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江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 摘要 管式加热炉对流受热面的积灰、结垢是影响加热炉安全、高效运行的重要因 素之一，而采用吹灰器吹灰是解决这一问题最常用最有效的方法。由于目前管式 加热炉广泛采用的周期性吹灰方法具有很大的盲目性，因此本文从管式炉运行状 态分析入手，以连续重整管式加热炉为研究对象，提出了一套适用于管式炉的受 热面积灰、结垢在线监测方法，阐述了监测方法的基本原理，并在此基础上开发 了一套积灰、结垢在线监测与吹灰优化系统。 在分析研究总结现有的管式炉各类受热面的各种灰污监测技术和模型的基 础上，基于管式炉运行过程中可测量的参数，结合管式加热炉对流受热面实际传 热系数和理想传热系数理论计算模型，提出了包括管式炉对流受热面、余热锅炉 和空气预热器在内的各受热面的在线监测模型，以洁净因子表征受热面灰污对管 式炉受热面的影响。 以对流受热面灰污的在线监测数据为依据，推导出了优化吹灰模型，根据蒸 汽吹灰器消耗蒸汽能量损失成本、积灰能量损失成本和加热炉系统能量损失成本 之和最小的原则，确定了最优吹灰时间间隔。 在现有吹灰器研究和运行水平的基础上，建立了包括数据通讯模块、数据处 理模块、灰污监测模块、吹灰优化模块和吹灰自动控制模块在内的管式加热炉灰 污在线监测与吹灰优化系统。着重描述了p c b c s 的软、硬件设计以及p c b c s 与d c s 之间基于m o d b u s 协议的通讯实现。初步运行表明，该系统稳定、可靠， 基本可以满足自动优化吹灰与监控的要求，对管式加热炉的优化吹灰与监控系统 的改造具有较好的参考价值。 关键词：管式加热炉积灰监测吹灰优化洁净因子以p c 为基础的控制系统 4 摘要 a b s t r a c t t h ea s hd e p o s i t i o no rt h es c a l i n go fc o n v e 斌i v eh e a t i n gs u r f a c ei sa ni m p o r t a n t f a c t o ro ft h es a f eo ft u b u l a r - f u r n a c ea n de f f i c i e n tm r m i n g b u ts o o t b l o w i n gi s t h em o s t e f f e c t i v ea n dc o m l n o nm e t h o dt os o l v et h i s p r o b l e m w i t h o u to n 1 i n ef o u l i n g s u p e r v i s i n ge q u i p m e n tt h ea s hb l o w i n gp r o c e s sh a st ob eo p e r a t e do rar e g u l a rt i m e b yo p e r a t o r se x p e r i e n c e ，s o i ti sn o ta c c u r a t e i nt h i sp a p e r , t h em e t h o df u rt h eo n l i n e m o m t o r i n go fa s hd e p o s i t i o na n ds c a l i n go rc o n t i n u o u sr e f o r m i n gt u b u l a r - f u r n a c e h e a ts u r f a c e si sp u tf o r w a r d , a n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm o n i t o r i n gm e t h o di ss m t e d a n do rt h i sb a s i st h eo n - l i n em o n i t o d n gs y s t e mo fa s h d e p o s i t i o na n ds c a l i n gi s d e v e l o p e dt og u i d ea n do p t i m i z et h ep r o c e s so fs o o t b l o w i n g t h er e s e a r c h e sa b o u tt h ea s hf o u l i n gm o n i t o r i n g t e c h n i q u ea n dm o d e l so f t u b u l a r - f u r n a c ea r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d b yt h em e a s u r a b l ep a r a m e t e r so ft h e p r o c e s so ft u b u l a r - f u r n a c e ，p r a