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渣油加氫裝置加熱爐結焦量化表征及預測

文檔作者：張兵，鄭曉軍，楊彩娟，張崢，付紀林文檔來源：石化盈科信息技術有限責任公司		更新日期： 2026年05月23日	點擊數：
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研究與開發（363~366）
2023年9月 PetrochemicalTechnology&amp;amp;Application Sep.2023
第41卷 第5期 石 化 技 術 與 應 用 Vol.41 No.5
D0I:10.19909/j.cnki.ISSN1009-0045.2023.05.0363
渣油加氫裝置加熱爐結焦量化表征及預測
張兵，鄭曉軍，楊彩娟，張，付紀林
（石化盈科信息技術有限責任公司，上海200040）
摘要：為了準確且快速判斷渣油加氫裝置加熱爐結焦程度、預判結焦趨勢，從能量傳遞角度設計出結
焦量化表征指標（N），N為實際操作條件且爐管在潔凈狀態下的內傳熱系數除以其在同等操作條件及結
焦狀態下的內傳熱系數所得值；采用AspenHYSYS軟件模擬建立了N值變化預測模型，并結合某公司
300萬/a渣油加氫裝置生產數據進行了驗證。結果表明：經計算所得N值及其變化趨勢與實際生產運行
情況滿足一致性，皮爾遜相關度計算結果滿足排他性要求；所建立的結焦量化預測模型的準確性較好，歷
史同期的實際N值與其回歸值的自檢相對誤差均值為3.15%；在跟蹤同裝置生產運行的4個月期間，預測
模型的實際N值與預測值的變化總體趨勢基本一致，相對預報誤差均值為3.90%。
關鍵詞：渣油加氫裝置；加熱爐爐管；結焦；量化表征；預測
中圖分類號：TQ021.8 文獻標志碼：B 文章編號：1009-0045(2023)05-0363-04
加熱爐是渣油加氫裝置必不可少的核心設
備之一，渣油混氫被加熱到一定溫度后再去反應
單元進行催化反應。由于渣油中含有一定量的膠
質、瀝青質等易結焦物質，在受熱條件下，加熱爐
管內壁很容易發生結焦現象1]。結焦不僅增加了
管道流動阻力及泵的動力消耗，還增加了傳熱阻
力及燃料的消耗。我國煉油企業的渣油加氫裝置
大都存在加熱爐管結焦的現象。由于目前缺少有
效的儀表檢測手段，無法實際探測、稱量結焦總
量，因此，對加熱爐爐管結焦程度的判斷，往往需
要查看生產負荷、渣油進出加熱爐溫度、傳熱溫
差等多個指標，再結合專業知識與經驗，最終的
分析多數還停留在定性階段[1-2]
為準確、及時、快速判斷加熱爐爐管結焦程
度，定量分析影響因素，預判結焦趨勢，本工作從
能量傳遞角度設計出表征結焦的量化指標，開發
出預測模型；并結合某公司300萬t/a渣油加氫
裝置的歷史生產運行記錄數據，驗證了結焦量化
指標的合理性及其預測模型的準確性，為合理安
排清焦、避免過度清焦提供依據，
1 結焦量化指標的設計
為了對加熱爐爐管結焦程度進行定量和預
測分析，需用某些間接指標來表征結焦，以簡化
并實現快速判斷結焦的程度，如同真實的儀表檢
