Расширение области применения стационарных тепловизоров. Безопасность производства водорода методом парового риформинга природного газа

Производство водорода

Растущая потребность в водороде стимулируется такими быстро развивающимися прикладными технологиями, как создание топливных элементов, перегонка нефти, производство аммиака и металлов, обработка в химической и аэрокосмической промышленности. По данным недавнего отчета по исследованию рынков "Рынок производства водорода – способ производства и доставка, технология, применение и регионы – глобальный прогноз до 2021 г." ожидается, что к 2021 г. рынок производства водорода вырастет от 117.94 до 152.09 миллиардов долларов. В течение этих пяти лет нефтепереработка будет оставаться сектором высокого потребления водорода, с метанолом на втором месте, за которым следует аммиак; далее развитие технологии топливных элементов и влияние жестких глобальных норм регулирования содержания серы в нефтепродуктах. Мировой рост производства водорода стимулирует широкое применение печей парового риформинга метана, возникает очевидное желание сделать этот процесс - максимально эффективным.

При этом имеет место движение в сторону расширения контроля и диагностики при получении водорода, метана, аммиака и др., обусловленные многими факторами, включая необходимость повышения безопасности операторов, большей безопасности самого процесса производства, снижения простоев и сокращения себестоимости продукции. 

Общее представление о процессе производства

Базируясь на доступности метана, паровой риформинг природного газа – это один из самых мощных и распространённых термических методов производства водорода. Риформинг природного газа, например, используется для получения 95% водорода в США. В этом процессе легкодоступный и недорогой метан и вода вступают в реакцию в присутствии катализатора.

Риформинг

Паровой риформинг метана представляет собой наименее затратный и наиболее часто используемый способ производства водорода. Во время процесса производства природный газ смешивается с паром и нагревается до высоких температур (700° C – 1000° C) под давлением и в присутствии катализатора. В результате образуется оксид углерода, водород и небольшое количество диоксида углерода. На следующей стадии оксид углерода из реакции риформинга взаимодействует с паром, и снова при использовании катализатора, для получения дополнительного количества водорода. И наконец, диоксид углерода удаляют, оставляя чистый водород. На протяжении всего процесса тепло, получаемое при сгорании газового топлива в печной коробке, за счет радиации передается к катализаторным трубкам.

Паровой риформер, используемый в установках производства водорода, аммиака и метанола является сложным и энергоёмким аппаратом. Контроль температуры стенок трубок обеспечивает максимальный срок службы каталитических трубок при энергетической эффективности и производительности процесса. В качестве приборов контроля температур применяют восокотемпературные тепловизоры. Целый ряд различных трубчатых паровых риформеров включает в себя риформеры с верхним и нижним расположением горелок, где каталитические трубки расположены параллельными рядами с горелками между рядами вверху или внизу печной коробки, нагретой до температуры от 1000° C до 1100° C. Для сравнения, в риформерах с боковым и настенным, террасным расположением горелок трубки установлены в отдельные ряды между противоположенным стенками печи. Реакция проходит в трубках при ~900° C, а продукты реакции выходят внизу.

Имеются установленные пределы температуры для стенок трубок, основанные на расчётной температуре трубок, так как высокие температуры внутри печной коробки вызывают их расширение. Когда температура слишком высокая, возможны дефекты ползучести, коксообразование, повреждение трубок, и как следствие проблемы с протеканием технологического процесса. Превышение рабочей температуры всего лишь на 20° C расчётной температуры сокращает срок службы трубок наполовину. С другой стороны, когда температура стенок трубок слишком низкая, снижается выход продукции. Поэтому - поддержание оптимальной температуры критически важно.

Проблемы производства водорода

В производстве водорода есть свои сложности и ряд проблем. Эти проблемы являются неотъемлемой частью условий эксплуатации паровых риформеров – от основной трудности получения величины температуры стенок трубок до полного их разрушения. Дополнительная трудность для операторов – это необходимость проводить измерения в экстремально тяжелых условиях, где температура топочного газа на наружной поверхности трубок риформера составляет 960° C, а температура технологического газа внутри трубок – в пределах от 450° до 900° C.

