Авторы: Э.В. Кобин, А.В. Андреев, А.В. Буканин (ООО «Арсенал Групп)

Опубликовано на портале «Химическая техника», ноябрь 2020

ООО «Арсенал Групп», Санкт-Петербург, официальный дистрибьютор компаний JOHN ZINK HAMWORTHY COMBUSTION, MAGNETISCHE PRUEFANLAGEN GMBX, IKR, FIREYE Inc. на территории России. ООО «Арсенал Групп» поставляет новые эффективные газовые горелки для печей и паровых котлов, системы розжига и контроля наличия пламени горелок печей, производит диагностику трубных змеевиков печей методом вихревого лазерного сканирования, а также чистку трубных змеевиков зоны радиации печей, выполняет шеф-монтажные и пусконаладочные работы с горелками печей, проводит комплексные обследования безопасности, надежности, эффективности, экологии работы технологических печей, выполняет режимную наладку работы печей, обучение персонала заводов безопасной, надежной, эффективной работе печей, производит под ключ поставку новых факельных систем, выполняет замену старых оголовков факельных систем новыми эффективными оголовками.

Введение

Новая статья ООО «Арсенал Групп» посвящена инновационной цифровой технологии – мультиплексной системе лазерного сканирования ZoloScanТМ, предназначенной для мониторинга параметров печей нефтегазохимии, металлургии, паровых котлов. Компания Zolo Technologies, г. Луисвилль, штат Колорадо, США – разработчик данной технологии. В 2018 г. компания Zolo Technologies вошла в состав Koch Industries. На данный момент в мире успешно работает более 100 мультиплексных систем ZoloScan. Специалисты знают, что повышение эффективности работы печи достигается заменой газовых горелок, футеровки, повышением степени утилизации тепла в зоне конвекции печи, внедрением новых средств КИПиА, РСУ, другими техническими и организационными мероприятиями. Внедрение инновационной цифровой технологии – мультиплексной системы ZoloScan – является настоящим и долгожданным «прорывом» в области эффективной эксплуатации печей, за этой технологией большое будущее. Наибольший эффект от внедрения данной системы достигается на печах с большим числом газовых горелок (печи парового риформинга производства водорода НПЗ, печи производств аммиака, метанола, синтез-газа, печи пиролиза этилена и др.).

Мультиплексная система ZoloScan отмечена API как надежная система для эффективной и безопасной работы крупных огневых производств, как система, имеющая высокую точность измерения температуры и состава дымовых газов по всему объему зоны радиации печи, и как система, значительно повышающая уровень безопасности работы печи при пуске, остановке и нормальной эксплуатации.

Новые цифровые технологии для эффективной работы печей

Основные преимущества внедрения мультиплексной системы ZoloScan:

  • мультиплексная система лазерной абсорбционный спектрометрии на базе настраиваемого диодного лазера (TDLAS) позволяет измерять температуру дымовых газов, содержание О2 и СО непосредственно в зоне горения (в зоне радиации) работающей печи;
  • работа в режиме on-line, обновление параметров каждые 3 мин.;
  • достижение однородного профиля горения (температура, O2 и СО) в зоне радиации печи позволяет работать при более низких избыточных уровнях O2, избегая при этом повышения СО;
  • снижение объемного расхода NOx в дымовых газах печи за счет уменьшения общего расхода воздуха на горение. В зависимости от типа горелок и уровня избытка O2, объемный расход NOx может быть снижен на 5–20%;
  • экономия топлива на горелках печи может достигать 1,5–3%, в отдельных случаях ≥5%;
  • уменьшение потерь топлива из-за химического «недожога» на 0,5–1,5%;
  • сбалансированный технологический и температурный режим работы печи увеличивает выход целевых компонентов и повышает мощность производства;
  • увеличение ресурса работы трубных змеевиков зоны радиации печи на 30…50 тыс. ч за счет снижения температуры металла стенки труб на 5…10°С;
  • увеличение срока службы катализатора (до 1 года) на печах парового риформинга производств водорода НПЗ, производств аммиака, метанола, синтез-газа;
  • снижение степени внутреннего коксования в трубных змеевиках зоны радиации в печах пиролиза этилена, увеличение пробега непрерывной работы печей пиролиза;
  • повышение уровня безопасности печи при розжиге горелок во время их пуска в работу;
  • появление новых возможностей оптимального ведения процесса горения и управления технологическим процессом печи на всех этапах работы;
  • снижение рисков аварий на печах, увеличение времени полезной работы, увеличение годового объема выпуска готовой продукции, получение дополнительной прибыли.