c t i c a lc o n d u c tc o e f f i c i e n ta n di d e a lc o n d u c tc o e f f i c i e n t o fc o n v e c t i v eh e a t i n gs u r f a c eo ft u b u l a r - f u r n a c ei nc a l c u l a t i n gm o d e la r ec o m b i n e d s ot h eo n l i n em o n i t o r i n gm o d e l so fc o n v e c t i v eh e a t i n gs u r f a c ei nt u b u l a r - f u r n a c e ， w a s t e - h e a tb o i l e ra n da i rp r e h e a t e ra r ep r o p o s e d c l e a nf a c t o r ( c f ) i sc h o s e nt o e x p r e s st h ee f f e c to fa s hf o u l i n go nt h eh e a tt r a n s f e r o nt h eb a s eo ft h eo n - l i n em o n i t o r i n gd a t ao fc o n v e c t i v eh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n g , t h ec a l c u l a t i n gm o d e lo fs o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o ni se d u c e d t h e na c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e ，w h i c ht h es u mo ft h el o s sc o s to fe n e r g yw h a ts t e a ms o o t - b l o w e rc o n s u m e ， t h el o s sc o s to fe n e r g yo fg a t h e r i n gs o o ta n dt h el o s sc o s to fe n e r g yf u r n a c es y s t e mi s l e a s t ，t h eo p t i m i z a t i o nt i m e i n t e r v a lo fs o o t b l o w i n gi sc o n f i r m e d g r o u n d e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c ha n do p e r a t i o nl e v e lo ft h es o o t - b l o w e r , t h e f o u l i n go n - l i n em o n i t o r i n ga n ds o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o ns y s t e mo ft u b u l a r - f u r n a c e a r ed e s i g n e d , w h i c hi n c l u d ed a t ac o m m u n i c a t i n gm o d u l e ，d a t am a n a g e m e n tm o d u l e ， f o u l i n gm o n i t o r i n gm o d u l e ，s o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n m o d u l ea n ds o o t b l o w i n g a u t o m a t i cc o n t r o im o d u l e i ti sf o c u s e do nt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f p c b c s t h i s p a p e ra l s op r e s e n t sc o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o nb a s e do rm o d b u s p r o t o c o lb e t w e e np c b c sa n dd c s t h er e s u l t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h e c o n t r o l s y s t e mi s s t a b l ea n dd e p e n d a b l e ，w h i c hi s b a s