Работа на максимальной
производительности с
системой TFM регулирования
печи риформинга Топсе
PETER BRUUN JENSEN
STEPHANIE MICHELLE KING
KIM BRAAD CARLSEN
Haldor Topsoe A/S
Конгенс Люнгбю, Дания
Ключевым фактором в увеличении рентабельности и капитализации возможного
роста является способность раскрыть полный потенциал производительности
установки, особенно это касается печей парового риформинга. Корректирование
работы печи парового риформинга является первоочередной задачей для
повышения эффективности, так как даже незначительные изменения могут
оказать большое влияние на общую производительность установки. Для того
чтобы помочь производителям отрегулировать производительность и повысить
надежность работы печи парового риформинга, компания Тоpsoe объединила
инновационные идеи и многолетний опыт, для расширения спектра технических
услуг по оценке и оптимизации технологического процесса. Особое внимание было
уделено усовершенствованию методов измерений температур стенок труб (TWT),
так как обычные методы измерения TWT обладают недостаточной точностью.
Результаты многочисленных исследований с помощью инфракрасного пирометра
выявили, когда и зачем необходимо использовать различные типы пирометров, эти
-1-
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
знания помогут производителям оптимизировать работу печи парового
риформинга путем поддержания рабочих параметров на уровне близком к
проектным значениям температур. Компания Тоpsoe также применяет передовую
систему наблюдения за работой печи парового риформинга, которая
предоставляет дополнительные данные о температуре при непрерывном
мониторинге. Используя эти достижения для оценки работы печи парового
риформинга, Тоpsoe помогает Заказчикам достигать проектных значений,
выявлять узкие места, экономить энергию, увеличивать срок службы
катализаторных труб и оптимизировать работу установки.
ВВЕДЕНИЕ
Производительность печи первичного риформинга имеет ключевое значение для общей
эффективности и производительности установки, так как печь риформинга является крупнейшим
потребителем энергии. Поэтому проведение регулярных оценок работы печи риформинга является
чрезвычайно важным для определения мероприятий по оптимизации параметров и приближения к
максимальной производительности печи риформинга.
Одним из ключевых параметров, влияющих на производительность печи риформинга, является
профиль температур стенок катализаторных труб (TWT). Если профили TWT и распределение
температур не оптимальные, это может привести к высокому значению проскока метана и,
следовательно, к снижению эффективности и производительности установки. Более тяжелые
последствия включают преждевременный выход из строя катализаторных труб и
незапланированные остановы установки. Для достижения максимальной эффективности работы
печи риформинга, необходимо поддерживать рабочие температуры максимально близко к
механическим проектным пределам. Для этого необходима точность в методах измерения
температур и в моделировании работы печи риформинга. Тем не менее, точное измерение
температуры, когда хороший тепловой контакт установлен, и внешние факторы не оказывают
влияния на температуру, затруднительно в жестких условиях печи риформинга.
Наиболее распространенный метод измерения, который используется в настоящее время в
промышленности - это измерение температуры с помощью оптического инфракрасного пирометра
(ИК), однако эффективность измерений пирометрами ИК снижается из-за ошибок пользователя и
характерных погрешностей измерения. Причинами ошибок измерений являются отражение
излучения от частей печи, окружающих катализаторную трубу, излучение от стены печи
риформинга и поглощение и рассеивание излучения дымовыми газами. Чаще всего данные ошибки
приводят к отклонению значения регистрируемой температуры, таким образом, фиксируется
температура выше на 20 - 100 °C, что в свою очередь приводит к увеличению запаса по рабочей
температуре на большее значение, чем это необходимо. Данная статья посвящена различным
доступным методам измерения температуры и описанию исследований компании Топсе, которые
привели к инновационным решениям в регулировании температуры в печи риформинга.
Эта статья также кратко описывает Систему регулирования работы печи Топсе, которая является
системой регистрации изображений и обеспечивает непрерывный мониторинг профилей
температуры стенок труб в режиме реального времени, а также фиксирует другую важную
информацию по внутренним частям печи риформинга. Преимуществами данной системы являются
повышение эффективности работы установки, производительности и срока службы катализаторных
труб. Также улучшается безопасность работы установки, поскольку прямое вмешательство
оператора в работу камеры печи риформинга почти не требуется. Система регулирования работы
печи Топсе является частью широкого спектра услуг, которые компания Топсе предоставляет для
оценки и оптимизации работы печи риформинга. Другие услуги включают в себя детальный осмотр,
анализы, и моделирование работы печи риформинга, что позволяет довести параметры работы
печи до проектных значений, выявить узкие места, экономить энергию и ресурсы, а также
оптимизировать нормальный режим эксплуатации.
2
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТРУБ
Процесс каталитического парового риформинга углеводородов в трубчатых печах риформинга
является наиболее распространенным технологическим процессом для получения синтез-газа.
Реакции риформинга являются высоко эндотермическими реакциями, необходимое тепло
подводится с помощью сжигания топливного газа в камере печи риформинга, теплопередача к
катализаторным трубам осуществляется излучением.
Трубчатые печи парового риформинга делятся на четыре типа в зависимости от расположения
горелок (Рис. 1).