測工具。當加熱爐爐管內部結焦后，會發生一些
外在的、完全可能被觀測到的現象，據此可以對結
焦進行表征[3]。合理的結焦量化指標應至少滿足
一致性和排他性的要求。
有些生產裝置上常用的運行控制指標，可能
由結焦引發，但還不足以表征加熱爐爐管結焦的
程度。例如：排煙溫度、加熱爐效率、傳熱溫差（爐
管外壁與爐內物流的平均溫差）等，結焦僅是其影
響因素之一。在理論上，盡管加熱爐進出口壓力
降作為結焦表征指標是合理的，但由于在高壓條
件下壓力儀表顯示精度存在欠缺，因此，壓降也不
宜作為結焦表征指標。
經過反復篩選，確定從熱量傳遞的角度設計
加熱爐爐管結焦的量化表征指標（以N表示，無
量綱），按照式（1）進行計算：
N=khdhno (1)
式中：hn為結焦條件下的爐管內傳熱系數；ho為
與h.在同等生產條件下的潔凈爐管的內傳熱系
數，采用美國石油協會標準API530的計算規則
收稿日期：2023-05-31；修回日期：2023-07-27
基金項目：中國石化科技開發基金資助項目（項目編號：
322107&amp;amp;320130)
作者簡介：張兵（1973一），男，江蘇揚州人，博士，副研究員。
主要從事石油化工過程分析與數字化應用工作，已發表論
文20篇。
364 石 應 化 技 術 與 用 第41卷
求取[4];k為修正系數。當爐管潔凈時,N值為1;
隨著結焦程度的發展，N值將逐漸增大。
1.1 總傳熱量（Q）
渣油混氫物流在加熱爐爐管中的受熱過程，
可分為3個階段：（1）爐膛向爐管外壁的輻射傳
熱；(2)爐管外壁向爐管內壁的熱傳導；(3)爐管
內壁向渣油混氫物流的對流傳熱。在穩態情況
下，各階段的總傳熱量Q是相等的，等于爐管內
渣油混氫物流的吸熱量，與物流進出爐管的狀態
與溫度有關，既包含顯熱，又包含潛熱。為此，采
用美國Aspen公司開發的HYSYS流程模擬軟
件，輸人渣油餾程、混合氫氣組成的相關數據，進
行加熱過程模擬。
由表1可知：在加熱前后，渣油混氫物料氣
相的流量與組成幾乎無變化，即渣油在加熱爐操
作條件下并未發生相態的變化，因此在計算Q
時，無需考慮爐管內部物流的潛熱；混合前后的
物料氣相流量與組成略有變化，采用混合前的渣
油和氫氣流量計算Q，其偏差約為2%，可以接
受。
表1 加熱爐內渣油混氫物料氣相組成及流量在混合前后的變化
混合后
項目混合前
人加熱爐前出加熱爐后
氣相組成體積分數/%
H2 90.00 90.00 89.99
CI 5.00 4.94 4.94
C2 3.00 2.91 2.91
C3 2.00 1.90 1.90
氣相摩爾流量/(kmol·h） 3570 3 496 3 495
因此：
Q=管內物料液相吸熱量（QL）+
管內物料氣相吸熱量（Qv）； (2)
QL=液相質量流量×液相定壓比熱×
（物流出爐管溫度-進爐管溫度）； (3)
Qv=氣相質量流量×氣相定壓比熱×
（物流出爐管溫度-進爐管溫度）。(4)
式中：液相定壓比熱、氣相定壓比熱可通過HYSYS
軟件計算得到，液相質量流量、氣相質量流量分別
采用各自的儀表測量數據，單位均為kg/h。
1.2 爐管內壁均溫(T.)
