Швейцарские
традиции.
Качественные
и технологичные
инжиниринговые
решения.

Система улучшения параметров работы печей и котлов. Увеличение КПД. Оптимизация процесса горения. Мониторинг и управление основных компонентов горения

Производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH («ЭНЦЕ ГмбХ») (Швейцария) вот уже более 20 лет опираясь на свой огромный и уникальный опыт, разрабатывает и внедряет новые технологии для нефтехимических, химических производств. В рамках доверительных долговременных деловых отношений мы тесно сотрудничаем с заказчиками в России и странах СНГ, разрабатываем индивидуальные решения, которые доводят до максимально возможного уровня продуктивность жизненного цикла оборудования, его эффективность и срок службы. Наши предложения с применением инновационных технологий и оборудования позволяют нашим заказчикам добиться значительного сокращения ресурсных, трудовых и экономических расходов.
Навигация
Система по улучшению параметров работы печей и котлов путем усовершенствования процесса горения с помощью лазерной оптимизации
Введение и краткий обзор

Оптимизация горения, лазерные измерения, эффективность (КПД) котлов, система автоматизации для генерирующих станций.

Система оптимизации горения – это отработанная методика для улучшения параметров работы станции, увеличения эффективности работы котлов и уменьшения выбросов. Решения, предлагаемые системой оптимизации горения, позволяют операторам станций достичь этих целей.

Далее приведено детальное описание улучшения параметров работы, достигнутых с использованием устройства оптимизации горения на котле 660 МВт сверхкритического давления с угловым расположением горелок. Для лучшей балансировки горения была разработана система оптимизации закрытого цикла с регулировкой уровня топлива и воздуха на базе лазерных измерений, которые непрерывно предоставляют данные по ключевым компонентам горения О2 , CO, H2O и температуре непосредственно в печи.

В текущих рыночных условиях электростанции всегда должны работать в наиболее эффективной рабочей точке. Это в первую очередь требует высокой гибкости, высокого КПД, высокой надежности и низкого уровня выбросов.

Одним из наиболее экономически эффективных способов повышения эффективности работы котла является применение основных мер, основанных на оптимизированной настройке процесса сгорания. Однако этот оптимизационный подход обычно сдержан ограниченными знаниями оператора электростанции о реальных условиях горения. Эта неопределенность относительно фактического процесса сгорания приводит к ситуациям, в которых операторы поддерживают большую часть настроек котла на постоянном уровне, несмотря на то, что происходят значительные изменения в отношении свойств топлива, стабильности расхода топлива, диапазона нагрузки или нарушений воздушного потока. Недостаточный мониторинг и контроль означают, что, как правило, работа котлов основана на использовании определенных комбинаций глобальных или косвенных переменных, полученных либо из рекомендаций производителя котла, либо из накопленного опыта операторов конкретного завода. Это часто имеет большее отношение к стабильности работы и исторической инертности, то есть следуют традиционной практике, а не истинно оптимальным рабочим условиям.

Оптимизатор сгорания обеспечивает замкнутую оптимизацию смешивания топлива и воздуха, управляя уровнями топлива и воздуха, чтобы сбалансировать процесс сгорания в печи. Важные преимущества оптимизатора включают более высокую эффективность сгорания и, следовательно, более низкие затраты на топливо, стабильное сгорание дополнительного топлива, стабильное сгорание более широкого спектра типов угля и т.д.

Оптимизатор сгорания является программным решением и не нуждается в модификации механического оборудования. Это решение состоит из модулей для лазерной измерительной технологии, расчета распределения на основе процедуры компьютерной томографии и средств управления, как показано на рис 1. Контроллер сгорания полностью интегрирован вместе с включенной спектроскопической базой измерения, производимого непосредственно в печи, системы

Лазерная измерительная система отображает концентрации CO, О2, H2O и температуры одновременно в режиме реального времени и непосредственно в печи.

Лазерные передатчики и приемники расположены снаружи котла так, что сетка лазерных лучей пересекает печь. Каждая траектория лазерной сетки X от X измеряет среднее значение температуры, О2, H2O и CO одновременно, и вместе траектории используются для создания томографического изображения этой плоскости в котле, которая также отображается для операторов прямо в диспетчерской.

Ниже приведено подробное описание улучшений производительности на котлоагрегате, достигнутых с помощью оптимизатора сгорания.

Станция, описание котла

Котел 660 МВт сверхкритического давления с угловым расположением горелок. Он представляет собой прямоточный котел с одной печной полостью, одинарным подогревом, сбалансированной тягой, полуоткрытым извлечением сухой золы. Он относится к типу котла с цельной стальной навесной каркасной конструкцией. В задней части котла установлены два трехсекторных регенеративных воздухоподогревателя. Котел использует мягкий уголь в качестве топлива.

Имеется шесть угольных питателей и мельниц. Циклонный классификатор используется на угольных мельницах. Имеется шесть уровней горелок с 4 горелками на каждом уровне. Горелка с прямым потоком на каждом углу образует тангенциальный огонь. В воздушной коробке установлены шесть слоев угольных форсунок, окруженных топливно-воздушной смесью (пограничный (подаваемый вдоль стенки) воздух). Сопла раздельного острого дутья, установленные в верхней части воздушной коробки, включают в себя пять слоев горизонтально вращающихся сопел.