Рис. 1: Типы обогрева печей риформинга
В зависимости от конструкции, камера печи риформинга может состоять из одного или нескольких
рядов катализаторных труб. Катализаторные трубы в печах с потолочным и нижним обогревом
расположены в несколько параллельных рядах, при этом горелки, расположены между рядами труб
в верхней или в нижней частях камеры печи. Трубы в печах с боковым и террасным обогревом
расположены в один ряд между двумя противоположными стенами печи риформинга. Точное
измерение температуры затруднено при любом типе обогрева печи риформинга, но особенно в
случае, когда катализаторные трубы расположены в несколько параллельных рядах.
Катализаторные трубы медленно и непрерывно изнашиваются с момента пуска в эксплуатацию изза жестких условий в камере печи риформинга. Максимальный температурный предел для стенок
труб в первую очередь определяется проектной температурой катализаторной трубы. Если
температура превысит проектную, существует высокий риск преждевременного повреждения трубы
за счет ползучести материала труб и риск зауглероживания, приводящего к разрушению труб, и
затруднению хода технологического газа. В случае продолжения работы при температурах всего
лишь на 20 градусов выше проектных, срок службы катализаторных труб сокращается вдвое [1]. С
другой стороны, работа при слишком низких температурах приводят к сокращению выработки
продукции и к уменьшению прибыли. Эксплуатационные параметры, которые определяют
оптимальную температуру стенки катализаторных труб, включают такие параметры как расход
топлива, соотношение пар/углерод и расход сырья. В большинстве случаев, для того чтобы
оптимизировать и срок службы катализаторных труб, и параметры производства, необходимо
поддерживать рабочие температуры на максимально близком к проектному уровне температур.
Точное отслеживание показаний температур TWT имеет решающее значение для поддержания
рабочих параметров на уровне близком к проектным. Общие методы измерения температуры
включают получение изображения, прямой контакт, инфракрасную термометрию, и калибровку
показаний визуальной линзы. Факторы, которые определяют, какие из доступных методов следует
использовать, включают в себя точность, стоимость, воспроизводимость, возможность и простоту
измерений. Самым простым методом изменения является метод использующий термопару,
приваренную к поверхности катализаторной трубы или установленную в стенку. Данный метод
может обеспечить точные непрерывные измерения, и характеризуется низкой стоимостью и
простой в использовании. Тем не менее, срок службы термопар в жестких условиях печи
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
3
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
риформинга очень короткий, и способ крепления к катализаторным трубам часто негативно влияет
на точность измерений.
ОПТИЧЕСКАЯ ИНФРАКРАСНАЯ ПИРОМЕТРИЯ
В настоящее время, в промышленности наиболее часто используется метод измерения
основанный на ИК пирометрии. Пирометры - это оптические устройства дистанционного измерения
температуры, которые фиксируют тепловое излучение объекта. Температура рассчитывается с
помощью закона Планка для абсолютно черного тела:
𝑐
𝑐
𝐿𝑏 (𝜆, 𝑇) = 𝜆15 [𝑒𝑥𝑝 (𝜆𝑇2 ) − 1]
−1
(уравнение 1)
где Lb(λ,T) спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, T температура в
Кельвинах, λ длина волны, а c1 и c2 постоянные, имеющие значения c1 = 1.191044 x 10-16 Вт м2 и c2
= 0.014388 м K соответственно. Преимущества этого метода заключаются в экономической
эффективности, относительной простоте использования, скорости и воспроизводимости
результатов. К недостаткам можно отнести частое неправильное использование измерительного
прибора и наличие нескольких причин возможных ошибок в точности измерения. Топсе
предоставляет технические услуги, которые включают соответствующее обучение персонала,
использующего ИК пирометр, и предоставление подробной процедуры измерения температуры.
Причины ошибочных измерений
Одним из главных причин ошибок в измерениях оптическим ИК пирометром является погрешность
измерения излучения от стенки трубы. Коэффициент излучения (ε) по определению является
числом между 0 и 1, где 1 указывает на полное поглощение излучения или абсолютное черное
тело, а 0 на полное отражение излучения. Все реальные объекты излучают лишь часть излучения
абсолютно черного тела. Учитывая то, что способность излучения стенки трубы меньше 1, то
фиксируемый сигнал пирометра будет меньше, чем определенный по уравнению. 1. Более того,
объекты со способностью к излучению менее единицы частично отражают излучение, это означает,
что излучение, попадающее на катализаторную трубу от окружающих объектов, также будет влиять
на фиксируемый сигнал пирометра. Окружающие катализаторную трубу объекты, включая
футерованные стены, пол, потолок, пламя горелки и другие катализаторные трубы, как правило, не
являются однородными по температуре [1]. Получение точных температур TWT требует хорошего
знания коэффициента излучения стенки и возможных погрешностей измерений из-за температуры
фона и прочих излучений.