300萬t/a渣油加氫裝置加熱爐管的外壁有
12個溫度監測點，取其均值作為爐管外壁溫度。
從爐管外壁到內壁的Q,滿足熱傳導方程[5]
2T入(T.-T.L Q=n (5) ln(Dw/D,)
式中：n為爐管根數；入為熱傳導系數；Tw為爐管
外壁溫度均值，℃;Dw,D.分別為爐管外徑、內徑，
mm;L為爐管長度,m。依據式(5),則可求出Tn
1.3 平均hn
爐管內壁到物流的Q，滿足方程：
Q=nhnD,(T,-T)L。(6)
式中：T為爐管內的物流溫度（通過相關儀表監測
獲得）的均值，℃。
在Q,T,,T均已知的情況下,h可通過式(6)
求得。理論上，結焦一定會影響hn，結焦越嚴重，
則h越小。
2 結焦預測模型的建立
2.1 N預測模型
為了預判某段時間的結焦程度，需要建立結
焦預測方程，為確定停機清焦時間提供依據。由
于結焦總量（M)是累積而成的[6],故：
Mi4I-M,=Vm.i△t。(7)
式中：Mi,Mit1分別為第i，i+1)時刻的結焦總量，
單位kg;Vm.為第i時刻的結焦速率，kg/h；△t為
數據采樣時間間隔，實際常選值為1h。設M，與
N呈現近似線性關系，則N也能通過類似式（7)
的形式加以描述，即：
Nii-N,=V;△t。(8)
式中：V.可認為是用N表征M在第i時刻的結焦
速率,h-l
2.2 V.預測模型
盡管M和N與瞬時的可調可控等操作因素
無關，但結焦速率V，與可調可控因素及其他因素
有關。影響V的因素主要有原料性質、操作因素。
設影響因素的個數為x,采樣個數為y。由于各影
響因素之間可能存在一定的相關性,因此,首先
需提取其中的主元[7-8]。令提取得到的主元記為
P(yxp維矩陣）,p為主元個數。
進一步假設第i時段的結焦速率V，與第i時
段提取的主元P存在線性關系，則：
V=P,xAF+b=[P,1 ]x (9)
式中：Ar(p維向量）與b（常數項）是結焦速率V
模型的待求參數。
e Ni計1 1=U ，L-LC0,C1,C2
第5期 張兵等.渣油加氫裝置加熱爐結焦量化表征及預測 365
在加熱爐的一個運行周期內，令i從0增加
[AF
到y,設A= ,Z=[P,1] 。
6
則：V=ZXA，并代人式(8)得：
Ni-No=ZoxAx△t
N2-No- J=1
N,4I-No- ZXAx△t (10)
[fo,fi,f2]'",則可將式（10)改寫為矩陣形式[5],得
到式(11):
E=FXA△t。(11)
為使得結焦指標的回歸值與實際值的偏差
平方和達到最小,模型參數按式(12)計算[9]：
A△t=(FF)-IF'E。(12)
當歷史數據跨度包含2個生產周期時[6],則
有：
A△t= [()()()()。(13)
可見，預測模型的參數可以直接依據歷史數
據，通過矩陣運算快速計算得到。將A△t代人式
(9)和式（8）,即可得到N的預測值。
3 結焦預測模型的驗證
從300萬t/a渣油加氫裝置采集2020年
9月一2022年3月的生產檢測記錄歷史數據，共
含3個運行周期：2020年9月一2021年4月、
2021年5月—2021年12月、2022年1月2022
年3月，期間經歷了2次清焦。
3.1 N的合理性
3.1.1一致性
由圖1可知：總體上，在3個運行周期內，
N值均隨著加熱爐的運行時間延長而逐漸增大，
并在停機清焦檢修前達到最大值；在清焦檢修
后，N值旋即回落，整體趨勢與結焦機理分析及該
生產裝置專家當時做出的判斷基本相符合，這表
明該結焦量化指標N滿足一致性的要求。另外，
后2個運行周期末清焦檢修時的N值明顯小于
第1個的，即在此期間的實際生產控制過程中，
似乎存在提前清焦的現象。
2.8
實際
2.3
回歸
1.8
1.3
清焦清焦
0.8
0 3.000600090001200015000
生產數據采樣序號