i c a l l ym e e t st h en e e do f a u t o m a t i co p t i m i z a t i o ns o o t b l o w i n ga n dm o n i t o r i n g s oi ti sh e l p f u lt ot h ea l t e r a t i o n o fo p t i m i z a t i o ns o o t b l o w i n ga n dm o n i t o rf o rt u b u l a r - f u r n a c e k e y w o r d s ：t u b u l a r - f u r n a c e ；a s hd e p o s i t i o nm o n i t o r i n g ；s o o t b l o w i n go p t i m i z a t i o n ； c l e a n i n gf a c t o r s ；p cb a s e dc o n t r o ls y s t e m 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：一她日期：髫年弓月f 。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 盈壶f 盘 日期：加。i 年2 月，口日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中使用的工艺加热炉， 被加热物质在管内流动，仅限于加热气体或液体，这些气体或者液体通常都是易 燃易爆的烃类物质，与锅炉加热水或蒸汽相比，危险性大，操作条件要苛刻得多。 管式加热炉是炼油厂主要的工艺设备之一，其作用是将油料( 或其它介质) 加热至工艺所需要的温度。在炼油装置中占建设投资的1 0 肌1 5 左右，占设 备制造费用的3 0 左右。加热炉的燃料消耗，在加工深度较浅的炼油厂，约占 加工能力的3 6 ，加工较深的占8 1 5 1 ，加热炉的能耗占炼油厂总能 耗的一半以上i z j 。因此，加热炉对炼油厂的基建费用和操作费用影响很大，提高 加热炉热效率，对降低炼油厂总能耗，提高企业经济效益具有重要意义。加热炉 所用燃料是炼厂气或燃料油。管式加热炉一般由辐射室、对流室、余热回收系统、 燃烧器及通风系统五个主要部分组成。 对于管式加热炉而言，无论是燃油或者是燃气的，受热面的管外积灰和结垢 是不可避免的，这给管式加热炉经济、安全地运行带来了危害。特别是近年来， 因为燃料油、燃料气的价格暴涨，各个企业出于燃料供应和经济原因，管式加热 炉燃用减压渣油和污油等重油的普遍存在，这与原炉设计燃料存在较大差别，使 得受热面的管外积灰结垢问题变得更为突出。为了减少灰污染对管式加热炉的危 害，在实际生产现场中使用吹灰器运行中带负荷吹灰和停工期间用水冲洗这二种 基本方法来清扫管外积灰结垢。 然而，在实际运行的管式炉中，未经优化的吹灰器运行一般仅仅考虑管式加 热炉的安全性，一般不考虑运行的经济性，吹灰系统基本按照事先设定的吹灰周 期工作，不管各个受热面的实际灰污状况吹灰，从而造成吹灰不足或者过度吹灰。 因此，在管式加热炉的运行中，应该尽可能准确地监测管外积灰结垢的程度和趋 势，从而有目的地根据实际灰污状态和安全需要，合理、准确地吹灰。这就要求 在进行吹灰优化之前首先必须对各个受热面进行合理的划分，然后对各个被划分 受热面建立灰污监测模型，在监测模型的基础上设计在线灰污监测系统，通过实 时灰污特征参数的监测，进而确立优化吹灰目标和建立吹灰优化系统，最终实现 最优吹灰。 灰污研究在8 0 年代以后，从公开发表的文献上可以看出，主要沿着三个较 为稳定的方向发展。一是灰污形成过程的理论分析和实验研究，对灰污的形成过 程进行理论分析和实验研究，其目的就是试图为换热设备的设计者和运行人员提 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 供一个通用、准确又便于应用的预测模型：二是灰污监测预测技术的研究开发； 三是灰污的对策研究，这主要又包括灰污防止、灰污抑制和灰污清除等三方面。 1 2 管式加热炉管外积灰结垢的形成机理 1 2 1 积灰与结垢的种类与成分 研究管式加热炉管外积灰结垢的形成机理，是为了更好地解决管外积灰问 题。与燃煤电站锅炉不同的是，我国的石油化工管式炉由于燃料油中钒、钠等的 含量低，辐射室炉管外积灰结垢的现象并不严重，通常管式炉使用企业利用加热 炉停工检修的机会对辐射室进行水冲洗操作，辐射室也不装设吹灰器，管外灰污 主要发生在对流室，故本文主要针对燃油对流室进行灰污形成和清扫研究。 灰污很早就被人们所注意，有据可查的第一篇关于灰污的文献，是1 7 5 6 年 k i d e n f 如s t l 3 l 关于加热面水滴完全蒸发后留下的沉淀物的观察报告。灰污形成机 理的研究最初从大量的应用的工业加热器表面沉积物开始的。2 0 世纪3 0 年代， s i d c r l 4 1 出于换热器设计的需要，第一次提出了灰污系数的概念，1 9 5 9 年，k e r n 和s e a s o n 提出了后来称作k e r n s e a s o n l s l l 6 1 模型的污垢分析模型，e p s t e i n i7 l 用矩阵 的形式对灰污的发展趋势作出了预测，p i n h e i r o t s l j 在比较了现有各预测模型的 基础上，找出其共同点。