Имеется 25 вторичных воздушных клапанов, включая пограничные (подаваемый вдоль стенки) воздухугольные форсунки, которые управляются индивидуально с помощью пневматических приводов на каждом углу и слое котла.

Реализация проекта оптимизации сгорания

Проект оптимизации сгорания был реализован в четыре этапа.

  1. Первый этап состоял в установке лазерных измерительных сеток внутрь котла.
  2. Вторым этапом стало проведение параметрического испытания с учетом условий работы котла. После чего были сделаны выводы и проведен анализ пространственного распределения.
  3. На основании наблюдений и заключений, полученных на втором этапе (см. выше), было принято решение о необходимых контролируемых параметрах для разработки замкнутых систем управления, что стало третьим основным этапом проекта.
  4. Четвертым этапом стала интеграция и ввод в эксплуатацию устройств управления оптимизацией сгорания в существующую систему КИПиА.

Аппаратное и программное обеспечение оптимизатора сгорания

  • Конфигурация аппаратных средств
  • модуль оптимизатора сгорания
  • система состоит из стандартных компонентов:
  • технологический сервер, для архивного хранения и оптимизации
  • клиент с ПО
  • стандартный интерфейс к существующей РСУ

Конфигурация аппаратных средств оптимизатора сгорания на котле станции описана далее. Лазерная измерительная система подключена к технологическому серверу через OPC по протоколу TCP/IP. Кроме того, использовался “Тонкий Клиент”, связанный с Технологическим Сервером. Технологический сервер подключен к РСУ посредством коммуникационного протокола Modbus. Это позволяет получить измеренные данные из существующей РСУ, в частности расход угля и воздуха или содержание CO и NOx в дымовых газах, для процесса оптимизации сгорания.

  • Передача сигналов между оптимизатором сгорания и РСУ

Основная блок-схема передачи сигнала между оптимизатором сгорания и РСУ показана на рис. 2.

Для проверки коммуникации между оптимизатором и РСУ использовался сторожевой сигнал. Измерения технологических показателей из РСУ были использованы для расчета устройств управления в оптимизаторе. Оптимизатор затем использовал измерения технологических показателей из РСУ, а также данные лазерных измерений внутри котла для расчета оптимизированных значений. Эти значения использовались в качестве уставочных дельт, которые были дополнительными значениями смещения к существующим в РСУ установкам. Это обеспечило новые установки, которые были переданы основным базовым устройствам управления и на места.

В РСУ было три проверки на безопасность, которые должно было проходить каждое изменение дельты установки, прежде чем они начнут действовать в управлении и технологическом процессе котла. К трем испытаниям на безопасность относилось реле оптимизатора вкл/выкл, ограничитель скорости и минимальные / максимальные абсолютные пределы.

Результат параметрического испытания

Во время параметрического испытания за поведением котла наблюдали, изменяя и настраивая индивидуальный вторичный воздух, вторичный вспомогательный воздух и заслонки раздельного острого дутья.

Результаты параметрического испытания и анализа горения следующие:

  • Огневой шар часто находился не в центре котла, что приводило к несбалансированной передаче тепла к водяному экрану и нагревателям. Это также повышало риск шлакования для элементов водяного экрана.
  • Неоднородное распределение избыточного воздуха в котле, что вело к потере эффективности на участках со слишком большим количеством воздуха и к плохому горению на участках с недостатком воздуха.
  • Уставка по О2 в размере 3,5% при полной нагрузке для нормальной эксплуатации с ограниченными возможностями ручного снижения содержания О2 из-за неоднородной и постоянно меняющейся ситуации сгорания в котле.

Концепция управления оптимизацией горения

  • Центровка огневого шара

Цель центровки огневого шара – центрировать огневой шар для равномерного сгорания. Огневой шар центрировался посредством использования заслонок вторичного вспомогательного воздуха. Переданные значения температур от лазерных измерений использовались для расчета текущего положения огневого шара. Модель была разработана с использованием угла заслонки вторичного вспомогательного воздуха для определения реакции положения огневого шара и определения расстояния огневого шара от исходного. Используя данную информацию, контроллер затем высчитывает дельту положения заслонки вторичного вспомогательного воздуха для каждого из четырех углов котла.

  • Балансировка распределения О2

Цель балансировки распределения О2 - равномерное распределение О2 с использованием раздельного острого дутья. Балансировка О2 осуществлялалась путем регулировки заслонок раздельного острого дутья. Распределение О2 в котле,определенное на основе лазерных измерений, было использовано в качестве управляющих входных сигналов. Модель была создана на основе средневзвешенного значения для измерений О2 для четырех индивидуальных углов котла. Данная модель для каждого угла определила дельты раздельного острого дутья пропорционально распределению потребностей заслонки РСУ для уровня I через уровень V.

  • Балансировка сгорания

Цель балансировки сгорания – равномерное сгорание на основе хорошего соотношения воздуха к топливу. Балансировка сгорания была произведена с использованием заслонок вторичного пограничного (подаваемого вдоль стенки) воздуха. Измерения температуры, О2 и CO, полученные на основе лазерных измерений, использовались как вводные данные для управления балансировкой сгорания. Модель котла была разработана с использованием вводных данных, которые были потом использованы для отображения реакции, необходимой для дельт заслонки вторичного пограничного (подаваемого вдоль стенки) воздуха.

