管段被加熱介質(zhì)溫度
輻射室入口、出口都有溫度測點(diǎn)，由溫度測量值計(jì)算得到輻射室的總溫升。以標(biāo)定工況為基準(zhǔn)，計(jì)算得到每段爐管的溫升占總溫升的比例系數(shù)aiG?？紤]注水量的變化對溫度的影響，對每段爐管的比例系數(shù)aw進(jìn)行修正，得到當(dāng)前工況下每段爐管的溫升占總溫升的比例《,。
7; =7;—!+a,.Ar
其中Ti為第；段爐管的主體溫度；
7^為第/-1段爐管的主體溫度；
Ar為輻射室出入口溫升；
6t,為第/段爐管溫升占總溫升的比例；
為標(biāo)定工況下第/段爐管溫升占總溫升的比例；為注水量相對標(biāo)定工況的變化量所引起的溫度變化折算成系數(shù)歩驟2.3:計(jì)算各爐管段裂化轉(zhuǎn)化率
在焦化加熱爐內(nèi)的反應(yīng)屬于輕度裂化，生成氣體、汽油、柴油和蠟油各組分，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可以用一級(jí)反應(yīng)來描述
其中《為反應(yīng)速率，j。為頻率因子，￡為活化能，i 為氣體常數(shù)，r為溫度。
第/段內(nèi)的裂化轉(zhuǎn)化率增量
AX, = X, _ JT,—i = (1 _XM)(1 -exp(-司)
其中《為第Z'段總停留時(shí)間。
假設(shè)生成的氣體、汽油、柴油和蠟油各組分所占比例在各爐管段內(nèi)相同。由裂解轉(zhuǎn)化率，可計(jì)算生成的各組分產(chǎn)率增量
其中下標(biāo)J'表示氣體、或汽油、或柴油、或蠟油各組分，《,.是最終產(chǎn)品產(chǎn)率，由實(shí)測數(shù)據(jù)獲得。A是裝置因數(shù)，對最終產(chǎn)率進(jìn)行校正，步驟2.4:計(jì)算各爐管段汽化率
將汽化分為兩部分 一部分是原料的汽化，另一部分是反應(yīng)產(chǎn)物的汽化。原料的汽化率&,根據(jù)原料的組分分析通過軟件hysys流程模擬計(jì)算得到。
=/(t;，《)
假設(shè)反應(yīng)產(chǎn)物全部汽化。
于是，第i段爐管內(nèi)的汽化率和平均流速為
"=尸* h /化+(1 - s)/p" ]+尸^ / &
其中/V,和A,分別為第Z'段內(nèi)氣體和液體油品的平均密度，^為第/爐管段的總注水量，&
為水蒸汽密度，」為流通面積。
歩驟2.5:計(jì)算爐管分段傳熱速率
第/段總傳熱速率為
2, -e,一,《 -(卜e,一》《]
其中g(shù),為第/段爐管的傳熱速率；F為輻射室被加熱介質(zhì)流量；
if二、 //亡,、//r、 //f分別為被加熱介質(zhì)在第i段爐管的入口、出口條件下的汽相、液相熱焓；
H，,、 Hw,、 H，分別為水(蒸氣)在第i段爐管的入口、出口和注入條件下的熱焓。步驟3:計(jì)算分段總傳熱阻力和對流傳熱阻力
歩驟3. 1:計(jì)算總傳熱阻力
如圖3所示，對每一分段的爐管，總傳熱阻力包括對流傳熱熱阻《.,、爐管管壁熱阻i^和焦炭層熱阻&。
r 一:r仏
ii其中尺為第i段爐管的總傳熱阻力；
7^為第i段爐管的管壁溫度，為實(shí)測值；7,為第i段爐管內(nèi)介質(zhì)的主體流溫度；
4為第i段爐管傳熱面積。
步驟3.2:計(jì)算對流傳熱阻力對每一爐管段，對流傳熱阻力
&=丄
其中^對流傳熱系數(shù)；
、 /7,.,分別是液相和汽相的對流傳熱系數(shù)；>%、 M^分別是液相和汽相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。歩驟4:計(jì)算分段結(jié)焦厚度歩驟4. 1:計(jì)算每段焦炭層的熱阻7 /;
"/;=《- _Z) —Z)
/ 二 o f
_ 2夂
其中^為爐管導(dǎo)熱系數(shù)；
D。、 A分別為爐管外徑和內(nèi)徑。歩驟4.2:計(jì)算分段結(jié)焦厚度
^力'=義/^/;
其中^為焦炭層厚度；
義,.為焦炭的導(dǎo)熱系數(shù)本發(fā)明中的數(shù)據(jù)采集和處理以及計(jì)算可以在集散控制系統(tǒng)(DCS)上實(shí)現(xiàn)，也可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖4是在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)的一種方案。結(jié)焦厚度計(jì)算程序通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫或通過OPC (OLE for Process Control)方式獲取過程數(shù)據(jù)，計(jì)算完成后將結(jié)焦數(shù)據(jù)在上位機(jī)顯示或送入DCS顯示。
權(quán)利要求