Большинство инфракрасных пирометров измеряют спектральное излучение для небольшого
диапазона длин волн. Оптимальная длина волны соответствует балансу - при более длинных
волнах ниже фоновое излучение и меньше погрешность коэффициента излучения, влияющих на
измерения, а при более коротких волнах меньше погрешность измерений TWT. Промышленные
пирометры обычно работают в инфракрасной части спектра. Поскольку дымовой газ в камере печи
риформинга также имеет способность к поглощению и излучению электромагнитных волн в
инфракрасном диапазоне, необходимо выбрать узкий диапазон рабочих длин волн пирометра,
которые минимизируют неточности измерения. На Рисунке 2 показаны спектральные параметры
поглощения и излучения дымового газа (при отсутствии сажи), и видно преобладание
инфракрасного диапазона, соответствующего воде и углекислому газу. Учитывая минимальные
значения коэффициента излучения при длине волны 1,0 м и 3,9 м, можно сделать вывод, что
данные два диапазона длин волн являются наиболее распространенными для измерения
температуры стенок катализаторных труб печи риформинга. Следует принять во внимание
присутствие сажи при выполнении измерений TWT, поскольку рассеивание излучения в
присутствии сажи также является источником неточности измерений.
4
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
Рис. 2: Дымовой газ – поглощение и излучение в ИК-диапазоне.
Расчет фактической температуры стенки трубы TWT
Для измерения пирометром любой длины волны, уравнение можно записать следующим образом,
принимая во внимание влияние фонового излучения и излучения от стенки катализаторной
трубы[1]:
𝐿𝑚 = 𝜀𝑡 𝐿𝑏 (𝜆, 𝑇𝑡 ) + (1 − 𝜀𝑡 )𝐿𝑏 (𝜆, 𝑇𝑤 )
(уравнение 2)
где Lm это измеряемый коэффициент излучения Tw это температура заднего фона (т.е., стены печи
риформинга). Фактическое значение TWT можно рассчитать с помощью корректировки
измеренного значения коэффициента излучения в соответствии с уравнением, полученным из
уравнений 1 и 2:
1
𝑒
(
14388
)
𝜆𝑇𝑚 −1
=
𝑒
(
𝜀𝑡
14388
)
𝜆𝑇𝑡 −1
+
𝐹(1−𝜀𝑡 )
14388
)
𝑒 𝜆𝑇𝑤 −1
(
(уравнение 3)
где Tm это показания измерений температуры стенки катализаторной трубыl [K], Tw это показания
измерений температуры стены печи риформинга [K] (предполагая, что данные показания вносят
наибольший вклад в температурный фон), Tt это фактическая температура стенки катализаторной
трубы [K], εt это коэффициент излучения стенки катализаторной трубы, F это коэффициент
видимости, а λ это спектральный диапазон пирометра [m] (т.e., или 1,0 или 3,9 m). Коэффициент
видимости F равен 1 при измерении передней части стенки катализаторных труб, т.е. часть стенки,
обращенная к стене печи риформинга (Рис. 5). Этот подход к измерению и применяемые
допущения обуславливают наиболее точный и эффективный способ измерения температуры для
печей риформинга с боковым и террасным обогревом с одним рядом катализаторных труб. При
наличии нескольких рядов катализаторных труб, показания излучения фона менее однородны для
каждого ряда труб, и соответственно, оценить его вклад намного труднее.
Излучение от стенки катализаторной трубы
Общая промышленная практика рекомендует применять коэффициент излучения стенки
катализаторной трубы (εt в уравнении. 3) равный 0,85 для пирометров 1.0m и 0,82 для пирометров
3,9m. Тем не менее, одним из факторов, влияющих на фактический коэффициент излучения
стенки катализаторной трубы, являются рабочие условия катализаторных труб. Новые, чистые
катализаторные трубы имеют шероховатый слой оксидной пленки, который обуславливает высокий
коэффициент излучения 0,9. Когда трубы изнашиваются, поверхность шероховатого оксидного слоя
становится более гладкой, что приводит к уменьшению коэффициента излучения. Близкое
расположение катализаторных труб к пламени горелок, также обуславливает низкий коэффициент
излучения трубы из-за более быстрого процесса изнашивания. Если инородные частицы
осаждаются на поверхности катализаторной трубы, то коэффициент излучения может
дополнительно уменьшаться до минимального значения 0,6. Например, для печей риформинга,
расположенных в пустынях, следует применять более низкий коэффициент излучения стенки
катализаторной трубы.
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
5
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
Новые данные последних исследований показывают, что фактический коэффициент излучения
стенки катализаторной трубы зависит также от комбинации значений рабочей температуры и длины
волны. Исследование проводилось Топсе и Техническим университетом Дании на катализаторных
трубах при стандартных рабочих температурах. Подтвердилось не только то, что фактический
коэффициент излучения катализаторной трубы изменяется в зависимости от рабочей температуры,
но также была найдена зависимость коэффициента излучения от длины волны при различных
температурах. Данное заключение можно сделать на основе наблюдений, которые используют
показания оптических ИК пирометров, все показания сопровождались тщательным изучением
значений коэффициентов излучения стенок труб. Более детальная информация этого
исследования будет представлена в следующей публикации.
Компания Топсе также провела детальное исследование коэффициентов излучения стенок труб в
промышленном масштабе с использованием эксплуатационных данных печей первичного
риформинга на агрегатах аммиака и установках производства метанола. Результаты исследования
приведены в следующем разделе статьи Пирометрия с помощью «золотой чаши».