Основная информация о системе ZoloScan

Система ZoloScan – это инновационная лазерная система диагностики процесса сжигания топлива, которая одновременно измеряет температуру, концентрацию O₂, CO и паров воды в режиме реального времени непосредственно внутри печи. Коэффициент дожигания может быть рассчитан на основе измеренных концентраций CO и O₂. В системе ZoloScan используется хорошо отработанный метод, известный как абсорбционная спектроскопия настраиваемым диодным лазером (TDLAS). В данной технологии, разработанной в сотрудничестве со Стэнфордским университетом, используются лазеры, настроенные на уникальные длины волн поглощения для каждого компонента. Система ZoloScan управляется промышленным компьютером, который находится в шкафу управления. Компьютер запускает системное программное обеспечение и предоставляет данные и сетевой доступ к системе. Системный компьютер ZoloScan работает на базе операционной системы Windows Server 2019 Essentials. Надлежащая интеграция системы ZoloScan позволяет выполнять дистанционное управление системой, архивировать данные процессов, происходящих в печи, в архиве завода и оперативно реагировать на возможные системные проблемы.

Технология ZoloScan в сравнении с традиционным методом измерения параметров дымовых газов печи

ZoloScan является единственной системой мониторинга и диагностики работы горелок в on-line режиме, которая позволяет получать основные измерения состава дымовых газов непосредственно в зоне радиации печи. Традиционные газоанализаторы дымовых газов измеряют избыточное содержание О2 на выходе из зоны конвекции печи перед дымососом или дымовой трубой, но не в зоне радиации печи, где, собственно говоря, и происходит процесс сгорания топлива. Существующий технический уровень проектов новых и старых технологических печей не дает возможности измерения температуры и качественного состава дымовых газов во всем объеме камеры радиации печи. Из-за этого невозможно определить локальные участки с высокими или низкими температурами, высоким или низким уровнем избыточного кислорода, СО непосредственно в зоне радиации печи. По этой причине в разных зонах камеры радиации печи может одновременно быть и химический «недожог» топлива, и высокий уровень избыточного кислорода. Плохая регулировка работы горелок, не оптимальный процесс сжигания топлива в камере радиации печи увеличивают общее потребление топлива и энергозатрат на эксплуатацию. ZoloScan – единственная измерительная система, позволяющая производить измерения внутри камеры радиации печи, получать точную количественную и качественную информацию для достижения сбалансированного технологического режима работы печи, для достижения максимальной производительности, надежности процесса парового риформинга, пиролиза и др.

Принцип работы мультиплексной системы ZoloScan. Мультиплексная система лазерной абсорбционной спектрометрии на базе настраиваемого диода (TDLAS) позволяет измерять среднюю концентрацию критических составляющих: О₂, CO, паров воды и температуру по всему объёму печи в on-line режиме непосредственно в зоне горения. Измерение с помощью настраиваемого диодного лазера (TDLAS) основано на молекулах, имеющих уникальную возможность абсорбции волн любой длины. Стандартный диодный лазер настраивается по длине волны на небольшой части оптического спектра. Свет на выбранной длине волны поглощается данным компонентом горения, относительный объём абсорбции пропорционален концентрации. ZoloScan передает мультиплексные лазерные волны одновременно по одинарному пути и измеряет среднее значение для каждого компонента одновременно. Мультиплексная система лазерной абсорбционный спектрометрии на базе настраиваемого диода (TDLAS) за счет установки на стенах печи до 27 лазерных головок SensAlign создает сплошную лазерную решетку, измеряет температуру дымовых газов, содержание О₂ и СО в камере радиации печи, как показано на рис. 1. Принцип работы системы ZoloScan на технологических печах можно посмотреть по ссылке: Video Link: https://youtu.be/EOJfV_7EifM

Рис. 1. Лазерная решетка системы ZoloScan

Диагностика и сервис системы ZoloScan

Дистанционная (наружная) диагностика: внутри зоны радиации печи не будут находиться элементы системы, подверженные коррозии, эрозии, засорению (как, например, сопла), требующие технического обслуживания.

Оптоволоконная архитектура: все ключевые электронные компоненты расположены на удалении от печи, процессор расположен в климатозащищенном шкафу управления. Измеряемый сигнал передается по оптоволоконному кабелю в головки SensAlign, установленные на стенах печи.

Автоматическая калибровка: каждая головка SensAlign имеет возможность автоматического выравнивания для обеспечения соосности передающей и принимающей лазерной головки.

 

Рис. 2. Принципиальная схема работы системы ZoloScan

Калибровка поля не требуется: после ввода в эксплуатацию системы ZoloScan и настройки конфигурации нет необходимости периодически калибровать систему с использованием калибровочных поверочных газов, как в случае с извлекаемыми газовыми датчиками.

Низкие требования к техническому обслуживанию:

  • система ZoloScan рассчитана на минимальное техническое обслуживание. Основное техническое обслуживание – периодическая очистка окон и воздушного фильтра в блоке контроля температуры;
  • техническое обслуживание и ремонт системы ZoloScan может выполняться во время работы печи:
  • требований к поверке средств измерений нет.