7 0 年代末至8 0 年代初，在多次专门的国际性学术会议 上，各国学者总结了灰污研究成果，讨论了灰污研究的进一步发展方向。在第六 届国际传热大会上，e p s t e i n l 9 j 作了灰污问题的专题报告，对1 9 6 0 1 9 7 8 年间的 1 7 0 多篇污垢研究文献作了全面的系统评述，并对污垢进行了较合理的分类。1 9 7 9 年召开了第一次换热设备污垢的国际学术会议，这为一个统一的污垢理论奠定了 基础。二年以后，又召开了第二次国际换热设备灰污学术会议，这期间，除上述 大型学术会议外，还召集过多次专题研讨会，提出了一些很有价值的研究报告 【1 0 1 【1 1 1 【1 2 】。8 0 年代以后，各国学者在灰污研究方面进行了大量的工作，1 9 9 5 年杨 善让、徐志明结合多年的研究成果，在论著中明确提出了灰污研究的基本方向【”j 。 污垢有多种分类方法f 1 3 j 。按换热器类型分为相变换热污垢、显热换热污垢和 化学反应换热污垢；按流体类型分为水溶液污垢、石油分馏污垢和烟气污垢等。 烟气侧目前还没有一个公认的分类方法，根据管式炉烟气温度的高低，通常按烟 气温度划分为高温烟气污垢和低温烟气污垢。 在燃用重油的管式炉内，烟气中的灰污一般分为二类：“灰”和“垢”。灰是 燃料油中的可燃组分碳元素在燃烧不完全的情况下残留下来的微粒，可以分为 “细烟灰”和“粗烟灰”。垢是燃料燃烧后残留下来的不可燃的组分，主要为钠、 钾、钒、镁、钙等金属的固体盐类，另外，大多数燃料重油含硫量也高，也是结 2 第一章绪、论 垢的主要原因。垢的多少与燃料油性能分析中灰分的数量相当。 为了描述的方便，本文中除了将积灰与结垢在机理分析中严格区分外，其它 部分都将统称为积灰，不再加以严格区分。除特别说明外，积灰结垢均指管式炉 炉管外的积灰与结垢，用吹灰器对积灰与结垢的吹扫清除都称为吹灰。 根据管式炉内积灰强度特性不同：积灰又可以分为松散性积灰、粘附性积灰 和粘结性积灰。在低温区一般生成松散性积灰和粘附性积灰，在高温区和过渡区 才生成粘结性积灰。 1 2 2 灰污的形成过程 灰污的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，既是一个物 理化学过程，也是一个非常复杂的流体力学过程，是多种复杂过程的同时作用。 影响这一过程的因素很多，这些因素不同，形成的灰污特性也不相同，但所有灰 污的形成一般都要经历下述五个阶段：起始、输送、附着、剥蚀和老化。这些阶 段对某些粒子来说，可以是依序发生的，如输送与附着：也可以是同时发生的， 如老化与前四个阶段。 在油的燃烧过程中，油首先与空气混和，混合物受热后其中的烃类一部分蒸 发形成气相，一部分产生热分解留下残碳。燃料油中己经汽化的那部分如果同空 气混和得不充分，仍会燃烧不完全，这些生成的未燃碳粒就是细烟灰，它的颗粒 很小，通常在l a n 左右，但是活性很强，容易在受热面上附着，通常堆积在空 气预热器的尾部受热面上。燃料油中不能蒸发汽化的那部分重质烃类受热后则发 生热分解，留下残碳，这些残碳形成的未燃碳粒就是粗烟灰，它的形状近似球形， 颗粒通常为1 0 2 0 0 u r n 左右。这种粗烟灰常常成为吸附硫酸的核子，在烟气温度 接近露点的区域形成白雪状的灰污层。 燃料中的钙、镍、镁等金属生成金属氧化物，而硫在燃烧中形成s o ，和s 0 3 等硫化物，s 0 3 直接反应或吸水生成硫酸后，与金属氧化物反应生成硫酸盐沉淀 在炉管外表面结成灰垢。同时燃料在炉膛内燃烧不充分使烟气中大量碳分子吸附 在灰垢上，生成粘附力很强的疏松状及固体状的碳和烟垢，沉积在炉管的外表面 上，很难在炉内的条件下自行脱落，且在炉管外表面形成灰垢薄膜后，其它灰垢 更易附着，加速了结垢速率。 1 松散性积灰的形成1 1 4 l 【1 5 】 从清除积灰的角度来说，我们更关心积灰的强度特性。一般认为在对流受热 面上常见的积灰是由于范德华力、静电力和表面张力的作用而形成。烟气携带的 灰粒是由各种大小不同的颗粒组成，其中大部分为1 0 2 0 a n 颗粒，通常不超过 3 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 2 0 0 f a n ，较大的颗粒对沉积层有冲刷的作用。因此，可以认为受热面上的 松散性积灰的形成机理是细烟灰的吸附过程和粗烟灰的冲刷过程的综合效应。 松散性积灰的沉淀物形成时不发生化学反应。松散性积灰往往在管子背部形 成，因为烟气横向冲刷管束时，管子背面产生涡流，小颗粒烟尘因惯性小而进入涡 流区，在管子背部形成尖劈状流线型的积灰。只有在烟气流速很小或烟尘颗粒很 细时，松散性积灰才会在管子的正面形成，当烟气流速增大时，积灰减少。迎风面 甚至不积灰，在一定烟气流速下经过一定时间后，松散性积灰不再增加，甚至停止 下来。在同样流速下，换热器的管径越小，越不易积灰。管子错排布置时比顺排布 置时情况好，因为有一定白吹灰作用。它不会增加烟道的空气阻力。 