Факторы неточности измерений
Необходимо иметь достаточное понимание факторов влияющих на точность измерений,
участвующих в определении температур в печи риформинга для того, чтобы минимизировать
влияние данных факторов. В соответствии с описанием, приведенным в статье Saunders [1],
существует три составляющие факторов неточности измерений. Одним из них является неточность
измерения температуры стенки трубы, которая обуславливается точностью измерений пирометра и
колебаний рабочих условий в печи риформинга. Вторым фактором неточности измерений является
коэффициент излучения. Значение данного фактора, как правило, в лучшем случае, равно 0,05,
однако его можно уменьшить с помощью проведения измерений на хорошей выборке образцов
катализаторных труб. Третьим фактором неточности измерений является фоновое излучение и, как
правило, его наиболее трудно оценить. Результаты анализа, предоставленные в статье Saunders
указывают на то, что доминирующая составляющая неточности измерений зависит от фактических
рабочих условий в печи риформинга. Например, учитывая эффективную температуру окружающих
объектов приблизительно 880 °C и низкие показания температуры TWT, основным фактором
неточности окажется значение коэффициента излучения. Однако, для той же температуры
окружающих объектов и высоких показаний температур TWT, основным фактором неточности
окажется измерения TWT. Анализ факторов неточности измерения полезен при определении,
какому компоненту необходимо уделить дополнительное внимание в целях улучшения точности
измерения.
Сравнение пирометров 1.0-м и 3.9-м
Пирометры 1,0-м широко использовались для измерений температуры в печи риформинга, тогда
как пирометры 3,9-м начали использовать в промышленности с 1990 году. Повышенный интерес к
применению пирометров с большей длиной волны отчасти связан с низкой чувствительностью к
факторам неточности измерений: температуры фонового излучения печи риформинга и
коэффициенту излучения стенки катализаторной трубы. Важно отметить, что чувствительность
пирометров 3,9-м ниже только в случае, когда температура фонового излучения печи риформинга
выше, чем измеряемая температура (стенки трубы), что как раз и является наиболее
распространенным случаем для печей парового риформинга. Когда температура окружающих
частей печи риформинга меньше измеряемой температуры, ситуация противоположна, т.е.
чувствительность к погрешности измерения у пирометров 1,0-м будет ниже.
Например, при использовании 1.0m пирометра для измерений в печи риформинга, где
температура стены печи (FWT) выше чем температура стенки катализаторной трубы (TWT), при
изменении температуры FWT на 20°C, показатели температуры TWT могут измениться на 12°C.
Однако, при использовании пирометров 3.9m в тех же условиях, те же самые изменения
температуры FWT и коэффициента излучения, могут изменить показатели температуры TWT всего
лишь на 5°С.
6
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
Показания пирометра 3.9м могут быть менее чувствительны к факторам неточности измерений,
однако, было обнаружено, что они менее точно фиксируют измерения температуры TWT. В одном
из исследований, компания Топсе установила объект измерения между катализаторными трубами
печи риформинга с боковым обогревом, и обнаружила, что показания пирометра 3.9м после
коррекции систематически фиксирует более высокие температуры, чем термопары, установленные
непосредственно на катализаторные трубы. Так же было обнаружено, что показания пирометра
3.9м выше, чем показатели, определенные при моделировании работы печи риформинга.
Моделирование работы печи, с помощью программ имитационного моделирования собственной
разработки Топсе, позволяет определить оптимальные рабочие температуры, используя
подробную информацию по оборудованию и фактические эксплуатационные параметры. В рамках
процесса моделирования, рассчитывается активность катализатора в трубах на момент расчета,
распределение тепловой нагрузки вдоль труб и тепловой баланс между радиантным и
конвекционным отделением печи риформинга. Более подробная информация по программе
моделирования Топсе представлена в статье Jensen и др. [2].
В отличие от показаний пирометров 3.9м, показания измерения температуры с помощью
пирометров 1.0м согласуются с показаниями термопар для того же объекта измерения, и
показания температуры TWT согласуются с показателями, определенными в процессе
моделирования работы печи риформинга. Однако, высокая чувствительность пирометров 1.0м к
факторам неточности измерений определяет его сложность в использовании, вследствие чего,
необходимо проведение обучения персонала для достижения максимальной точности измерений.
При отсутствии тщательной подготовки, следует использовать пирометры 3.9м с меньшей
чувствительностью измерений. Выбор пирометров 3.9м также является более консервативным,
так как более высокие показатели температуры, после коррекции гарантированно не будут
превышать расчетные проектные показатели.
Рекомендуемая процедура измерения
Надлежащее обучение сотрудников, производящих измерение, имеет решающее значение для
получения наиболее точных и близких измерений при использовании оптического ИК пирометра, в
частности, пирометра 1.0м. В случае если тщательная подготовка не проводится, настоятельно
рекомендуется использование пирометра 3.9м. Специалисты могут пройти обучение в
«академии» Topsoe AcademyTM, которое предполагает серию курсов экспертно-технических знаний,
направленных на повышение надежности и эффективности работы установки. Ниже приведены
некоторые из наиболее важных моментов, которые должны быть приняты во внимание при
выполнении измерений с помощью ИК пирометра.