  • Сокращение избытка О2

Центровка огневого шара, распределение О2 и управление балансировкой сгорания помогли обеспечить снижение избыточного О2 для увеличения производительности котла. Эта дополнительная логика с использованием концентрации СО была применена для определения корректировки уставок О2 в зависимости от фактической ситуации сгорания в котле. Значения СО в котле, полученные на основе лазерных измерений, и СО после котла из РСУ использовались для определения номинальной концентрации СО. Уставка СО в интегральном управлении было определено как функция нагрузки установки из РСУ. Контроллер оптимизации также имеет более низкое предельное значение для снижения О2, что основано на функции нагрузки установки, а также более низкое абсолютное предельное значение из характеристик уставки О2 из РСУ.

Интерфейс пользователя

  • Интерфейс оператора в РСУ

Выключатель ВКЛ/ВЫКЛ для оптимизатора предусмотрен в РСУ и оператор имеет возможность полного управления по включению и выключению оптимизатора. Интерфейс также показывает дельты уставочных значений для раздельного острого дутья для всех углов и всех уровней между A и F слоями, I и V, соответственно, в человеко-машинном интерфейсе РСУ. Дельты уставочных значений от оптимизатора для заслонок вторичного вспомогательного воздуха и для заслонок вторичного пограничного (подаваемого вдоль стенок)  воздуха для всех четырех углов и для слоев между A и F, I и V отображены в человеко-машинном интерфейсе РСУ.

Улучшения эксплуатации котла с оптимизатором сгорания

  • Центровка огневого шара для лучшей теплопередачи

С системой управления оптимизации сгорания была произведена центровка огневого шара для улучшения теплопередачи, снижения шлакоотделения и улучшения КПД котла.

Рис. 3 отображает состояние распределения температур со средствами управления оптимизатора и без них. Можно увидеть, что огневой шар не размещен по центру без средств управления оптимизатора и находится в центре благодаря оптимизации замкнутого контура.

  • Сбалансированное распределение О2 для лучшего сгорания

При работе средств управления системы оптимизации сгорания, распределение О2 было сбалансировано для достижения улучшенного сгорания, снижения содержания О2 в котле и лучшего КПД котла.

Рисунок 3 отображает состояние распределения О2 со средствами управления оптимизатора и без них. Распределение О2 было несбалансированным без системы управления оптимизатора и распределение О2 хорошо сбалансировано благодаря средствам управления закрытого цикла.

  • Уменьшенное количество О2 для более высокого КПД котла

При работе средств управления системы оптимизации достигнуто снижение расхода воздуха горения после балансировки котла. Было выполнено автоматическое снижение количества избыточного О2 в соответствии с фактической ситуацией сгорания. С помощью оптимизатора было достигнуто уменьшение расхода отработанных (дымовых) газов, а также уменьшение сопутствующих тепловых потерь в котле. Сочетание всех остальных средств управления оптимизатором вместе со средствами управления снижением количества О2 привело к увеличению КПД котла. Тем не менее попытки снизить О2 в течение первого часа испытания без дополнительных мер решения оптимизатора сбалансировать сжигание не увенчались успехом.

Изображение лазерных измерений c оптимизатором и без него

На Рис. 3 изображено состояние лазерных измерений без и с включенным оптимизатором. Без оптимизатора огневой шар не имеет центровое положение в температурном профиле, а распределение О2 не сбалансировано в профиле лазерного измерения О2. С оптимизатором огневой шар хорошо отцентрирован в температурном профиле и распределение О2 сбалансировано в профиле лазерного измерения О2.

Заключение

Испытания оптимизатора горения проводились в различных условиях установки, например, при разных нагрузках установки, на разных типах угля и т. д.

Основные преимущества использования оптимизатора горения на станции:

  • Лучшее центрирование огневого шара
  • Лучшее распределение О2 в котле
  • Большее снижение О2 на основе сбалансированного горения, обычно снижение О2 составляет 0,7 ~ 1,1
  • Снижение вспомогательной мощности, снижение потребления угля и повышение КПД котла

По запросу руководства на станции была проведена независимая оценка о повышении КПД котла, достигнутое оптимизатором горения, под руководством НТЦ

Провели испытание для определения КПД котла при полной и частичной нагрузке, чтобы сравнить КПД котла при включенном и выключенном оптимизаторе горения. Улучшение характеристик, связанное с балансировкой горения, но не включенные в расчет КПД котла, например, более низкие требования к вспомогательной мощности (от нагрузок вытяжных, нагнетательных и основных вентиляторов) и повышенная энтальпия пара, были также рассчитаны с использованием результатов испытаний и стандартов ASME 4.1.

Оптимизатор горения улучшил характеристики на 0,57% при полной нагрузке. Было достигнуто более сбалансированное горение, позволяющее снизить избыток О2 на 0,93% на основе РСУ. Это привело к снижению нагрузки на вентиляторы (вытяжная / нагнетательная тяга и первичный воздух), что еще больше снизило требования к вспомогательной мощности на 293 кВт / час или на 0,05% от нагрузки. Это сокращение вспомогательной мощности привело к увеличению количества электроэнергии, доступной для продажи заводом.

Кроме того, при полной нагрузке энтальпия пара возросла ввиду повышения температуры пара в пароперегревателе и промежуточном пароперегревателе в результате лучшего горения, что в общем увеличило выходную производительность паровой турбины на 0,07%. Кроме того, снизился уровень NOx на 14,4% в результате снижения избыточного О2, в то время как CO и LOI существенно не изменились.

