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testo350xl烟气分析仪在加热炉运行监测中的应用
费正中
摘要：用德图testo350xl测定加热炉烟气组分、温度、压力、流量，及时发现加热炉运行中存在的设备故障和操作问题，通过设备整改和操作调整，有效地提高了加热炉的运行质量，节省燃料消耗，减少有害气体的排放，取得了明显的经济效益和社会效益，体现了烟气分析仪在加热炉运行监测中的实用价值。
关键词：烟气分析仪；加热炉；运行监测
一、前言
火焰加热炉是一种直接燃烧燃料加热工艺介质的设备，常用于炼油化工生产，是其中的重要设备之一，它的重要性表现在其能耗在炼油装置中占有相当重要的地位。它的燃料消耗在炼油装置的能耗中占有的比例少则20%～30%，多则80%～90%，而基建投资占装置的工程费比例较小，在6%～17%之间。由此可以看出炼油装置加热炉是投资成本小、运行成本高的重要设备，运行质量好坏对装置的经济效益影响较大[1]。由于加热炉本身的不完善和非最佳工况燃烧，使得燃料产生的热量有相当一部分被白白损失掉，从而造成能源的巨大浪费，并且产生大量的有害气体，加重了环境污染和温室效应，因此需要予以足够的重视，加热炉的运行状态监测成为加热炉运行管理乃至设备管理中一项重要的工作。
二、加热炉的监测与故障诊断
1．烟气分析仪与热效率的测定
热效率是评价加热炉或锅炉运行质量的重要指标，热效率的测试是加热炉或锅炉监测的主要项目。关于管式加热炉的热效率测定、计算方法和指标规定，有关部门曾制定了多种标准，这些标准由于所做的规定不同，使得相同工况条件下计算出来的热效率相差很大，失去了对加热炉的使用情况的可比性，甚至产生错误的评价、判断和结论。中国石化总公司1990年颁布的《石油化工工艺管式加热炉热效率测定方法》（SHF0001-90）加强了同行业中加热炉的可比性，引入了“综合热效率”概念，热效率计算执行GB2588-81标准规定，更加准确，是国内石化行业普遍采用的方法[2]。
该标准规定的热效率计算方法有正平衡法和反平衡法，对于加热炉日常监测，采用反平衡法的简化计算具有更强的可比性和实用性，只需要测定烟气中的氧气、CO和温度，就可以计算出热效率。计算结果的精确性则由分析方法的科学性和原始采集数据的准确性决定。烟气成分分析一般采用气相色谱法，该方法需要多根色柱在较长时间内才能完成，分析前需用标气进行标定，分析结果的精密度、重复性较差；并且采集样气使用气袋抽吸法，操作繁琐，容易混入空气，使得分析误差进一步增大；用已知浓度的标气采样试验，结果表明气袋采样很容易将空气混入样气中，可以使标气中氧含量由2%增加到4%，由此可见，气相色谱法达不到加热炉监测对烟气分析的全面、快速、便捷、准确的工程规范要求。而氧化镐作为氧含量快速自动分析的仪器在加热炉上被广泛应用，但由于受到使用条件的限制，不可移动，其价格昂贵，功能单一等缺点，一般只能作为在线仪表，引导加热炉操作，并且氧化镐探头长期在炉膛高温烟气环境中，易结灰，甚至表面产生裂纹，分析结果常常低于实际值，同样也不能作为日常监测仪器使用。随着技术的发展，功能齐全、精密度高、操作简便、分析速度快、价格适中的便携式烟气分析仪相继问世，使得烟气分析与加热炉监测能够大范围高频次进行。目前国内炼油化工企业已经广泛使用烟气分析仪进行加热炉监测，其中认知度较高的是德图testo350xl型烟气分析仪。由于它具有以下特点，使得它成为广大加热炉监测和管理者的得力助手。
1）功能齐全：该仪器可以同时分析烟气中的O2、CO、NO、NO2、SO2、H2S、HC其中的5种成分、烟气温度、环境温度、绝对压力与差压等。利用该仪器我们可以完成加热炉或锅炉常规性的运行状态监测和故障诊断，可以实时计算出加热炉或锅炉的热效率，判断加热炉的漏风部位和程度，判断烟道、风道的阻力大小与堵塞部位，判断燃烧器的燃烧状况，判断露点腐蚀的基本趋势等。
2）准确度高： testo 350XL烟气分析仪经中南国家计量测试中心检测（化字第04108212号），氧气分析的基本误差为－0.3%，精密度为0.4%， CO的基本误差小于1%F·S，精密度为0.4%，仪器的响应时间小于13S，零点漂移小于1%F·S，各项指标均显示出较高的准确性和稳定性。另外用三种不同浓度的标准氧气对350XL烟气分析仪进行检验，然后用浓度为0.50%的标准氧气对仪器进行了标定，标定后用其它两个浓度的标准氧气进行了检验，检验和标定结果显示，该仪器经国家计量权威部门标定使用近5个月后的测量值与国家计量测试中心的检验结果仍然保持一致，氧含量误差在－0.3%以内，定期标定后，误差更小，说明testo 350XL烟气分析仪是准确和稳定可靠的。