Меры предосторожности
Перед началом проведения измерения, специалист должен убедиться, что установка работает в
стабильном режиме и значения давления в камере печи достаточно для обеспечения безопасности
проведения измерения. Также необходимо проверить, что включена защита от избыточного
давления в камере печи.
Скорость охлаждения
Разрежение внутри камеры печи является причиной поступления холодного воздуха при открытии
смотровых лючков, что будет охлаждать катализаторные трубы. Оценка скорости охлаждения труб
требует повторных измерений температуры стенки одной и той же катализаторной трубы при
открытом смотровом лючке. Например, измерения необходимо проводить каждые пять секунд в
течение первых 15 секунд, и далее следуют замеры каждые десять секунд в течение одной минуты.
После проведения такого измерения смотровой лючок необходимо закрыть на несколько минут,
прежде чем данную процедуру можно будет повторить с той же или другой катализаторной трубой.
Поскольку результаты измерения скорости охлаждения могут значительно различаться,
рекомендуется проводить их для двух дополнительных смотровых лючков, расположенных на
противоположной стене печи риформинга. Результаты измерения, как правило, соответствуют Рис.
3, на котором приведена скорость охлаждения катализаторной трубы напротив открытого
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
7
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
смотрового лючка и катализаторной трубы, расположенной дальше от смотрового лючка. Скорость
охлаждения катализаторной трубы, расположенной ближе к смотровому лючку значительно выше.
Через 120 секунд, температура падает не резко, т. е. кривая на Рис. 3 становится пологой. В общих
случаях, скорость охлаждения является достаточно низкой и позволяет открывать смотровые
лючки максимум на три секунды.
Рис. 3: Скорость охлаждения катализаторных труб при открытии смотровых лючков
Воспроизводимость
Воспроизводимость измерений TWT проверяется пять раз с помощью последовательного
измерения выбранных катализаторных труб, по крайней мере, одно измерение должно проводиться
на катализаторной трубе напротив смотрового лючка и еще одно измерение на трубе вдали от
смотрового лючка. Смотровой лючок должен быть закрыт в течение как минимум 30 секунд между
измерениями, чтобы избежать влияния поступающего холодного воздуха. Аналогичную процедуру
можно использовать для проверки воспроизводимости измерений температуры стенки печи.
Отклонение, как правило, не должно превышать 2-3 °С.
Стандартные горизонтальные измерения
Измерения температуры производится в три этапа: 1) Температура стенки катализаторной трубы
измеряется через все боковые смотровые лючки, 2) Температура стенки печи риформинга
измеряется между катализаторными трубами с противоположных сторон, и 3) Рассчитывается и
применяется соответствующая коррекция из-за влияния на измерения коэффициента излучения
стены печи риформинга.
Пирометр должен быть отрегулирован на 1.0, также должен быть выбран непрерывный режим
измерения, фокус объектива необходимо откорректировать с учетом расстояния до катализаторной
трубы. Предлагаемая процедура описывается следующим образом:
 Смотровой лючок открывается максимально на три секунды, пользователь должен
направить измерительный прибор на самую горячую область на лицевой стороне
катализаторной трубы и произвести измерение температуры. Необходимо начать с трубы,
находящейся непосредственно перед смотровым лючком. Крестики, на Рис. 4. обозначают,
где необходимо производить измерения на трубах перед лючком. Следует закрывать
смотровой лючок на 30 секунд между измерениями.
8
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
РИС. 4: Изображение расположения предлагаемых точек измерения на трубах.

Измерения температуры TWT остальных катализаторных труб проводятся по одному
смотровому лючку, начиная с тех, которые ближе всего расположены к передней
катализаторной трубе, так как скорость охлаждения этих труб более высокая.
Рекомендуется, производить измерения самой горячей зоны трубы, которая, как правило,
расположена максимально близко к стене печи риформинга, вместо измерений ближайшей
точки к пирометру (см. Рис. 5).
Рис. 5: Схематическое изображение правильного расположения области измерения TWT

Измерения температуры стены печи риформинга. Необходимо измерить три точки в каждом
сегменте стены печи риформинга, которые можно видеть между катализаторными трубами.
Для сегментов, в которых можно наблюдать смотровой лючок, следует измерять четыре
точки. Крестики на Рис. 6 обозначают, где необходимо производить измерения на стене
печи риформинга.
Рис. 6: Изображение расположения предлагаемых точек измерения на стене печи риформинга
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
9
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King

Необходимо продолжить измерения для всех смотровых лючков в целях получения полного
набора данных по температурам стенок катализаторных труб и температурам стены печи
риформинга. Соответствующие значения температур стенки катализаторной трубы должны
сопровождаться значениями температур противоположной к этой катализаторной трубе
области стенки печи риформинга в целях получения соответствующего значения фонового
излучения для последующей коррекции.
Для получения дополнительной информации, можно произвести измерения по вертикали через
смотровые лючки, расположенные в торцевой стене печи риформинга. По результатам измерения
температур стенок катализаторных труб определяет местоположение максимального значения
TWT. Максимальное значение TWT, обычно наблюдается на уровне расположения смотровых
лючков, и может зависеть от активности катализатора или профиля обогрева.