1. 延遲焦化加熱爐爐管結(jié)焦厚度的一種在線檢測方法，其特征在于，所述方法是在上位機(jī)中依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(1). 所述上位機(jī)通過一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)獲取焦化加熱爐輻射室加熱介質(zhì)的流量、入口溫度、出口溫度、爐管管壁溫度、注水流量和溫度；步驟(2). 分段確定所述延遲焦化加熱爐爐管內(nèi)，以下簡稱爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)的溫度、裂化轉(zhuǎn)化率、汽化率和傳熱速率；步驟(2. 1).根據(jù)爐管管壁溫度測點(diǎn)和注水點(diǎn)的位置對所述爐管進(jìn)行分段，并設(shè)定各段內(nèi)溫度、壓力及油品性質(zhì)相同，步驟(2. 2).按下式計(jì)算各爐管段被加熱介質(zhì)的溫度，對于第i段爐管，被加熱介質(zhì)的溫度用Ti表示Ti＝Ti-1+αiΔT，其中Ti-1為第i-1段的被加熱介質(zhì)的溫度，αi為第i段爐管的溫升占總溫升的比例，按下式計(jì)算αi＝αi0+Δαi，其中αi0為標(biāo)定情況下每段爐管的溫升占總溫升的比例系數(shù)，Δαi為注水量相對標(biāo)定工況的變化量所引起的溫度變化而折算成的系數(shù)，步驟(2. 3).按下式計(jì)算所述各爐管段被加熱介質(zhì)的裂化轉(zhuǎn)化率增量ΔXiΔXi＝(1-Xi-1)(1-exp(-Kθi))，其中θi為第i段爐管段的停留時(shí)間，K為反應(yīng)速率，K＝A0exp(-E/RTi)，其中A0為頻率因子，已知值，E為活化能，已知值，R為氣體常數(shù)，Ti為第i段路管段內(nèi)被加熱介質(zhì)溫度，步驟(2. 4).按下式計(jì)算所述各爐管段的汽化率eiei＝eif+Xi，其中eif為原料的汽化率，已知值，Xi為第i段爐管段內(nèi)被加熱介質(zhì)的裂化轉(zhuǎn)化率，步驟(2. 5).按下式計(jì)算所述各爐管段的傳熱速率，所述第i段爐管段的總傳熱速率Qi為其中F為所述輻射室被加熱介質(zhì)流量，為被加熱介質(zhì)在所述第i段爐管的入口汽相熱焓，已知值，為被加熱介質(zhì)在所述第i段爐管的入口液相熱焓，已知值，為被加熱介質(zhì)在所述第i段爐管的出口汽相熱焓，已知值，為被加熱介質(zhì)在所述第i段爐管的出口液相熱焓，已知值，Hw，i-1為水蒸汽在所述第i段爐管的入口汽相熱焓，已知值，Hwi為水蒸汽在所述第i段爐管的出口汽相熱焓，已知值，Hw，in為水在所述第i段爐管注入條件下的熱焓，已知值；步驟(3). 按下式計(jì)算總傳熱阻力和對流傳熱阻力步驟(3. 1).計(jì)算總傳熱阻力Ri其中Twi為所述第i段爐管管壁溫度，Ti為所述第i段爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)的溫度，Ai為所述第i段爐管的傳熱面積，步驟(3. 2).計(jì)算對流傳熱阻力Rci；hci＝wVihVi+wLihLi其中hci為所述第i段爐管對流傳熱系數(shù)，已知值，hLi為所述第i段爐管液相的對流傳熱系數(shù)，已知值，hVi為所述第i段爐管汽相的對流傳熱系數(shù)，已知值，wiL為所述第i段爐管液相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，已知值，wiV為所述第i段爐管汽相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，已知值；步驟(4). 計(jì)算分段結(jié)焦厚度δfiδfi＝λfRfi，其中λf為焦炭的導(dǎo)熱系數(shù)，Rfi為每段焦炭層的熱阻，Rfi＝Ri-Rci-Rwi，其中Rwi為爐管管壁熱阻其中Do為爐管外徑，Di為爐管內(nèi)徑Do，λw為爐管導(dǎo)熱系數(shù)。
全文摘要
延遲焦化加熱爐輻射室內(nèi)爐管結(jié)焦厚度的在線檢測方法屬于加熱爐自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，根據(jù)加熱爐管壁溫度測點(diǎn)和注水點(diǎn)的位置，對爐管進(jìn)行分段。采集實(shí)測的過程變量，通過加熱爐爐管內(nèi)的工藝計(jì)算和傳熱、反應(yīng)等數(shù)學(xué)模型，在線計(jì)算得到加熱爐爐管不同位置的總傳熱阻力、對流傳熱阻力，并進(jìn)而確定不同位置爐管結(jié)焦的厚度。結(jié)焦觀測結(jié)果可以為生產(chǎn)操作和清焦提供參考，提高裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在此基礎(chǔ)上，可研究爐管結(jié)焦速率與各種操作參數(shù)之間的關(guān)系，對結(jié)焦速率進(jìn)行預(yù)報(bào)，并設(shè)計(jì)合理的控制與優(yōu)化策略，延緩爐管結(jié)焦。
文檔編號(hào)C10G9/00GK101498578SQ200910079580
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者張偉勇, 黃德先 申請人:清華大學(xué)