Новый уровень безопасности, надежности работы печи

Мировая статистика говорит следующее: более 70% взрывов в технологических печах происходит во время пуска или остановки, когда участие оператора является значительным. Существующие проекты и технический уровень печей на данных этапах (пуск – останов) не имеют абсолютного необходимого уровня защиты печи от взрыва, хлопка, локального перегрева труб, разгерметизации и разрушения труб в камере радиации печи. Даже опытный персонал допускает грубые ошибки, которые приводят к авариям.  Возможности измерения in-situ мультиплексной системы TDLAS помогают отследить состояние печи в режиме реального времени на всех этапах работы, операторы могут идентифицировать плохие условия горения или опасные ситуации непосредственно из операторной. Например, высокие уровни СО при плохом горении или отрыве пламени, измеренные in-situ мультиплексной системой TDLAS, подают сигнал о потенциально опасном состоянии режима работы горелок в камере радиации печи. Резкое повышение температуры и содержания СО в локальной зоне камеры радиации печи предупредит о возможной утечке (пропуске) процессной трубы. Имея эту информацию, можно предотвратить дальнейшее повреждение соседних труб, исключить риск масштабной аварии печи, исключить длительный простой и дорогой ремонт печи. Количественные измерения при превышении установленных значений могут быть сконфигурированы для запуска аварийных сигналов в системе АСУТП и РСУ. Несомненно, внедрение системы ZoloScan повысит безопасность и надежность работы печи на всех этапах ее эксплуатации, производственный персонал получит надежного помощника в работе.

Расчетная экономия внедрения системы ZoloScan на печах парового риформинга производств аммиака ТЕС, ГИАП, CLE, CHEMIKO и др.:

  • экономия топливного газа – 1,5–3% или 5,9 млн нм3/год;
  • снижение выбросов дымовых газов на 73,7 млн м3/год;
  • увеличение производства аммиака на 9120 т/год;
  • увеличение ресурса работы катализатора на один год;
  • увеличение ресурса работы трубных змеевиков зоны радиации печи на 60 тыс. ч;
  • срок окупаемости мультиплексной системы ZoloScan составляет 2–2,5 года.

Расчетная экономия внедрения системы ZoloScan на печах парового риформинга производств водорода НПЗ:

  • экономия топливного газа до 2% или 395 т/год;
  • снижение выбросов дымовых газов на 6,8 млн м3/год;
  • увеличение производства водорода на 610 т/год;
  • увеличение ресурса работы катализатора на один год;
  • увеличение ресурса работы трубных змеевиков зоны радиации печи на 60 тыс. ч;
  • срок окупаемости мультиплексной системы ZoloScan составляет 2–2,5 года.

Расчетная экономия внедрения системы ZoloScan на печах парового риформинга производств метанола:

  • экономия топливного газа до 2% или 1,6 млн нм3/год;
  • снижение выбросов дымовых газов на 19,9 млн м3/год;
  • увеличение производства метанола на 8010 т/год;
  • увеличение ресурса работы катализатора на один год;
  • увеличение ресурса работы трубных змеевиков зоны радиации печи на 60 тыс. ч;
  • срок окупаемости мультиплексной системы ZoloScan составляет 2–2,5 года.

Этапы внедрения системы ZoloScan

Предпроектная подготовка:

  • плановая инспекция печи, сбор исходных данных;
  • предоставление ТКП;
  • заключение договора.

Базовое и рабочее проектирование –3 мес.:

  • ПИР;
  • CFD моделирование;
  • разработка и согласование чертежей.

Проведение СМР за 20 дней во время останова печи:

  • проходка стен печи;
  • установка оборудования;
  • подключение к системе РСУ.

Обучение персонала. ПНР и эксплуатация.

Общее время реализации инновационного проекта – не более одного года.

Патенты

Система ZoloScan и соответствующее аппаратное и программное обеспечение защищены авторским правом, международными договорами и различными патентами США. Перейдите на сайт www.johnzinkhamworthy.com и посмотрите список патентов John Zink.

Работа с потенциальными заказчиками

В короткой статье невозможно рассказать о всех нюансах работы мультиплексной системы ZoloScan, ведь только Техническое руководство по эксплуатации системы ZoloScan имеет объем в 78 стр. ООО «Арсенал Групп» имеет подготовленные презентации для внедрения мультиплексной системы ZoloScan на печах парового риформинга производств водорода НПЗ, производств аммиака, метанола. По предоставленным исходным данным ООО «Арсенал Групп» подготовит презентацию и предварительное ТКП по внедрению системы ZoloScan для обсуждения на техническом совещании вашей компании и предприятия.

 

Надеемся, что представленный материал по внедрению системы ZoloScan на печах предприятий нефте- и газохимической отрасли вызовет определенный интерес акционеров, руководителей, главных специалистов предприятий.

Специалисты ООО «Арсенал Групп» ответят на интересующие вас вопросы в индивидуальном порядке.