ПИРОМЕТРИЯ С ПОМОЩЬЮ «ЗОЛОТОЙ ЧАШИ»
Другим проверенным методом измерения температуры TWT, который используется в
промышленности, является измерение температуры с помощью «золотой чаши». При
использовании данного инструмента, измеряемая область окружена со всех сторон позолоченной
полусферой (золотой чашей), которая эффективно работает как абсолютно черное тело. Таким
образом, устраняются погрешности измерения, вызванные фоновым излучением и неточностью
значения коэффициента излучения стенки, показания измерений с помощью «золотой чаши» могут
быть непосредственно пересчитаны по формуле. 1 для нахождения реальной температуры
объекта. Благодаря высокой точности, данный метод измерения температуры с помощью «золотой
чаши» часто используется в качестве эталонного стандарта. Недостатком данного метода является
большой вес и габариты инструмента измерения. Инструмент также имеет предельное расстояние
измерения, на которое он может вводиться в печь риформинга. Данный метод относительно прост в
применении, и требует проведения минимального обучения. Метод измерения с помощью «золотой
чаши» рекомендуется в качестве дополнительного мероприятия к регулярным измерениям с
использованием оптических ИК пирометров, которые осуществляются как часть технологических
услуг Топсе по техническому обслуживанию/оптимизации работы печей парового риформинга.
Специалисты Топсе превосходно обучены для проведения наиболее точных измерений
температуры TWT при использовании различных методов, и так же для проведения измерений с
помощью «золотой чаши» в целях оценки эффективности других методов измерения, обычно
используемых на заводе.
В 2015 году компания Топсе провела исследование по сравнению двух методов: измерений
температур с помощью «золотой чаши» и измерений с использованием оптических ИК пирометров.
Исследование было проведено на двух печах риформинга с боковым обогревом на площадках
различных заводов, испытание проводилось при аналогичных условиях окружающей среды. Все
трубы были очищены до проведения исследования. Использовались два типа ИК пирометров: 1,0m Land Cyclops 100L и 3,9-m Land Cyclops 390L. Результаты показали, что показания измерений
температур пирометра 390L были выше, чем у пирометра 100L. Так же измерения обоих ИК
пирометров, после коррекции по формуле. 3 и соответствующей корректировки способности к
излучению стенки трубы (0,85 для пирометра 100L, и 0,82 для пирометра 390L), как правило, были
выше, чем измерения с помощью «золотой чаши».
Различия между методами измерений температуры TWT с помощью «золотой чаши» и
корректировки измерений ИК пирометров в значительной степени можно связать с погрешностью
определения коэффициента излучения стенки катализаторной трубы. Более точное значение
коэффициента излучения может быть определено с помощью корректировки значения температуры
ИК пирометра таким образом, чтобы они совпадали со значениями измерений, полученными с
помощью «золотой чаши», т.е. Tt из формулы. 3 будет равна температуре TWT, полученной при
измерении с помощью «золотой чаши». Результаты этого исследования приведены ниже в виде
распределения откорректированных значений коэффициента излучения стенки катализаторной
трубы для измерений пирометра 1.0-м (рис. 7) и для измерений пирометра 3,9-м (рис. 8). Из
10
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
результатов, можно сделать вывод, что для обоих типов пирометров, фактические коэффициенты
излучения стенки катализаторной трубы ниже предполагаемых значений, используемых для
коррекции показаний измерения ИК пирометров. Другими словами, оптические ИК пирометры часто
фиксируют завышенные показатели температуры стенки трубы TWT, что приводит к изменениям
рабочих температур, и к негативному влиянию на эффективную работу печи риформинга.
Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что значения коэффициента излучения,
указанные для корректировки, часто могут быть завышены, эти данные подтверждаются недавними
научными исследованиями, проведенными компанией Топсе и Техническим университетом Дании.
Кроме того, заключения совместного исследования так же подтверждаются кривой распределения
откорректированных коэффициентов излучения, полученных при использовании пирометров 1.0
м. С другой стороны, кривая распределения откорректированных коэффициентов излучения для
пирометров 3,9м не согласуется с литературными данными и данными совместного
исследования, соответственно, данный подход согласования коэффициента излучения не может
быть рекомендован для коррекции показаний измерений пирометра 3,9м.
25
Кол-во труб
20
15
10
5
0
Коэффициент излучения
Кол-во труб
Рис. 7: Распределение откорректированного коэф. излучения стенки катализаторной трубы для
пирометра 1.0-м
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Коэффициент излучения
Рис. 8: Распределение откорректированного коэф. излучения стенки катализаторной трубы для
пирометра 3.9-м
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
11
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
ДРУГИЕ РАЗРАБОТКИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РАБОТЫ ПЕЧИ РИФОРМИНГА
Система регулирования работы печи Топсе
Непрерывные измерения температуры стенки катализаторной трубы TWT во время эксплуатации
можно проводить с помощью новой системы регулирования, которая называется Системой
регулирования работы печи Топсе (TFM), данная система представляет собой стационарно
смонтированные в определенном положении тепловизоры, фиксирующие изображения.