Технология мониторинга и диагностики для пламенных подогревателей и печей

Проблема поддержания хорошо сбалансированного равномерного сжигания по большим пламенным нагревателям и печам

Эксплуатационные задачи внутри печи

КПД процесса

  • Неравномерная скорость коксообразования
  • Короткие производственные циклы
  • Локализованные «горячие точки»
  • Ограничения печи

КПД сжигания

  • Больший избыток О2
  • Большие выбросы (NOx и CO2)

Надежность

  • Преждевременный выход из строя змеевика/горелки
  • Более короткие циклы производства

Безопасность

  • Колебания СО
  • Протечки змеевика/трубы

Мультиплексная система. Полный пространственный мониторинг и управление печью

Измеряет: О2, CO, H2O и температуру в режиме реального времени

Новый взгляд на работоспособность, эксплуатацию и эффективность печи

Полное пространственное профилирование и измерение в одной точке

В чем уникальность мультеплексной системы?

Измерение нескольких пунктов за один проход

  • Одновременное измерение температуры, O2, H2O и CO

Несколько проходов в рамках одной системы

  • Архитектура с волоконной связью обеспечивает до 23 проходов
  • Несколько печей могут быть взяты на испытание одной системой

Надежная система отчетности

  • Автоматическое выравнивание проходов для постоянной отчетности
  • Необходимо минимальное обслуживание

Быстрые измерения

  • Полный профиль печи каждые 4-5 минут

Принцип измерений мультиплексной системы

1. Молекулы имеют уникальные абсорбционные профили при разных частотах
2. Сканирования целевой частоты позволяют определять концентрацию разных объектов измерения
3. Мультиплексные частоты позволяют вычислять количество разных объектов измерения

Объем работ по проекту и задачи

Объем работ:

  • Дизайн траектории лазерного луча и план установки объектов
  • Смотровые трубки и системы
  • Введение в эксплуатацию системы
  • Проектирование крекинг-змеевика
  • Проектирование и установка горелки
  • Проектирование радиантной секции
  • Установленные отверстия для траекторий лазерного луча
  • Установленные шкаф и кабелепровод
  • Соединения РСУ и визуализация РСУ
  • Обучение по интеграции данных и систем

Меры по внедрению мультиплексной системы

1. Определить показатели и ограничения печи
2. Провести базовое испытание
3. Инициировать процедуру оптимизации печи
4. Внедрить оптимизированные процессы в эксплуатацию печи

Анализ данных по улучшеннию эксплуатации и безопасности печи

Температура

  • Предоставляет показатель однородности температуры топочного газа
  • Выравнивает и увеличивает интервалы декоксования

О2

  • Выравнивает распределение О2 и оптимизирует потребление топлива
  • Уменьшает число эксплуатационных ограничений печи
  • Снижает выделение NOx

СО

  • Предупреждает о зонах скопления топлива в печи для обеспечения большей безопасности

Н2О

  • Проверяет систему на наличие утечки (безопасный запуск и останов)

Эксплуатационные инструкции комплексных показателей

Описание Регулировка Движение Число задействованных горелок Среднее ∆
Температура
Выравнивание/баланс ряда горелок
Первичный воздух движение задвижки 1/8 2 5,62
Вторичный воздух движение задвижки -3/4 2 0,73
доля открытых клапанов боковых горелок
(1 клапан = 1/4)
1/2 4 -2,35
О2
Выравнивание/баланс
ряда горелок
Первичный воздух движение задвижки 1/8 2 0,095
Вторичный воздух движение задвижки -3/4 2 0,37
доля открытых клапанов боковых горелок
(1 клапан = 1/4)
1/2 4 0,26
СО
Выравнивание/баланс ряда горелок
Первичный воздух движение задвижки 1/8 2 -0,011
Вторичный воздух движение задвижки -3/4 2 0,24
Доля открытых клапанов боковых горелок
(1 клапан = 1/4)
1/2 4 -0,065
Н2О
Выравнивание/баланс ряда горелок
Первичный воздух движение задвижки 1/8 2 -0,11
Вторичный воздух движение задвижки -3/4 2 0,15
Доля открытых клапанов боковых горелок
(1 клапан = 1/4)
1/2 4 -0,13

Обзор анализа данных

  • Анализ данных за период с ноября по сентябрь (пример)
  • Более низкие температуры металла труб (TMT)
  • Сравнение базовых проходов по исходному сырью (сжиженный углеводородный газ, нафта, этан) для оптимизации расчета
  • Значительное увеличение длины хода между точками разного сырья
  • Работа при увеличенной на 6-8% скорости подачи (сжиженный углеводородный газ)
  • Снижение выбросов NOx

Итоги

Мультиплексная система мониторинга сжигания может помочь операторам печей крекинга этилена и больших пламенных подогревателей:

  • Улучшить время хода
  • Увеличить технологический выход и КПД
  • Увеличить срок службы важных компонентов (т.е. змеевиков/труб)
  • Отслеживать температуру, измерять О2, H2O и СО в режиме реального времени напрямую в печи с целью налаживания баланса, управления и оптимизации сжигания

Местное полное пространственное отслеживание и управление газом в узком и точном диапазоне помогает добиться лучшей продуктивности оборудования, его КПД, надежности, сокращению выбросов и лучшей безопасности

Система Сканирования и Мониторинга Внутреннего Пространства (ССМВП)

Помимо обследований и модернизации, компания ENCE предлагает как опцию к модернизации новейшую Систему Сканирования и Мониторинга Внутреннего Пространства (ССМВП) печи (это единственная измерительная система, доступная для использования непосредственно в топочной камере). Данная система помогает значительно увеличить пробег печей между стадиями декоксования, увеличить срок службы змеевиков (в наличии имеются официальные письма крупнейших производителей труб центробежного литья), увеличить срок службы катализатора (в наличии имеются официальные письма крупнейших производителей катализаторов) и значительно улучшить эффективность работы печи. На большинстве предприятий, где была установлена эта система, экономический эффект превзошел расходы по ее установке уже на второй год эксплуатации.