当松散性积灰粘附的时间过长，没有及时进行积灰清除的话，积灰可吸收烟 气中的s 0 2 、s 0 3 和水蒸气等，使松散积灰生成紧密的硫酸盐和亚硫酸盐( 熔点 5 0 0 8 0 0 ) 。这些积灰也会与管式炉和锅炉受热面作用生成硫酸铁或亚硫酸铁， 这就增加了积灰的牢固性。可见，对松散性积灰及时进行除灰十分重要。 2 粘附性积灰的形成 粘附性积灰主要是在烟尘中含有较多的低熔点金属元素的情况下形成的， 也可以认为是低温粘结性积灰。这些低熔点金属元素，无论是纯金属氧化物还是 硫化物，在高温烟气中大部分都呈气体状态，烟气温度降低时形成凝结物，变成粘 附性较强的物质，对管子表面附着力很强，易积成封闭性的灰环，如不施加外力一 般不会自动脱落，但其质地比较松软，因此，即便积灰厚度增加，也不会结成硬壳， 通过吹扫振打即可清除。 3 粘结性积灰的形成 粘结性积灰的沉积既有物理因素又有化学因素，主要是烟尘颗粒呈熔融状态 所引起的，也可是活性颗粒与烟气中某些成分起化学反应。当管子横向冲刷时， 它主要是在管子的正面形成，迎着烟气的流动方向不断地增长，甚至可以观察到 随着积灰尺寸的增高，生长速度也增大的现象。这种积灰会引起烟气阻力迅速增 加，直至到烟道完全堵塞。在积灰形成和生长过程中，它的强度提高很快，其抗压 强度有的高达1 9 6 1n c m 2 或更大。当烟气流经受热面时，灰会在受热面上凝结 下来。凝结后的碱金属硫酸盐吸收烟气中的s 0 3 ，并与受热面上的f e 2 0 3 进一步反 应，生成碱金属复合盐，碱金属复合硫酸盐的熔点很低，作为粘性基质扑捉飞灰 颗粒。沉积层厚度达到一定程度后，碱金属复合硫酸盐不再形成，而碱金属硫酸 盐可以继续作为粘性基质。由于烟气最先冲刷的是受热面管子的迎风面，所以高 温粘结性积灰主要发生在管子的迎风面上，并有无限增长的趋势。 1 2 3 影响积灰结垢的主要因素 研究管式炉积灰结垢的影响因素，可以为灰垢清除提供参考，是灰垢形成机 理研究的一个组成部分。对于燃油管式加热炉，影响积灰结垢的主要因素有灰垢 4 第一章绪论 生成量的影响因素和灰垢沉淀粘结的影响因素二大类。 影响积灰结垢生成量的主要因素【1 6 1 有：一是燃料油性能的影响，燃料油的灰 分含量越高，残碳越高，燃烧后生成的烟气中灰垢也就越多，在炉管表面聚集的 灰垢也越多。燃料油的灰分含量，国内通常低于0 2 ，它对总的灰垢的生成量 影响较小，可以忽略。二是燃烧器的雾化质量的影响，雾化以后的粒子粒径越大， 生成量越多，雾化质量对灰污生成量影响很大，但应该注意的是，起支配作用的 并不是雾化后粒子的平均粒径，而是其最大粒径。三是空气温度的影响，燃烧空 气的温度高低影响到火焰温度和炉膛烟气温度，使空气预热后再与油混和，能够 实现较理想的雾化效果。四是操作水平的影响，由于操作人员水平不同，在火嘴 调节过程中还存在操作水平对雾化质量的影响，从而产生不同的灰垢量。 影响灰垢沉积粘结的因素1 1 7 】主要有：一是烟气流速的影响，烟气流速越高， 积灰速度越慢。二是烟气流动方向的影响，仅在烟气流速很低时，管子的烟气冲 刷正面才有积灰，否则，积灰主要在管子的背面。三是烟温的影响，烟气温度和 灰粒温度对灰的沉积率都有影响，烟温越高，越易形成粘结性灰污。四是壁温的 影响，其他情况相同时，管壁温度越低，越不易产生积灰。五是管束节距的影响， 节距越小，越易积灰。 实际的加热炉内还包括受热面的形状、加热炉热负荷情况等影响灰垢形成的 因素，以上各种因素相互影响，构成灰垢形成、生长的复杂动态过程。 1 3 受热面积灰与结垢的危害 人们对于管式炉积灰结垢的危害己形成共识，危害主要在于以下三个方面 l 。首先是灰垢增加热阻，使排烟温度上升，热效率下降，影响管式炉运行的经 济性。灰垢产生的热阻r ，定义为灰垢平均厚度氏与灰垢导热系数九的比值，即 r ，= 以九，r ，的大小与燃烧状况、烟气速度、炉管粗细、炉管排列方式以及 是否吹灰和吹灰方式等都有关系，变化是很大的。而r ，的变化必会引起对流总 传热系数k 的变化，从而降低整台加热炉的热效率；其次，缩短设备使用寿命， 特别是在对流室尾部的低温受热面，积灰后的管壁更易吸附烟气中所含的硫酸蒸 汽，加剧露点腐蚀。最后是影响管式炉的安全运行，受热面严重的积灰与结垢还 可能诱发运行事故，导致设备损坏，甚至造成人员伤亡。粘结性的积灰很难自行 脱落，在炉管外壁积灰较厚时，会引起炉管受热不均，部分炉管过热，从而烧坏 炉管。松散性的积灰，如果长期不被清除，也将变得更加牢固，逐步转化成粘结 5 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 性积灰。 1 4 积灰监测与吹灰优化的研究现状 1 4 1 积灰结垢监测的研究应用现状 要进行吹灰优化，首先就要对受热面的积灰进行监测，在管式加热炉运行中， 如何准确监测炉内积灰结垢的程度和发展趋势，并根据积灰结垢的状况和运行需 要，及时有效地采取吹灰清渣措施，既维持受热面的正常状况，又节约吹灰介质 和降低烟尘排放显得十分重要。因此，为大型管式加热炉研究和开发基于在线监 测参数，直接或间接地诊断炉内积灰结垢的在线监测诊断技术，指导优化吹灰是 十分必要的。 2 0 世纪7 0 年代以来，灰污的实验研究和监测技术有了很大发展，对灰污的 监测手段主要有热力学和非传热量的灰污监测两类方法。