Аварийные ситуации, связанные с температурой, включают в себя вздутие, растрескивание, трещинообразование от напряжения, разрыв из-за выдавливания, перегрев и случаи превышения температуры. Температурный градиент по стенке трубки более значителен внизу или ближе к нижней части трубки, являясь причиной различной деформации ползучести – основной механизм разрушения. Пятая часть всех случаев повреждения включает в себя растрескивание трубок, а человеческий фактор (ошибки оператора) – главная причина преждевременного отказа.

Операторам не только необходимо глубоко понимать поведение риформера в динамических условиях, они должны анализировать данные и быстро принимать решения не допуская отказов. Необходим большой опыт оператора для полного понимания базовой конструкции риформера, технологии процесса, принципов передачи тепла, фоновой радиации, влияния излучения и охлаждения, при их первом проявлении. И наконец, операторам необходимо знать – реальны полученные данные или ошибочны. Как видите, сложностей производства довольно много.

Большинство случаев перегрева являются следствием ошибки человека. Несмотря на то, что надёжность оборудования растет, имеется большой разрыв между серьезными проблемами и незнанием операторов, как достаточно быстро их смягчить. Кроме того, имеет место текучесть кадров, накопленный опыт и знания уходят вместе с персоналом.

Несмотря на эти проблемы, очень важно улучшать контроль и измерение температуры для снижения воздействия процесса на оператора и риска для него, а также повышения производительности, снижения энергопотребления, увеличения эксплуатационной долговечности трубок и управления потенциальными отказами оборудования и техники.

Методы и средства измерения высоких температур

Рассмотрим, что необходимо для повышенной безопасности и непрерывного контроля 24 часа в сутки и 7 дней в неделю для производства. Методов измерения температуры много, но мы рассмотрим два наиболее эффективных:

1. Ручные точечные пирометры – позволяют выполнять точечные измерения с высокой точностью и представляют промышленный стандарт для измерения температуры стенок труб. Пирометры могут использоваться для оптимизации работы паровых риформеров путем поддержания рабочей температуры ближе к расчетным значениям, и в большинстве ситуаций они имеют достаточную точность. Однако, они наблюдают только за локальным пятном на трубках и могут пропустить горячие участки в других местах.
2. Стационарные тепловизоры – промышленные тепловизоры для измерения высоких температур позволяют повысить производительность и эффективность производства за счёт контроля больших горячих участков. Благодаря полученным данным можно добиться максимальной оптимизации температуры стенок трубок для обеспечения их длительного срока службы. Это позволяет получать более точные и надежные результаты, чем результаты работы операторов, так как это не зависит от опыта оператора, в то же время повышает эффективность процесса и минимизирует риск непредвиденного отказа.

Тепловизионные камеры вставляют в риформер концом блока формирований изображений в отверстие 1/4 дюйма в огнеупоре стенки риформера. Блоки формирования изображений охлаждаются водой и воздухом, обеспечивая необходимую точность измерения в горячей атмосфере риформера. Источник: компания AMETEK Land.

Излучательная способность является очень важным фактором обеспечения точности измерения температуры. В оборудовании риформера поверхности некоторых объектов могут отражать излучение. Точечные пирометры и визуальный контроль могут неправильно представлять эти сигналы отражения. Вы будете получать результаты измерений отличные от реальных данных, что приводит к ошибкам измерения температуры. Оптимальное решение могло бы объединить возможность коррекции температуры с помощью стационарной тепловизионной камеры. Она будет работать 24 часа в сутки 7 дней в неделю, тепловизор можно стратегически установить в пределах риформера, что существенно бы повысило эффективность и безопасность производства.