Существенным преимуществом системы TFM над стандартными ручными методами является
удаленный доступ, и непрерывная регистрация данных в реальном времени в круглосуточном
режиме. Для сбора данных отсутствует необходимость в открытии смотровых лючков, таким
образом, операторы могут откорректировать работу и среагировать на нарушение в режиме работы
без непосредственного взаимодействия с камерой печи риформинга. Эти преимущества
обуславливают значительное улучшение производительности печи риформинга и безопасности
персонала.
Система TFM проста в применении и не требует длительной подготовки персонала. Фиксирование
горения пламени и результаты непрерывных измерений температуры стенки катализаторной трубы
TWT выводятся с помощью изображений, данные могут сохраняться в течение всего срока
эксплуатации печи риформинга. Удаленный доступ к данным и изображениям также позволяет
специалистам принимать участие в устранении неполадок и оптимизации работы печи риформинга
за пределами ее площадки. Кроме вышесказанного, журналы учета эксплуатационных данных
всегда доступны, поэтому легко воспроизвести любую информацию в учебных целях и
зафиксировать время между остановами на капитальный ремонт.
Многочисленные возможности системы TFM эффективно помогают избежать нежелательных
аварийных ситуаций. Система выступает в качестве защиты от перегрева печи риформинга и
работает в параллели с существующими системами, например системой регулирования работы
горелок BMS. Система TFM предоставляет информацию, которая облегчает процесс оценки
безопасности, надежности, доступности и ремонтопригодности (RAM), что приводит к лучшему
пониманию механического проекта печи, соответствия требованиям проверок, причин остановов,
частоты остановов, времени ремонта и необходимых затрат. Наши Заказчики, например, оценили
работу системы TFM в отношении поддержания безопасной и оптимальной эксплуатации печи
риформинга со старыми катализаторными трубами в конце срока службы. Система TFM также
позволила продолжить эксплуатацию печи риформинга в течение уже более двух лет с наличием
небольшой утечкой технологического газа в камеру печи риформинга. В заключение необходимо
отметить, что надежность системы TFM была продемонстрирована на практике, в соответствии с
которой после 45 000 часов эксплуатации печи риформинга, измерения степени ползучести
материала катализаторных труб составили менее 1%.
Система TFM коммерчески апробирована в печах риформинга с боковым и потолочным
обогревами. Экономические преимущества системы включают снижение потребления топлива и
повышение эффективности работы печи риформинга, что может сэкономить несколько сотен тысяч
долларов в год и такую же сумму в результате улучшения продуктивности работы персонала.
Техническое обслуживание/оптимизация работы печей парового
риформинга Топсе
Измерение температуры стенок катализаторных труб является лишь одной из многочисленных
услуг по техническому обслуживанию печей парового риформинга, которые могут оказать
специалисты Топсе в соответствии с четырьмя уровнями технического обслуживания/оптимизации
работы. Общее описание каждого уровня технических услуг представлено в таблице 1. Целью
данных услуг является техническое содействие в достижении установкой уровня рабочих
параметров близких к проектным пределам, выявление узких мест, экономия энергии и ресурсов,
увеличение срока службы катализаторных труб, а также оптимизация нормального режима работы.
В технические услуги уровня 4 входит измерение температуры с помощью «золотой чаши» и
12
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
сравнение показаний данного измерения с результатами, полученными при использовании ИК
пирометра.
Таблица 1
Пакеты (уровни) услуг по техническому обслуживанию/оптимизации работы
печей парового риформинга Топсе.
Объём услуг в соответствии с уровнем
1
2
3
4
Визуальная инспекция катализаторных труб и процесса горения




Измерение стенок катализаторных труб с помощью ИК пирометра




Сравнение показаний ИК пирометров от Заказчика и от Топсе




Оценка состава дымового раза и проекта печи риформинга



Сбор данных, перерасчет и моделирование работы печи



Расширенный сбор данных и улучшенное моделирование работы печи


Анализы топлива/подогрева воздуха на горение/давления в горелки


Калибровка и оптимизация работы печи*


Анализы дымового газа на кислород в конвекционной камере печи*


Моделирование, оценка и оптимизация конвекционной камеры печи *


Измерения температуры стенок труб с помощью «золотой чаши»,
вертикальный и горизонтальный профиль температур

*По запросу
Уровень 1 включает выборочную проверку работы печи риформинга, т. е. выборочная визуальная
инспекция процесса горения и катализаторных труб, измерение температуры стенки
катализаторных труб TWT с помощью оптического ИК пирометра. Окончательные результаты
проверки включают краткие обсуждение результатов на площадке и письмо по результатам по
электронной почте.
Уровень 2 соответствует стандартной оценке работы печи риформинга. Специалисты Топсе
проводят тщательный осмотр катализаторных труб, процесса горения, определяют распределение
тепла и проверяют работу горелок, собирают эксплуатационные данные (например, данные РСУ,
лабораторные анализы, измерения температуры стенок катализаторных труб TWT, анализы
дымовых газов, проект печи). Окончательные результаты проверки включают обсуждение
результатов и устные рекомендации на площадке, и предоставление стандартного отчета.
Уровень 3 соответствует белее широкому спектру технических услуг по оценке и оптимизации
работы печи риформинга. Данный уровень включает в себя полный объем 2-го уровня и сбор
дополнительных эксплуатационных данных для точного моделирования работы печи риформинга.