热力学又分为热阻表示 法和温差表示法，非传热量的污垢监测法有直接称重法、厚度测量法、放射性技 术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。 由于计算机应用技术的发展，污垢的监测技术、数据采集系统也有了长足进 步，推出了多种类型的灰污监测装置，对于这些装置，k n u d s e n ，s o m e r s c a l e s ，m e i o 和p i n h e r o i ”j 等曾先后作过全面而细致的介绍和恰当的评述。有关灰污监测和实 验室评价方面的研究报告中，j h h o w a r t h ，n e g l e n 和a m j e n k i n s 提出了旨在用于 新型装置设计和计算优化清洁周期的灰污监测技术【1 9 j 。在我国，对换热器灰污的 监测也取得了许多成果，华北电力大学程伟良提出的管式换热器积灰监测模型 闭j ，重庆大学吴双应等采用换热器当量总污垢热阻的方法研究了污垢对换热器传 热性能影响1 2 “，华北电力大学王建国，徐志明，杨善让等提出的空气预热器积灰在 线监测模型1 2 2 1 ，特别是近年来对电站锅炉的积灰在线监测取得了一定的成果，例 如，清华大学的侯斌和吕子安等提出的基于热力学模型的电站锅炉对流受热面积 灰状态实时监测方法l 矧。华中科技大学的马恩俭等采用由工质侧的参数反推烟气 侧的温度值，最后反推获得炉膛出口烟气温度，从而对炉膛受热面的积灰、结渣程 度进行判断的方法，建立了吹灰监测与控制系统i2 4 1 。 实时在线灰污监测是监测技术的一个发展方向，目前尚处于刚刚起步阶段。 污垢在线监测多采用问接监测方法，通过直接测量一些易测量的相关参数，输入 到灰污监测的数学模型计算出灰污特征参数。有的则根据运行状态再作相应的修 正，以排除其它参数变动引起的灰污特征参数偏差。这种方法目前大多没有迈出 理论研究的范围，对于工程应用的效果和其准确程度尚未见详细报道。 1 4 2 吹灰优化的研究应用现状 6 第一章绪t 论 在灰垢的对策研究当中，防垢主要体现在换热设备的设计阶段，在换热器的 形式、材料、数量和排布等方面充分考虑灰污的防止、抑止及方便清除。抑垢通 常体现在换热设备的运行阶段，主要有传统的用化学阻垢剂处理析晶污垢及凝固 污垢、用微生物杀灭剂处理微生物污垢、用化学药品处理反应污垢、用缓蚀剂处 理腐蚀污垢等以及新型的各种电子式抑垢处理器。在除垢方面，主要有化学清洗 和机械清洗，而对受热面进行吹灰就是一种应用广泛、效果明显的除垢方法，在 清楚换热器灰垢形成机理、灰垢预测和灰垢状态监测的基础上，吹灰优化研究就 成为除垢研究的重要方向。、 目前，管式加热炉的吹灰研究主要集中在吹灰器的形式的研究上，如武汉化 工学院徐建民等提出的加热炉热管空气预热器吹灰装置使用效果评价办法陋j ，吹 灰优化研究主要集中在电站锅炉的研究上，关于吹灰器优化运行的研究多由一些 公司进行，开发商业的电站吹灰优化运行软件系统，作为商业秘密，从公开发表 的文献很难找到足够详细的优化方法介绍和产品应用效果的有力证实。直到2 0 世纪9 0 年代初，美国国家科学基金组织和电力研究院达成共识，将吹灰器优化 运行划入科学研究领域，才陆续有一些文献公开发表。 下面就是一些在电站锅炉上现在使用的吹灰优化系统，纽约州电力燃气公司 和通用物理公司联合开发的s o o t b l o w e ra d v i s o r 专家系统【2 6 ，已应用于哥伦比亚 一台6 4 3m w 机组。此系统使用锅炉和汽轮机循环中的关键参数测量值来确定锅 炉不同部位的清洁因子，帮助运行人员确定吹灰策略。b m s 和a p p l i e ds y n e r g j i s t i c s 两家公司在传热直接测量、吹灰优化软件及智能吹灰系统方面取得了显著的业 绩，并联合推出全套锅炉清洁管理系统。这套系统通过测量、计算及优化后启动 吹灰器，从而提供全套的自动吹灰控制模式。这套装置可通过升级现行的吹灰控 制系统或向现有的电厂吹灰器控制部件提供接口来实现1 2 “。在国内，阎维平，梁 秀俊等研制的3 0 0m w 燃煤电厂锅炉积灰结渣计算机在线监测与优化吹灰系统已 经在衡水发电厂2 号机组得到应用i 捌。东华大学赵敬德等的根据炉膛温度场的重 建计算，确定了炉膛屏前截面热负荷的计算模型，并以此作为炉膛吹灰的监控参 数，指导炉膛安全性吹灰的方法p j 。 一个完善的吹灰运行优化系统是一个复杂的工程系统，应该包括积灰监测、 加热炉热效率计算、加热炉计算模型、在线灰沉积预测模型、成本分析与优化、 自动控制操作等几部分。总的来说，由于管式加热炉是一个多变量、强耦合的 动态非线性系统，受热面的吹灰作为该系统的一个扰动，影响到管式炉运行的各 个方面，定性的优化原则容易制定，定量的准确计算则存在很大困难。相对于受 热面灰垢监测，优化吹灰系统的建立要复杂和滞后很多，目前尚处于研究与开发 阶段。 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 1 5 本丈的主要研究内容 管式加热炉普遍存在积灰、结垢现象，积灰在线监测与吹灰优化研究具有广 泛的应用前景和巨大的经济效益。