表1 testo350XL烟气分析仪的标准氧气检验及标定结果
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标气浓度% |
0.50 |
2.04 |
9.68 |
| 标定前测量值% |
0.47 |
1.93 |
9.48 |
| 标定前测量值与标气的差值% |
-0.03 |
-0.11 |
-0.2 |
| 标定后测量值 |
|
1.98 |
9.57 |
| 标定后测量值与标气的差值% |
|
-0.06 |
-0.09 |
3）方便快捷：该仪器为便携式分析仪，只要现场有直径大于8㎜的采样口或软管接头，就可进行现场采样分析和测量，中间环节等影响因素少，它不仅可以测量并记录瞬间值，还可以记录一定时段内的最高值、最低值和平均值。
2．testo 350XL烟气分析仪的应用事例
1） testo 350XL烟气分析仪测量差压诊断设备故障
武汉分公司常减压炉自04年扩能改造以来，出现严重的供风不足问题，为维持生产，不得不将全部风门打开，以自然通风补充供风的不足。经设计单位和设备制造、安装单位的复核和检查，该系统无设计、制造、安装上的质量问题，只有采取现场检测的手段，通过风量和压降指标查找设备使用上的问题。
首先常减压车间在主要部位设置压力测孔，如上图。设备监测中心采用testo 350XL烟气分析仪进行检测，首次测量结果如表2。
检测数据表明，供风系统当前主要的压力损失在暖风器部分，根据暖风器的使用状况和内部结构，确定造成压力损失的主要原因可能是暖风器的翅片堵塞，为此采取了清洗翅片的方法来排除故障。由于热管与萘管预热器的进口压力过低，绝对压力损失小，暂时无法确定是否堵塞。
表2 第一次风道压力测量结果 （鼓风机功率 95%）
|
测量部位 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
| 压力 Pa |
2870 |
230 |
220 |
30 |
0 |
| 压力差Pa |
－ |
2640 |
10 |
190 |
30 |
| 压降 % |
－ |
91.99 |
4.35 |
86.36 |
100 |
暖风器翅片清洗后，再次进行压力测量，测量结果如表3：
表3 暖风器清洗后的风道压力测量结果 （鼓风机功率 95%）
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测量部位 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
| 压力 Pa |
2300 |
2380 |
2200 |
510 |
200 |
| 压力差Pa |
－ |
－80 |
180 |
1710 |
310 |
| 压降 % |
－ |
－3.48 |
7.56 |
77.73 |
60.78 |
暖风器清洗后的压力测量结果表明，暖风器后的热管进口压力在鼓风机同样功率的条件下绝对压力有大幅度的上升，说明暖风器的压力损失大大减小，暖风器内堵塞已经排除，清洗后压力降为负值，这与测量部位的动压与静压变化有关。此时的热管预热器进口压力大幅度增加，热管预热器的压力损失显现出来，进出口压差超过设计值（1000Pa），有堵塞现象，采取同样的办法进行了热管清洗。
热管清洗后的压力测量结果如表4。从表4可以看出，经过暖风器和热管预热器的清洗，供风系统的压力差达到设计要求，鼓风机52%的功率就能满足风量需求，说明供风系统的故障得到消除，烟气余热回收系统恢复正常，减少了电能和燃料消耗，取得了明显的经济效益。
表4 热管冲洗后的风道压力测量结果 （鼓风机功率 52%）
|
测量部位 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
| 压力 Pa |
900 |
900 |
860 |
70 |
-60 |
| 压力差Pa |
－ |
0 |
40 |
790 |
130 |
| 压降 % |
－ |
0 |
4.44 |
91.86 |
100 |
2）烟气成分分析在加热炉运行监测与故障诊断中的应用