Данная система может быть интересна для любого предприятия, где есть печи.

Система используется для балансировки газов сгорания и управления горелками печей, оптимизации температуры и профиля кислорода непосредственно в зоне горения. Преимущества включают повышенную безопасность эксплуатации, экономию топлива за счет сбалансированных температур во всем процессе сгорания, снижение избыточных уровней O2, мониторинг и контроль СО, повышение выхода продукции и снижение выбросов NOx.

Система является единственной системой мониторинга и диагностики горения в режиме реального времени, которая позволяет получить основные измерения составляющих горения в крайне жестких условиях печи.

Традиционные датчики могут измерять ограниченное количество измерений, но из-за ограничений по температуре они могут производить измерения только в дымоходе - не в самой печи. Однако для улучшения горения операторы должны иметь правильную, корректную информацию о параметрах (температура, О2, СО) предпочтительно в самой печи, для внесения корректировок в настройки, таких как регулировка горелки и регулировка настройки воздушной заслонки. Измерения от традиционных датчиков дымохода делаются после завершения горения и не могут обеспечить достаточную идентификацию локальных балансовых расхождений по печи, как слишком высокие или слишком низкие температуры трубы или высокие уровни избыточного О2, которые увеличивают расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Преимущества мониторинга и балансировки горения печей на примере печей крекинга этилена

Значение мониторинга горения и балансировки печи крекинга этилена с использованием системы СМВП можно обозначить в нескольких ключевых областях, как указано ниже.

- УВЕЛИЧЕННАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА:

Производственные циклы обычно ограничены локализованными «горячими точками» в печи, которые создают повышенные скорости коксования внутри технологических труб. Эти «горячие точки» часто создаются неравномерными профилями горения, которые трудно идентифицировать с помощью ограниченных традиционных датчиков после печи или даже периодического измерения температуры стенки трубы (TWT). Один змеевик с высокой TWT может вызвать преждевременный цикл декоксования, даже если другие змеевики находятся в диапазонах допустимых температур. При сокращении локализованных «горячих точек» образуется более равномерный температурный профиль горения газа, что приводит к более ровному уровню коксования на всех фазах и обеспечивает более долгую эксплуатацию между циклами декокосования. Например, относительно небольшое уменьшение  выходной температуры 15°F (7°C) в змеевике (т.е. сдвиг горячей точки TWT) может сократить уровень коксования на больше чем 20%. Соответственно, небольшое сокращение уровня коксования может иметь существенное влияние на продолжительность срока службы. Так эти рассмотренные 20% повышают время эксплуатации на 30%.

- УЛУЧШЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВЫХОДЫ ПРОДУКТА:

Выход этиленового процесса зависит от ряда факторов, включая: соотношения пропилен/этилен; коэффициенты конверсии; соотношение разбавляющего пара, характеристики времени пребывания и исходного сырья. Однако, во всех случаях более однородный профиль температуры по всей печи и более однородный профиль теплового потока вдоль длины трубы приведут к лучшему регулированию температуры процесса, тем самым увеличивая выход этилена. Температура на выходе из змеевика через печь может существенно различаться с широким разбросом значений для каждого змеевика (от минимума до максимума). Характеристики или качество исходного материала (этан, пропан или нафта) также могут оказывать влияние на выход. Условия крекинга могут различаться для каждого исходного сырья, и, следовательно, может появиться необходимость изменения требований к сжиганию. Информация о сжигании в режиме реального времени из системы СМВП может предоставить ценную информацию для адаптации или компенсации этих изменяющихся ситуаций с исходным сырьём и / или топливом.

- СРОК СЛУЖБЫ ЗМЕЕВИКОВ / ТРУБ:

Внутренний поверхностный металл труб медленно удаляется как в процессе коксования, так и в процессе декоксования, что приводит к точечной коррозии и эрозии, а также сокращению срока службы труб. Цементация из коксования также может изменить свойства металлического трубчатого материала и привести к ухудшению и / или повреждению материального исполнения трубы. Поскольку диффузия углерода активируется термически, углерод из кокса, особенно при высоких температурах, распространяется в металл труб, тем самым изменяя его свойства. Термические напряжения являются максимальными при запуске, останове и во время процесса удаления кокса. В результате механические свойства, в основном свойства сопротивления ползучести и термостойкости, изменяются до такой степени, что материал трубы становится очень хрупким. Более однородные температуры, устранение «горячих точек» и меньшее количество циклов декоксования увеличивают срок службы труб.

- УЛУЧШЕННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СГОРАНИЯ И СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ:

Эффективность сгорания может быть достигнута за счет сокращения избыточного кислорода до требуемых оптимальных уровней. В то время как определенный уровень О2 необходим для оптимального и полного сгорания, любой избыточный О2 напрямую влияет на эффективность установки и выбросы NOx (оксиды азота). Даже 1% сокращения избыточного кислорода приводит к улучшению показателя энергоэффективности с индексом 55,89-111,78 кДж/м³ (1.5-3.0 бте./станд.куб.фут). ССМВП обеспечивает полное распределение О2 в зоне сгорания, таким образом избыточные уровни О2 снижаются для повышения эффективности и снижения NOx.

- УДАЛЕННЫЙ МОНИТОРИНГ

Этиленовые печи обычно имеют широкий спектр датчиков, расположенных на топливных и воздушных трубах как до, так и после зоны горения. Однако имеется очень мало датчиков для измерений непосредственно внутри печи. Сенсор сгорания ССМВП представляет собой первый количественный сенсор, который измеряет в режиме реального времени и прямо в печи, где идет процесс, для облегчения работы оператора и понимания пирометрических измерений температур трубы. Например, резкий рост температуры, измеренный ССМВП, может вовремя сигнализировать об утечке трубы, которая может привести к дальнейшему повреждению примыкающих труб.

- БЕЗОПАСНОСТЬ

Способность ССМВП измерять в реальном времени, обеспечивает представление о статусе печи, т.е. оператор из операторской может определить недостаточные условия сгорания или опасную ситуацию. Например, избыточные уровни CO, показанные ССМВП «здесь и сейчас», могут сигнализировать об опасных условиях сгорания. Количественные измерения могут быть сконфигурированы для инициирования аварийных сигналов, если превышены определенные лимиты.

- ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ NOх ДЛЯ ЭТИЛЕНОВОЙ ПЕЧИ С 100% МЕТАНОВЫМ ТОПЛИВОМ.

Вышеуказанные преимущества приводят к улучшению общего сгорания и эффективности процесса, безопасности операций, а также обеспечивают экономию затрат на печь за каждый год эксплуатации.

По решению заказчика, перед внедрением новейшей системы сканирования и мониторинга внутреннего пространства печи, может быть произведено комплексное обследование, которое позволит определить оптимальные точки для подключения системы, а так же даст возможность рассчитать экономическое обоснование и экономию от внедрения данной системы.

Этапы обследования выглядят следующим образом:

Фаза I – Детальный инжиниринг и документация

В рамках данной фазы, будет произведен сбор информации, проведен детальный инжиниринг, построена CFD модель печи и на базе этого сконфигурирована оптимальная схема установки системы.

На базе проведенного инжиниринга заказчику необходимо будет установить специальные смотровые трубы во время последующего отключения или остановки печи.

Ключевые положения по фазе 1 включают в себя:

  • Подготовка CFD модели печи;
  • Детальный инжиниринг по расположению лазерной  головки, основанный на CFD модели печи.
  • Поставка смотровых труб и монтажных скоб (установка проводится либо заказчиком, либо нашими специалистами).
  • План установки на месте для системы мониторинга.
  • Поддержка на месте для установки смотровых труб (на месте максимум 3 дня).

Фаза II – Поставка, установка и пуска-наладка оборудования системы мониторинга

Установка и пуска-наладка системы может быть осуществлена в любое время, после того как были установлены смотровые трубы, в т.ч. во время работы (эксплуатации) печей.

Ключевые положения по фазе II включают в себя:

  • Поставка оборудования.
  • Установка оборудования
  • Пуска-наладка системы.
Пример проекта на систему сканирования и мониторинга внутреннего пространства (ССМВП) для модернизированных печей пиролиза производства этилена

1. Введение

Компания ENCE GmbH, совместно с европейскими и американскими партнерами рада представить данное предложение на ССМВП для оптимизации работы печей пиролиза этилена.

Предложение включает следующие две фазы в рамках реализации проекта системы:

Фаза I – Детальный инжиниринг и документация

В рамках данной фазы, будет произведен сбор информации, проведен детальный инжиниринг, построена CFD модель печи и на базе этого сконфигурирована оптимальная схема установки системы.

На базе проведенного инжиниринга заказчику необходимо будет установить специальные смотровые трубы во время последующего отключения или остановки печи.

Ключевые положения по фазе I включают в себя:

  • Подготовка CFD модели печи;
  • Детальный инжиниринг по расположению лазерной головки, основанный на CFD модели печи.
  • Поставка смотровых труб и монтажных скоб.
  • План установки на месте (SIP) для системы СМВП.
  • Поддержка на месте для установки смотровых труб (на месте максимум 3 дня).

Фаза II – Поставка, установка и пуска-наладка оборудования системы СМВП

Установка и пуска-наладка системы СМВП может быть осуществлена в любое время, после того как были установлены смотровые трубы, в т.ч. во время работы (эксплуатации) печей.

Ключевые положения по фазе 2 включают в себя:

  • Поставка оборудования ССМВП как указано в данном предложении.
  • Установка головок ССМВП, стойки и межсоединений (см. раздел 4.2).
  • Пуска-наладка системы СМВП.

2. ОПИСАНИЕ

2.1. ССМВП

ССМВП использует хорошо зарекомендовавшую себя технологию для измерения средних концентраций критических составляющих, таких как О2, CO, H2O, и температуры на нескольких путях в реальном времени непосредственно в зоне горения.