本论文以中国石化金陵分公司炼油厂连续重整 加热炉为研究对象，充分利用该厂现有的h o n e y w e l l r p s 3 0 0 0d c s 控制系统的 监测数据信息，建立积灰结垢在线监测模型，进行吹灰优化研究，主要的研究工 作如下： ( 1 ) 对管式加热炉的积灰、结垢的机理与积灰、结垢的危害进行了系统的分析， 并且讨论了国内外在积灰预测、监测与优化吹灰的研究进展。 ( 2 ) 对被研究对象与本研究相关的内容进行了介绍，对一般的管式加热炉吹灰器 系统进行介绍和总结，讨论积灰在线监测和优化吹灰系统需要的数据支持，这 些都是吹灰优化研究的基础。 ( 3 ) 对管式加热炉进行合理受热面划分，根据三个受热面的不同特点，分别建立 了基于洁净因子灰污特征参数的实时在线灰污监测模型，并且给出了监测系统 的软件设计流程图。 ( 4 ) 在分析原有定时吹灰优缺点的基础上，在满足安全性的前提下，以最小吹灰 成本为优化目标，建立了洁净因子的优化吹灰模型，确定了最佳吹灰时间间隔。 ( 5 ) 设计建立了积灰结垢监测与吹灰优化系统软件系统、硬件系统和数据通讯系 统，最后讨论了系统的监测结果和吹灰优化系统的运行情况。 8 第二章基于d c s 数据的管式加热炉优化吹灰研究基础 第二章基于d c s 数据的管式加热炉优化吹灰研究基础 2 1 研究对象介绍 石油炼制及管式加热炉本身就是一门复杂的学科，本部分仅就与本课题研究 工作密切相关的内容作基本的介绍。 2 1 1 连续重整工序概述 催化重整工艺是炼油厂重要的工艺之一，是生产高辛烷值汽油、芳烃和廉价 氢气的原油二次加工过程。催化重整是在催化剂和氢气存在下，将常压蒸馏所得 的石脑油( 轻汽油) 转化成含芳烃较高的重整汽油的过程。如果以8 0 1 8 0 馏 分为原料，产品为高辛烷值汽油；如果以6 0 1 6 5 馏分为原料油，产品主要是 苯、甲苯、二甲苯等芳烃，重整过程副产氢气，可作为炼油厂加氢操作的氢源。 重整的反应条件是：反应温度为4 9 0 5 2 5 ，反应压力为1 2 兆帕。催化重整 装置，有固定床半再生式和移动床催化剂连续再生式两种工艺。连续重整反应部 分工艺与半再生基本相同，但催化剂在反应器间连续移动，同时还有一套催化剂 连续再生系统。在正常开工情况下，催化剂可以通过连续再生系统进行再生，除 去积炭。连续重整具有稳定的收率和较高的装置运转率。目前，连续重整技术被 美国环球油品公司( u o p ) 和法国石油研究院( i f p ) 两家所垄断【3 “。 中石化金陵分公司6 0 万怕连续催化重整装置由六部分组成：原料预处理、 重整催化剂再生、芳烃抽提及精馏、c 8 + 分离、公用工程。该连续重整装置以宽 馏分石脑油( 初馏1 7 4 0 c ) 为原料，采用法国l f p 第二代连续重整专利技术，以 生产高辛烷值的重整油及副产氢气，重整生成油可供生产芳烃和作汽油调合组 分。由于重整反应压力低，温度高，加速了催化剂的结焦，要求对催化剂进行连 续再生，保持催化剂高活性，以适应重整高苛刻度操作。 该连续重整工序共有四套共七台管式加热炉，分别是：( 1 ) f 1 0 1 预加氢进 料加热炉，加热介质为氢气加油气，进炉温度3 0 5o c ，出炉温度3 5 0o c ，在对流 室设有四台吹灰器；( 2 ) f 2 0 5 脱戊烷塔底加热炉，加热介质为汽油，进炉温度 2 4 0o c ，出炉温度2 6 2o c ，在对流室设有四台吹灰器；( 3 ) f 5 0 1 热载体加热炉， 加热介质为导热油，进炉温度2 5 6o c ，出炉温度3 1 2o c ，在对流室设有十六台吹 灰器；( 4 ) f 2 0 1 f 2 0 4 “四合一”重整反应加热炉，其辐射段分别为；f 2 0 1 重 整进料加热炉、f 2 0 2 第一中间加热炉、f 2 0 3 第二中间加热炉、f 2 0 4 第三中间加 热炉，其对流段为公用对流室设置一台中压余热锅炉。在对流室设有十四台吹灰 器。这四套加热炉共有三十八台吹灰器，由于炼油厂副产蒸汽，因此所用吹灰器 均使用电动固定旋转式蒸汽吹灰器。 9 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 为充分利用烟气余热，提高加热炉热效率，f 1 0 1 、f 2 0 5 、f 5 0 1 三台加热炉 烟气汇总后，联合设置一套固定立管式空气预热器对烟气余热进行回收，与空气 换热后，烟气温度降至1 9 0 2 0 0o c 左右，由引风机导入8 0 米的烟囱排出，热 空气送到三台炉的燃烧器用。本空气预热器设置六台电动固定旋转式蒸汽吹灰 器。整个装置根据运行成本和实际需要采用气体或者重油作为燃料。 2 1 2 重整加热炉 原料油进入重整装置后，首先要经过预处理系统进行加工处理，以切取合适 的馏分和除去有害的杂质，然后进入重整反应系统。重整反应是吸热反应，其所 需的热量由加热炉提供。预处理部分的加热炉为热负荷2 8 2 m w 的f 1 0 1 预加氢 进料加热炉、热负荷5 5 m w 的f 2 0 5 脱戊烷塔底加热炉和热负荷2 3 2 6 m w 的 f 5 0 1 热载体加热炉三台。f 2 0 1 f 2 0 4 为重整反应器进料加热炉，热负荷分别为 6 3 9 m w 、1 0 7 m w 、5 9 9 m w 和4 5 1 m w 。为了使各种反应进行完全，一般在工 艺上设四台反应炉，为了达到反应温度及降低能耗，这四台炉通常安装在一起由 耐火砖墙隔开，简称四合一炉。