武汉分公司自2003年购置了testo350XL烟气分析仪以后，开始进行烟气监测，监测结果显示全厂加热炉大都存在氧含量偏高的问题，表5为2004年全厂各加热炉烟气监测氧含量的平均值。设备监测防护中心从仪器、采样和烟道漏风等方面查找原因，首先通过仪器的计量标定、与兄弟单位实测比较和标气检验等手段排除了由于仪器的准确性而引起的氧含量偏高的原因；再通过采样口多级O型橡胶密封圈的密封设置，排除了采样漏风导致氧含量偏高的原因。最后选择氧
表5 加热炉烟气中氧含量2004年全年平均值
| 重整102 |
重整103 |
重整205 |
重整
201-202 |
重整
203-204 |
重整
301 |
联
合 |
常
压 |
加
氢 |
焦化101 |
焦化102 |
烷基化 |
| 10.7 |
5.9 |
7.24 |
5.67 |
7.36 |
8.27 |
9.9 |
10.8 |
10.3 |
8.02 |
8.01 |
8.3 |
含量相对较高的常减压炉进行试验，经过连续多次的检测、诊断和整改，查明了烟道漏风是造成该炉烟气氧含量偏高的主要原因，整改取得了明显的效果，整改前后的加热炉监测数据比较见表6。
表6 常减压炉整改前后的氧含量与热效率比较
时间 |
整改前 |
整改后 |
| 2005年4月 |
05年总部检查 |
2005年10月 |
| 综合热效率 % |
83.06 |
85.31 |
88.5 |
| 辐射室氧含量 % |
3.65 |
— |
2.55 |
| 预热器进口氧含量 % |
6.29 |
6 |
5.1 |
| 预热器出口氧含量 % |
10.02 |
9.7 |
5.87 |
| 预热器进出口氧含量差值 % |
3.73 |
3.7 |
0.77 |
| 预热器出口与辐射室氧含量差值 % |
6.37 |
— |
3.32 |
由表6可以看出，预热器进出口氧含量差值由整改前的3.73%降为0.77%，预热器出口与辐射室出口的氧含量差值由整改前的6.37%降为3.32%，漏风得到了有效控制，加热炉的综合热效率明显提高，由整改前的85%提高到88%以上，经测算，本次整改可以节省燃料3%—4%，以该炉2004年月均燃料消耗量2505.2吨/月为计算依据，整改后可节省燃料75—100吨/月，以1400元/吨的价格计算，直接经济效益为10.5万—14万元/月。
3）用testo 350XL烟气分析仪指导CO锅炉操作
为节省能源，提高能源利用效率，武汉分公司先后建设了四台CO锅炉，利用催化裂化再生烟气的显热和CO的燃烧能，生产蒸汽。由于多种原因，该锅炉一直凭借司炉工的感官和操作经验进行操作，而感官的不可靠性和操作经验的差异，导致CO锅炉的运行质量难以保证，不仅造成了大量的能源浪费，而且造成了大量的CO排放，严重地污染了空气。随机检测结果表明，该锅炉长期燃烧不完全，烟气中的CO含量少则几百ppm，多则上万ppm，燃烧状况较差，司炉工的感官和操作经验存在较大的偏差，必须予以纠正。为此，2004年9月24日我们用testo 350XL烟气分析仪进行在线检测，指导CO锅炉操作，经过多次在线检测指导，CO锅炉的燃烧状况得到了明显改善，烟气中CO含量降至100ppm以下，热效率提高3.2%，达到88.27%；在不增加燃料的情况下，一台负荷为50吨/小时的CO锅炉的蒸汽产量增加了1.8吨/小时，详情见表7。若蒸汽以100元/吨的价格计算，则年创造经济效益达130万元，同时减少了CO对环境的污染，创造了良好的社会效益。
表7 CO-1#炉在线指导操作调整结果
| 时间 |
风量% |
O2% |
COppm |
排烟温度℃ |
综合热效率% |
蒸汽产量吨/小时 |
| 8：50 |
60 |
1.25 |
大于10000 |
221 |
小于85 |
50.5 |
| 8：55 |
65 |
2.4 |
2270 |
221 |
87.47 |
50.6 |
| 9：05 |
69 |
1.55 |
797 |
224.3 |
88.19 |
51.7 |
| 9：20 |
70 |
2.0 |
25 |
225 |
88.27 |
52.3 |
三．结论
通过testo 350XL烟气分析仪的实际应用，证实该仪器准确可靠，性能稳定，一机多能，是进行加热炉、锅炉运行监测得力助手，利用它可以帮助我们改善加热炉、锅炉的运行质量，提高设备的完好率，减少燃料消耗，降低生产成本，同时减少包含CO、SO2、NOX等有害气体在内的废气排放量，减轻工业废气对环境的污染，取得良好的经济和社会效益，具有较好的应用价值和广阔的应用前景。 |
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