Данный уровень может быть расширен дополнительной оценкой работы конвекционной секции
печи, включая результаты анализов дымовых газов местной лаборатории, а также моделированием
работы змеевиков секции утилизации тепла. Окончательные результаты проверки включают
обсуждение результатов и устные рекомендации на площадке, и предоставление расширенного
отчета.
Уровень 4 соответствует самому «продвинутому» уровню технических услуг по оценке и
оптимизации работы печи риформинга. Данный уровень включает в себя полный объем услуг 3-го
уровня плюс измерения фактического коэффициента излучения и реальной температуры стенок
катализаторных труб TWT с помощью «Золотой чаши». Количество смотровых лючков определяет
число измерений. Окончательные результаты проверки включают обсуждение результатов и
устные рекомендации на площадке, и предоставление расширенного отчета.
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
13
K. B. Carlsen, P. B. Jensen, S. M. King
Технические услуги подбираются индивидуально для каждого предприятия в соответствии с
потребностями Заказчика, результаты оказанных услуг используются для предоставления
конкретных рекомендаций. Компания Топсе использует весть свой многолетний опыт и знания в
области печей парового риформинга для того, чтобы добиться максимальной эффективности и
производительности, а так же стабильности работы установки. На Рис. 9 приведен пример
результатов измерения температуры стенок катализаторных труб TWT до и после реализации
шагов по оптимизации работы печи риформинга, рекомендованных компанией Топсе. Верхний
график фиксирует большой разброс показаний и превышение температуры стенок катализаторных
труб TWT проектных температур, в то время как нижний график указывает на более оптимальное
распределение показаний температур стенок труб TWT, что необходимо для поддержания
оптимальной производительности установки.
Рис. 9: Температуры стенок труб TWT до и после реализации мероприятий по оптимизации работы
печи риформинга.
РЕЗЮМЕ
Принимая во внимание то, что печь парового риформинга является крупнейшим потребителем
энергии на установках получения синтез-газа, любые преимущества от анализа и
квалифицированного регулирования работы печи риформинга являются чрезвычайно ценными для
14
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
Работа на максимальной производительности с системой TFM Топсе
достижения максимальной эффективности работы и максимальной производительности.
Достижение наилучших результатов в этой области требует глубоких знаний и многолетнего опыта,
которые реализованы в четырехуровневой системе технического обслуживания/оптимизации
работы печей парового риформинга Топсе. Данные услуги включают в себя базовые и более
сложные измерения температур стенок катализаторных труб риформинга, и, вообще говоря, точное
определение этих температур является непростой задачей.
Оптические ИК-пирометры для 1.0 м и 3.9 м длин волн чаще всего используется для измерения
температур стенок катализаторных труб TWT. Из-за высокой чувствительности измерений
пирометра 1.0м к колебаниям фонового излучения/температур стены печи и коэффициента
излучения стенок труб, компания Топсе рекомендует сотрудникам, производящим данные
измерения, проходить тщательную подготовку. Добиться хорошей точности измерений с
пирометром 1.0м возможно, однако, если специалист не прошёл должную подготовку, существует
риск снижения точности данного измерения. Более подходящим для измерений без подготовки
является использование пирометра 3.9-м с меньшей чувствительностью к факторам неточности
измерения. Измерения с помощью 3.9-м пирометра менее точны, но при этом завышены, , так что
последующая оптимизация на их основе консервативна и не приводит к превышению проектных
ограничений.
Все более популярный метод измерения с использованием «Золотой чаши» обеспечивает лучшую
точность измерения температуры стенки трубы. Сравнение измерений с использованием «Золотой
чаши» и показаний пирометра 1.0м дает лучшее понимание фактического коэффициента
излучения стенки катализаторной трубы. Полный набор измерений данным методом фактической
температуры стенок катализаторных труб и оценка коэффициента излучения стенки трубы с
помощью «Золотой чаши» осуществляется в рамках технических услуг уровня 4 по
обслуживанию/оптимизации работы печей парового риформинга Топсе.
И наконец, существует другой метод регулирования температуры, который обеспечивает не только
точные измерения, но и непрерывный контроль изменения температур стенок катализаторных труб
в печи риформинга в реальном времени. Эта технология, Система регулирования работы печи
TFM, является новой разработкой ТОПСЕ и представляет собой систему фиксирования
изображения, которая непрерывно обрабатывает данные по температурам в печи риформинга.
Система TFM регулирования работы печи ТОПСЕ с удаленным доступом к данным имеет явные
преимущества, включая своевременные и эффективные меры по оптимизации режима, меры пои
устранению неполадок, а также применение данной системы повышает безопасность эксплуатации
установки.
Литература
[1] P. Saunders, Accurate infrared temperature measurement in reformers, AIChE, 2005.
[2] P. B. Jensen, V. Pattabathula, S. Maule, J. Bacon, D. Pasaribu, High emissivity ceramic coating of furnace walls in
tubular reformers, AIChE, 2012.
Азот + Синтез-газ 2016 Международная конференция (Берлин, 29 февраля – 3 марта 2016 года)
15