每个加热炉及空气预热器的结构参数众多，这些 参数可以通过单位的技术档案查找，设备不变，这些参数将是相对稳定的，文中 对各结构技术参数将不作详细介绍。 下图2 1 为原油预处理部分的三台加热炉以及公用对流室管式空气预热器的 排布，积灰监测与优化吹灰中所需的运行参数及其检测位置，这些参数在正常运 行时是在一定范围内变化的，各个参数的含义下节列出。 f 2 0 5f 5 0 1 哆! 坐1 篙筘“黧 t 1 5 1 0 3 t i i o l 9 f i i o l 6 p i c 5 1 0 3h o p i c 5 1 0 5 一n t l 5 5 婆1 0 8 昌一 痧翻剖 t 1 5 1 0 9 t 1 5 0 0 7 f i s 0 1 6 p 1 5 1 1 3 t i s i l 3 a i c 5 1 0 2 i a i c 5 1 0 3 i 黑i c i o l 2 0 6 p i c 2 11 0 p i c s 0 0 1 燃料 t 1 5 1 l o ! 一书f 1 5 1 9 7 ： ； 鳃iipicsllo 引凡机 t 1 5 1 1 2 烟 由 空气入口 图2 1f 1 0 1 、f 2 0 5 、f 5 0 1 及空气预热器参数监测 图2 2 为四台重整反应加热炉的排布，积灰监测与吹灰优化所需的运行数据 及其检测位置，这些数据在正常运行时是在一定范围内实时变化的，各参数含义 下节给出。 1 0 篙l l r 专 盯 一；i 一 第二章基于d c s 数据的管式加热炉优化吹灰研究基础 2 1 3 中压余热锅炉 余热回收系统是从对流室或者离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。 回收方法分两类，一是靠预热燃烧用空气来回收热量，这些热量再次返回炉中， 即为空气预热方式，二是采用同炉子完全无关的其他流体回收热量，通常使用水 回收，就是余热锅炉。对于连续重整四合一重整炉，热负荷很大，为了减少压降 又不能在对流室排炉管，通常将对流室作为烟气余热锅炉。本加热炉的f 2 0 1 f 2 0 4 四台炉共设置一个公用对流室，对流室为余热锅炉，设计可生产3 5 m p a 蒸 汽1 6 8 t h r 。 图2 2 重整反应加热炉参数监测 图2 3 余热锅炉工艺流程与参数监测图 图2 3 为余热锅炉的排布，积灰监测与吹灰优化所需运行数据及其检测位置， 这些数据在正常运行时是在一定范围内变化的，下节列出具体含义。余热锅炉的 江南大学硕士学位论文管式加热炉对流受热面积灰结垢在线监测与吹灰优化研究 结构参数众多，考虑到其稳定性，本文不详细列出，需要可以查阅企业设备档案。 2 2 积灰监控与吹灰优化系统的数据来源 炼油厂管式加热炉积灰在线监测与吹灰优化的基础是要有完备和实时的监 测数据支持。这些数据可以分为相对固定的各受热面结构参数和实时变化的管式 炉运行参数二大类，受热面结构参数根据监测与优化的需要，查找企业设备档案 后，通过几何参数计算程序模块计算，可以得到各受热面监测与优化所需的数据， 由于数据众多且运行时基本不变，本文中不列出。实时的管式炉运行参数主要通 过加热炉d c s 系统获得。 目前的大中型管式加热炉均由d c s 系统控制运行或有d a s 数据采集系统， d c s 或d a s 可以提供完备的运行数据。本积灰在线监测与吹灰优化系统是一个 基于p c 的控制系统( p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m ，p c b c s ) ，p c b c s 通过基于 m o d b u sr t u 协议的通讯系统与该重整加热炉h o n e y w e l lt p s 一3 0 0 0d c s 进行实 时通讯，d c s 的监测数据通过通讯系统传送到优化吹灰系统，优化吹灰系统同 样可以将数据传送给d c s ，以实现在p c b c s 上进行吹灰，在d c s 上可以监控 到积灰与吹灰的实时状态，满足优化吹灰的目的。系统软硬件和通讯系统实现本 文第五章将有详细论述。 需要指出的是，一般来说d c s 提供的数据对于加热炉的整体灰污监测是足 够的，如果要知道局部的灰污状态，就必须加装测点进行针对性的直接测量。采 用d c s 为数据源的加热炉积灰监测与优化吹灰系统，其监测结果的好坏一方面 取决与d c s 数据的准确性、实时性，另一方面也取决于灰污监测模型，同时， 监测结果具有相对性，短期内的监测结果对于吹灰不具有准确的指导性，因而需 要经过长时段的灰污监测，得到灰污的的动态变化规律，进而指导吹灰器运行。 在本管式加热炉系统中，由于均为对流受热面的吹灰，因此利用现有d c s 数据 较为完备的数据进行课题研究是合理的，通过较长时间的吹灰运行表明，此方法 可以满足积灰监测与吹灰优化目标。 表2 1 实时数据测点 序测点实际序测点实际序测点实际 号代号含义号代号含义蟹代号含义 lp l c 5 1 1 7烟气压控13 8f 1 2 0 0 2 f 2 0 2 燃料流量 7 51 1 5 0 0 6 f 5 0 1 入料温度 2p i c 5 1 1 6烟气压控2 3 9 f 1 2 0 0 3f 2 0 3 燃料流量7 6h c