Тепловизор NIR-B 3XR

Стационарный бороскоп NIR-B 3XR компании AMETEK Land оснащён тепловизором для ближней инфракрасной (NIR) области спектра предназначен для непрерывного измерения температуры, оптимизации и контроля работы печей. Позволяет измерять температуру от 600 до 1800°C. Он формирует тепловое изображение высокого разрешения (656 x 494 пикселей) с точным измерением температуры в реальном времени как наружного слоя трубок, так и поверхности огнеупора. Тепловизионная камера с 90° полем зрения позволяет одновременно измерять температуру множества параллельных трубок. Горячие и холодные области легко определяются, неравномерный нагрев становится видимым в реальном времени.

Данные непрерывного контроля температуры риформера получаемые в реальном масштабе времени тепловизором NIR-B 3XR повышают точность автоматизации и снижают риски для операторов, которые теперь могут видеть результаты в безопасном помещении – диспетчерской. Использование коротких длин волн минимизирует ошибки, связанные с изменением коэффициента излучения, поэтому могут быть получены высокоточные данные измерения температуры. Их можно сохранять и анализировать полностью за весь срок эксплуатации риформера.

Модель ИК бороскопа NIR-b 3XR отлично подходит для печей риформинга и крекинга. Тепловое изображение позволяет пользователю контролировать и оптимизировать производительность печи риформинга. Легко идентифицировать горячие и холодные области, а также несбалансированные горелки или газовую смесь с коррекцией и всё это происходит в реальном масштабе времени. Некорректно работающие горелки распознаются по падающему излучению пламени.

Время отклика тепловизора составляет 0.14 секунды, что более чем в 40 раз меньше по сравнению с традиционными трубчатыми термопарами. Термопары измеряют температуру в точках присоединения, оставляя большую часть поверхности неконтролируемой. Термопары также имеют дрейф во времени, когда работают при высоких температурах, и поэтому должны регулярно заменяться. Быстрый отклик тепловизора NIR-B 3XR позволяет срабатывать сигнализации, когда имеется случайный рост температуры. При этом реакция операторов может быть практически мгновенной, что снижает вероятность неблагоприятных событий.

Промышленный Ethernet-выход соединяется с полевым коммутационным шкафом, который обеспечивает электрическое питание тепловизионной камеры и интерфейс для оптоволоконных Ethernet-соединений с сервером. Программа обработки тепловизионных изображений позволяет передавать до 100 точек данных через Ethernet TCP/IP в распределенную систему управления. Программа записывает потоки данных как видео и как отдельные кадры для дальнейшего анализа, используя профили, точки или области, представляющие интерес. Также имеется опция для использования сигнализации при контроле и автоматизации, а также программное средство воспроизведения любого события, предшествующего сигнализации.

Данные из тепловизора могут быть использованы для контроля активности катализатора в риформере в виде запаса углерода и возможности восстановления упущенной продукции через риформер.

Тепловое изображение внутри, и печь риформинга с точками данных.

Преимущества применения тепловизоров

Применение тепловизора NIR-B 3XR позволяет продлить срок службы трубок риформера, оптимизирует его производительность и снижает потребление энергии. Типичные области применения тепловизора NIR-B 3XR включают в себя основные паровые риформеры, измерение температуры стенок трубок крекинг-установок получения этилена и замедленных операций коксования. Они разрешены для использования в газовых атмосферах зон 2 (Zone 2), прибор может оставаться на месте во время работы, технического обслуживания, во время остановки и запуска производственных установок.

В ближайшем будущем рост использования водорода будет продолжаться, соответственно, будет возрастать необходимость в безопасности, снижении затрат и простоев, увеличении производительности и эффективности соответствующих производств. Применение стационарных тепловизоров NIR-B 3XR с улучшенными характеристиками будет направлено на расширение возможностей измерения температуры в опасных зонах, предоставляя всё необходимое, указанное выше, для быстрого развития этого сектора промышленности.