圖1 300萬t/a渣油加氫裝置實際N值及其回歸值的變化趨勢
3.1.2 排他性
可通過N值與可調可控生產參數的相關性
來驗證排他性。若相關性很小，則可認為N不含
可調可控因素的信息，其變化完全是由結焦引起
的。由表2可知：加熱爐在3個運行周期內，該渣
油加氫裝置生產可調可控因素對N值的皮爾遜
相關度絕對值均小于0.140，說明這些可調可控
因素對N值變化沒有相關性，即N不包含可操
作因素的信息，驗證了采用N表征結焦時的排
他性。
表2300萬V/a渣油加氫裝置生產可調可控因素對N值的皮爾遜相關度計算結果
生產可調可控因素皮爾遜相關度生產可調可控因素皮爾遜相關度
渣油加工負荷/(kg·h-) 0.123 渣油混氫物流人加熱爐時的壓力/MPa -0.137
氫氣流量/（m·h-l） -0.020 渣油性質（質量分數）/%
氫氣與渣油體積比0.078 瀝青質-0.115
渣油混氫物流人加熱爐時的溫度/℃ -0.005 膠質-0.109
3.2 準確性
3.2.1 自檢誤差
自檢誤差，是指歷史數據的實際N值［依據
式（1)計算]與回歸值[依據式(8)計算]的誤差。
當提取生產檢測記錄歷史數據85%的信息時，便
可確定主成分數(p）。由圖1還可知：在3個運行
周期內，加熱爐結焦量化預測模型的實際N值與
回歸值的變化趨勢吻合度較好，誤差相當小，N值
366 石 應 化 技 術 與 用 第41卷
的平均自檢相對誤差為3.15%；回歸值的曲線不
含毛刺，貫穿于整個實際值曲線，表明所得結焦
量化預測模型對歷史數據的回歸效果良好
3.2.2 預報誤差
預報誤差，是指新采集數據的實際N值[依
據式(1)計算]與預測值[依據式(8)計算]的誤差。
新采集該300萬t/a渣油加氫裝置4個月的生產
運行檢測記錄數據（2022年4月1日一2022年
7月31日，期間加熱爐連續運行，未停機清焦），
以2022年4月1日前3天的均值作為式（8)的
初值No，依次遞推跟蹤計算這4個月運行期間的
N值，即為預測值。
由圖2可知：在跟蹤預測的這4個月運行期
間，所得該渣油加氫裝置加熱爐結焦量化指標的
實際N值與預測值的變化總體趨勢基本一致，
N值的平均相對預報誤差為3.90%；N值預測曲
線與實際曲線吻合得較好，說明該預測模型的準
確性較高。
2.2r
2.0
實際
1.8 預測
1.6
1.4
1.2
1.0
0 50010001500200025003000
生產數據采樣序號
圖2 300萬t/a渣油加氫裝置實際N值與預測值的變化趨勢
4結論
a.在渣油加氫裝置正常生產工況下，采用加
熱爐爐管在潔凈狀態下的內傳熱系數除以其在
結焦狀態下的內傳熱系數，所得值N可作為結焦
量化表征指標。
b.結合300萬t/a渣油加氫裝置的歷史生產
運行記錄數據，經計算所得N值及其變化趨勢與
實際情況滿足一致性，皮爾遜相關度計算結果滿
足排他性要求。
c.所建立的結焦量化預測模型的準確性較
好。在300萬t/a渣油加氫裝置同期的實際N值
與回歸值的變化趨勢吻合度較好，自檢相對誤差
均值為3.15%；在跟蹤同裝置生產運行的4個月
期間，預測模型的實際N值與預測值的變化總體
趨勢基本一致，相對預報誤差均值為3.90%
參考文獻：
[1]王迪勇，高文壇，孫清龍，等.渣油加氫裝置反應爐管結焦原
因分析及燒焦處理[J].煉油技術與工程，2018,48（9)：36-
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檢測方法：中國,101498578A[P].2009-08-05.
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(5) : 471-486.
[9]】陳德釗.多元數據處理【M].北京：化學工業出版社，1998：
125-138.
