Оптимизация работы печей парового крекинга с использованием тепловизионной съемки внутреннего пространства печи

Паровой крекинг — это высокотемпературный процесс разложения углеводородного сырья (этана, нафты) в присутствии водяного пара с образованием этилена и пропилена. Современные крекинг-печи представляют собой крупные прямоугольные топки, в которых змеевики излучательно нагреваются от стенок, покрытых огнеупорным материалом.

Основными параметрами, влияющими на эффективность процесса, являются:

• Температура металла труб (TMT) – критический показатель, превышение которого ведет к ускоренному коксованию и повреждению змеевиков.
• Температура дымовых газов – контролируется термопарами для оптимизации теплопередачи.
• Температура выхода из змеевика (COT) – определяет степень разложения углеводородов.

Операторы, не имея систем онлайн-мониторинга, вынуждены полагаться на термопары и периодические измерения портативными пирометрами, что не позволяет своевременно реагировать на изменения в температурных профилях труб.

Взаимосвязь между коксованием и TMT (температура металла труб):

Коксование — неизбежный процесс, при котором углеродистые отложения накапливаются на внутренней поверхности труб, ухудшая теплопередачу и увеличивая TMT. По мере накопления кокса растет сопротивление потоку, что приводит к увеличению перепада давления между входом и выходом змеевика.

Когда TMT достигает предельных значений (~1050°C), печь переводят в режим коксоудаления. Кокс сжигается путем подачи воздуха и пара, при этом процесс контролируется по уровню CO₂ в газах и изменениям COT. Однако при традиционных методах контроля возможно неравномерное выгорание кокса, что увеличивает риск перегрева отдельных участков змеевика.

Как автоматизация сбора данных по TMT повышает эффективность:

1. Увеличение продолжительности работы печи. Тепловизоры фиксируют изменения TMT в режиме реального времени, что позволяет операторам принимать меры для выравнивания температурных профилей и минимизации перегрева труб. Улучшение равномерности теплового потока показывает, что разброс выходных секций TMT уменьшается, это говорит о том, что повышение температуры во время работы равномерно по выходным секциям каждой трубы. Это замедляет рост коксовых отложений и увеличивает продолжительность работы печи без остановки на очистку.

Например, равномерное распределение тепловой нагрузки по змеевикам снижает разброс температур от самой горячей до самой холодной трубки, что позволяет продлить эксплуатацию без вынужденных простоев. Оператор с ограниченной информацией (периодические измерения температуры в различных местах) может отключить работу печи для удаления кокса из-за одного высокого показания TMT, но, все другие показатели TMT, могут указывать на возможность продолжения работы печи.

2. Оптимизация процесса коксоудаления. Использование тепловизоров при коксоудалении позволяет:

• Сократить время очистки, минимизируя простои производства.
• Полностью удалить кокс, снижая риск преждевременного засорения труб.
• Избежать повреждений змеевика, вызванных локальным перегревом.

Во время коксоудаления TMT может резко увеличиваться из-за реакции кокса с воздухом, что создает риск локального перегрева. Мониторинг в реальном времени помогает точно регулировать подачу воздуха и пара, предотвращая опасные скачки температуры.

3. Повышение надежности и срока службы змеевиков. Змеевики крекинг-печей работают в экстремальных условиях, подвергаясь высоким температурам, науглероживанию и термическому расширению. Перегрев труб ускоряет процессы разрушения металла и может привести к разрыву змеевика, что приведет к дорогостоящим аварийным остановкам.

Исследования показывают, что превышение температуры эксплуатации на 56°C может сократить срок службы трубы на 90%. Использование тепловизионного контроля позволяет:

• Предотвратить локальные перегревы и снизить риски повреждений.
• Отслеживать температурные колебания при пусках и остановках.
• Продлить срок службы змеевиков за счет равномерного распределения температуры.

4. Экономия топлива и снижение выбросов CO₂. По мере эксплуатации печи на нее требуется больше тепловой нагрузки для поддержания заданной температуры выхода (COT), что увеличивает расход топлива и выбросы CO₂.

Оптимизация теплопередачи при помощи тепловизоров позволяет:

• Снизить расход топлива за счет повышения эффективности нагрева.
• Сократить выбросы CO₂, что особенно важно в условиях ужесточающихся экологических норм.
• Уменьшить частоту остановок на очистку, увеличивая производительность.

Паровой крекинг вносит около 0,7% в глобальные выбросы CO₂. Оптимизация температурных режимов позволяет снизить этот показатель, что делает процесс более экологичным.

Более 10 лет занимается проектированием и установкой систем промышленного мониторинга температуры внутри печей

Александр Елизаров

Экспертное мнение