2.2. Основные характеристики системы

  • Мультифункциональность: Обеспечивает одновременное измерение температуры, О2, CO и H2O в режиме реального времени и непосредственно в зоне горения печи.
  • Многовариантный: Обеспечивает построение пространственной картины температурных полей внутри топки.
  • Неинтрузивный: внутри печи пиролиза этилена нет ничего, что могло бы вызвать коррозию, разрушить, затыкать (например, пробоотборные сопла).
  • Архитектура связи: все ключевые электронные компоненты расположены вдали от печи.
  • Поверка в полевых условиях не требуется: после ввода системы в эксплуатацию, нет необходимости периодически откалибровать систему, используя поверочные и калибровочные газы, как с датчиками экстракционного газа.
  • Низкие требования к техническому обслуживанию: система спроектирована для простого ТО. ТО и ремонт системы может осуществляться при работающих (эксплуатируемых) печах.

2.3. Мониторинг в режиме реального времени в сравнении с традиционными измерениями топочного газа

  • Печи этилена требуют контроля температуры и равномерности для обеспечения оптимальной производительности и надежности. Несколько датчиков доступны для использования непосредственно внутри печи, где точное управление является наиболее важным. Отсутствие данных измерений непосредственно в зоне сгорания затрудняет поддержание оптимальных температур и равномерного профиля горения. ССМВП - единственная измерительная система, доступная для использования непосредственно в топочной камере, которая предоставляет количественную и действенную информацию для мониторинга и балансировки сжигания, чтобы улучшить производительность и надежность печи.
  • Система является единственной системой мониторинга и диагностики горения в режиме реального времени, которая позволяет получить основные измерения составляющих горения в крайне жестких условиях печи крекинга этилена.

Традиционные экстракционные датчики могут измерять ограниченное количество элементов, но из-за ограничений по температуре могут измерять только в дымоходе - не в печи непосредственно. Однако для улучшения горения операторы должны иметь правильную информацию предпочтительно в печи, для внесения корректировок в настройки, таких как регулировка горелки и регулировка настройки воздушной заслонки. Измерения от традиционных датчиков дымохода делаются после завершения горения и не могут обеспечить достаточную идентификацию локальных балансовых расхождений по печи, как слишком высокие или слишком низкие температуры трубы или высокие уровни избыточного О2, которые увеличивают расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Измерение нужных параметров
  Как измерение влияет на проблемы исполнения
Рабочий параметр Температура О2 CO
КПД печи Равномерный профиль температуры в печи приведет к оптимальной передаче тепла технологическому газу. Правильная передача тепла в печи приводит к увеличению производительности. Сбалансированный профиль О2 позволяет операторам работать при более низких общих уровнях избыточного О2, тем самым улучшая тепловую мощность за счет снижения потерь сухого газа и мощности вентилятора и уменьшения потерянной энергии на дымовую трубу. Высокий СО является показателем плохого горения. Более низкие уровни СО обуславливают более высокую тепловую мощность. Показания одновременного присутствия как О2, так и СО указывают на плохое смешивание, которое может быть идентифицировано и скорректировано с помощью ССМВП.
Индекс NOx Образование NOx обусловлено высокими локальными температурами - не средними температурами. Если локальные участки высокой температуры могут быть уменьшены, могут быть уменьшены NOx. Более низкий общий избыточный О2 коррелирует с более низкой нормой NOx. Более сбалансированный профиль О2 позволит операторам снизить уровни избыточного О2 и снизить уровни NOx. Высокий CO обычно является ограничивающим фактором в снижении уровней избыточного О2 как средство снижения NOx. Улучшение баланса и локальный контроль СО могут позволить операторам снизить уровни О2 без превышения лимитов / разрешений по CO.
Высокие уровни CO ССМВП обнаружит высокие уровни СО в зоне горения и сигнализирует о возможных утечках в окружающие зоны. Размещение большего количества О2 в локализованных участках с высоким уровнем CO является ключом к устранению локальных зон с высоким содержанием CO. Размещение О2 только там, где это необходимо для полного сгорания (вместо увеличения общего О2), сохраняет хороший уровень нагрева. Высокие уровни CO в дымоходе обычно являются результатом нескольких локальных участков с высоким содержанием CO в печи. Профили CO в режиме реального времени в печи могут идентифицировать проблемные области, что в свою очередь, может быть решено за счет регулировки топлива или воздуха.
Быстрое реагирование на изменения состава топлива Быстрое реагирование на изменения в составе топлива может держать максимальные температуры под контролем. По мере изменения состава топлива будет сообщено об избытке кислорода, позволяя немедленно регулировать воздух. Будет быстро предоставлена стехиометрия, а дисбаланс может быть скорректирован с помощью топливной или воздушной коррекции
В сравнении с обычными датчиками Исключают техническое обслуживание и ремонт Калибровка не требуется Меньше вмешательства оператора

3. ПРЕИМУЩЕСТВА ССМВП ДЛЯ ПЕЧЕЙ КРЕКИНГА ЭТИЛЕНА

Значение мониторинга горения и балансировки печи крекинга этилена с использованием ССМВП можно обозначить в нескольких ключевых областях, как указано ниже.

- УВЕЛИЧЕННАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА:

Производственные циклы обычно ограничены локализованными «горячими точками» в печи, которые создают повышенные скорости коксования внутри технологических труб. Эти «горячие точки» часто создаются неравномерными профилями горения, которые трудно идентифицировать с помощью ограниченных традиционных датчиков после печи или даже периодического измерения температуры стенки трубы (TWT). Один змеевик с высокой TWT может вызвать преждевременный цикл декоксования, даже если другие змеевики находятся в диапазонах допустимых температур. При сокращении локализованных «горячих точек» образуется более равномерный температурный профиль горения газа, что приводит к более ровному уровню коксования на всех фазах и обеспечивает более долгую эксплуатацию между циклами декокосования. Например, относительно небольшое уменьшение выходной температуры 15°F (7°C) в змеевике (т.е. сдвиг горячей точки TWT) может сократить уровень коксования на больше чем 20%. Соответственно, небольшое сокращение уровня коксования может иметь существенное влияние на продолжительность срока службы. Так эти рассмотренные 20% повышают время эксплуатации на 30%.

- УЛУЧШЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВЫХОДЫ ПРОДУКТА:

Выход этиленового процесса зависит от ряда факторов, включая: соотношения пропилен/этилен; коэффициенты конверсии; соотношение разбавляющего пара, характеристики времени пребывания и исходного сырья. Однако, во всех случаях более однородный профиль температуры по всей печи и более однородный профиль теплового потока вдоль длины трубы приведут к лучшему регулированию температуры процесса, тем самым увеличивая выход этилена. Температура на выходе из змеевика через печь может существенно различаться с широким разбросом значений для каждого змеевика (от минимума до максимума). Характеристики или качество исходного материала (этан, пропан или нафта) также могут оказывать влияние на выход. Условия крекинга могут различаться для каждого исходного сырья, и, следовательно, может появиться необходимость изменения требований к сжиганию. Информация о сжигании в режиме реального времени из системы может предоставить ценную информацию для адаптации или компенсации этих изменяющихся ситуаций с исходным сырьём и / или топливом.

- СРОК СЛУЖБЫ ЗМЕЕВИКОВ / ТРУБ:

Внутренний поверхностный металл труб медленно удаляется как в процессе коксования, так и в процессе декоксования, что приводит к точечной коррозии и эрозии, а также сокращению срока службы труб. Цементация из коксования также может изменить свойства металлического трубчатого материала и привести к ухудшению и / или повреждению материального исполнения трубы. Поскольку диффузия углерода активируется термически, углерод из кокса, особенно при высоких температурах, распространяется в металл труб, тем самым изменяя его свойства. Термические напряжения являются максимальными при запуске, останове и во время процесса удаления кокса. В результате механические свойства, в основном свойства сопротивления ползучести и термостойкости, изменяются до такой степени, что материал трубы становится очень хрупким. Более однородные температуры, устранение «горячих точек» и меньшее количество циклов декоксования увеличивают срок службы труб.

- УЛУЧШЕННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СГОРАНИЯ И СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ:

Эффективность сгорания может быть достигнута за счет сокращения избыточного кислорода до требуемых оптимальных уровней. В то время как определенный уровень О2 необходим для оптимального и полного сгорания, любой избыточный О2 напрямую влияет на эффективность установки и выбросы NOx (оксиды азота). Даже 1% сокращения избыточного кислорода приводит к улучшению показателя энергоэффективности с индексом 55,89-111,78 кДж/м³ (1.5-3.0 бте./станд.куб.фут). ССМВП обеспечивает полное распределение О2 в зоне сгорания, таким образом избыточные уровни О2 снижаются для повышения эффективности и снижения NOx.

- УДАЛЕННЫЙ МОНИТОРИНГ

Этиленовые печи обычно имеют широкий спектр датчиков, расположенных на топливных и воздушных трубах как до, так и после зоны горения. Однако имеется очень мало датчиков для измерений непосредственно внутри печи. ССМВП представляет собой первую систему, которая измеряет в режиме реального времени и прямо в печи, где идет процесс, для облегчения работы оператора и понимания пирометрических измерений температур трубы. Например, резкий рост температуры, измеренный ССМВП, может вовремя сигнализировать об утечке трубы, которая может привести к дальнейшему повреждению примыкающих труб.

- БЕЗОПАСНОСТЬ

Способность ССМВП измерять в реальном времени, обеспечивает представление о статусе печи, т.е. оператор из операторской может определить недостаточные условия сгорания или опасную ситуацию. Например, избыточные уровни CO, показанные ССМВП «здесь и сейчас», могут сигнализировать об опасных условиях сгорания. Количественные измерения могут быть сконфигурированы для инициирования аварийных сигналов, если превышены определенные лимиты.

- ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ NOх ДЛЯ ЭТИЛЕНОВОЙ ПЕЧИ С 100% МЕТАНОВЫМ ТОПЛИВОМ.

С помощью ССМВП может быть достигнут прогнозируемый NOх для этиленовой печи с 100% метановым топливом.

Наши специалисты всегда готовы вам помочь

Инженеры проконсультируют или предоставят дополнительную техническую информацию по предлагаемым системам улучшения параметров работы печей и котлов, увеличению КПД, оптимизации процессов горения, мониторинга и управления основных компонентов горения.

Ваши запросы на системы улучшения параметров работы печей и котлов, увеличения КПД, оптимизации процессов горения, мониторинга и управления основных компонентов горения просим присылать в технический департамент нашей компании.

Контакты компании