符號（含上下角標）說明
N一結焦量化指標；
T一溫度,℃;
Q一總傳熱量,kJ/s;
P一提取的主元；
幾一爐管根數；
hn一實際生產條件下的內傳熱系數，W/(m·K);
ho一爐管潔凈狀態下的內傳熱系數，W/(m²·K)；
x一影響結焦的因素個數；
y一歷史數據的數量；
P一提取的主元個數；
M一結焦總量，kg;
Vm,一第i時刻的結焦速率,kg/h;
V一用N表征結焦的第i時刻的結焦速率，h-l。
上角標
"一向量或矩陣的轉置；
-1一矩陣的逆運算。
下角標
n一爐管內；
W一爐管外；
i，j一表示排序的可變整數。
（下轉第376頁）
（上接第366頁）
376 石 化 技 術 與 應 用 第41卷
Measures for cooling of reactor bed during shutdown of hydrogenation unit
LUO Guan-wei
(Qingyang Petrochemical Company, PetroChina, Qingyang 745000, China)
Abstract: Aiming at the 1.2 Mt/a diesel hydrogenation
unit of Qingyang Petrochemical Company of
PetroChina,measures such as hot hydrogen with oil,
hydrogenolysis at constant temperature, hot nitrogen
dehydrogenation, and prolonging the cycle cooling
time were taken. The problem of lowering the reactor
bed temperature during the shutdown of the hydrogenation
unit was solved. The results showed that the
bed temperature of the hydrogenation reactor was reduced
to 44.6 ℃ on average ,and the average temperature
of the first to the fourth bed was 42.7,43.4,
45.8 and 46.6 ℃ respectively. The reaction system
was replaced by continuously adding a small amount
of nitrogen,and the inlet and outlet temperatures of
the hydrogen compressor were decreased at the same
time. It could keep the cooling rate of 0.75 C/h and
keep the cooling efficiency of the reactor when the
bed temperature of the reactor was less than 85 ℃.
Compared with using nitrogen replacement to cool
down after shutdown, the method of prolonging the
running time of the circulating hydrogen compressor
could save a large amount of nitrogen and reduce the
bed temperature effectively. By improving the shutdown
method, the shut-down time was 32 h shorter
than that of conventional shut -down ,and the consumption
of low pressure nitrogen and medium pressure
nitrogen was less than 29 150,119 993 m’, and
the consumption of low pressure steam and medium
pressure steam was more than 190.9,582.7 t, respectively.
The sulfur content and carbon content of
the regenerated catalyst were lower. At the same
time, there was no oil in the shell- and tube-side of
high-pressure heat exchanger.
Key words: hydrogenation unit; reactor; catalyst;
circulating hydrogen compressor; nitrogen; bed temperature
Quantitative characterization and prediction for coking in furnace of residual
oil hydrogenation unit
ZHANG Bing ,ZHENG Xiao-jun, YANG Cai-juan ,ZHANG Zheng , FU Ji-lin
(Petro-Cyber Works Information Technology Co Ltd,Shanghai 200040,China)
Abstract: In order to accurately and quickly determine
the coking degree and predict coking trend in
the furnace of residual oil hydrogenation unit, the
quantitative index of coking (N) was designed according
to energy transfer, which was the internal
heat transfer coefficient without coking divided by the
internal heat transfer coefficient with coking under
the same operation condition. The prediction model
for N was established by Aspen HYSYS software. The
model was confirmed by production data from a 3 Mt
a residual oil hydrogenation unit. The results showed
that the calculated N value and its trend of change
was consistent with the actual condition, and the
Person correlation coefficient met the exclusivity requirement.
The established coking quantitative prediction
model had good accuracy. The average selfchecking
relative error between the actual N value
and its regression value during the same period in
history was 3.15%. During next 4 months period of
tracking production and operation of the unit, the
overall trend of the predicted N value was basically
consistent with the actual N value, with the average
relative prediction error of 3.90%.
Key words: residual oil hydrogenation unit ;furnace
tube; coking ;quantitative characterization ; prediction

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