石油化工加氫反應(yīng)器溫度檢測(cè)工程設(shè)計(jì)

林洪俊，邱學(xué)

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

加氫工藝是近年來大量采用的重要的石油化工加工工藝，加氫反應(yīng)器是加氫工藝裝置中的核心工藝設(shè)備，保證反應(yīng)器的安全、高效及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的溫度，有以下幾個(gè)目的：

1)保證工藝條件。加氫反應(yīng)在一定溫度下進(jìn)行，溫度是影響反應(yīng)深度的重要參數(shù)，同一催化劑床層的徑向溫差和不同催化劑床層間的溫度梯度應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控。

2)保護(hù)催化劑。加氫反應(yīng)所用催化劑是加氫工藝的基礎(chǔ)，價(jià)值貴重。催化劑對(duì)工藝條件有嚴(yán)格的要求，尤其是反應(yīng)溫度，超過規(guī)定值會(huì)造成催化劑降效、失效，工藝裝置被迫停車更換，影響生產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，需要對(duì)反應(yīng)溫度嚴(yán)格監(jiān)控。

3)保護(hù)反應(yīng)器。反應(yīng)器制造難度大，價(jià)值昂貴。加氫反應(yīng)工作溫度高，壓力高，介質(zhì)氫氣、油氣爆炸等級(jí)高，且對(duì)金屬有強(qiáng)氫腐蝕。嚴(yán)苛的工藝條件對(duì)反應(yīng)器影響較大，運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)高。作為核心設(shè)備，為保證反應(yīng)器長(zhǎng)周期運(yùn)行，使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)值，必須對(duì)反應(yīng)條件嚴(yán)格監(jiān)控，防止超限。尤其是反應(yīng)溫度，因加氫工藝為放熱反應(yīng)，極易飛溫，操控難度大，所以需要特別監(jiān)控。

加氫工藝種類繁多，可供選擇的溫度測(cè)量方案也眾多。目前許多工程對(duì)工藝條件不加區(qū)分，選擇的測(cè)量方案不經(jīng)濟(jì)，造成浪費(fèi)，給后續(xù)維護(hù)、檢修、標(biāo)定都帶來困難。筆者認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)具體工藝，在滿足上述目的的前提下，采用最經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)的原則選擇測(cè)量方案。本文根據(jù)筆者多年的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分享對(duì)加氫反應(yīng)器溫度測(cè)量方案選擇的經(jīng)驗(yàn)，以供參考。

1 總體方案

溫度測(cè)量分為內(nèi)部溫度檢測(cè)和外表面溫度檢測(cè)。內(nèi)部溫度檢測(cè)主要反映工藝介質(zhì)溫度及工藝過程的運(yùn)行狀態(tài)，反映反應(yīng)器設(shè)備的工作條件。內(nèi)部溫度檢測(cè)包括反應(yīng)器豎向溫度分布和徑向分布，豎向溫度分布反映反應(yīng)過程，徑向溫度分布反映器內(nèi)是否出現(xiàn)溝流。器壁外表面溫度檢測(cè)反映反應(yīng)器設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)。

2 內(nèi)部溫度檢測(cè)

反應(yīng)器內(nèi)部溫度檢測(cè)常采用柔性熱電偶、T型梁熱電偶、彈壁式熱電偶、套管內(nèi)安裝熱電偶、普通熱電偶直插測(cè)溫等方式，以下分別介紹其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 柔性熱電偶

柔性熱電偶結(jié)構(gòu)如圖1所示。柔性熱電偶的鎧管可彎曲，測(cè)量端可以固定在指定位置。優(yōu)點(diǎn)： 可測(cè)量多點(diǎn)溫度，測(cè)點(diǎn)可以環(huán)形布置，測(cè)點(diǎn)位置真實(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確，靈敏度高；缺點(diǎn)： 價(jià)格高，易受上方重力作用而損壞，換催化劑時(shí)易損壞，鎧管破裂后易造成滲氫，維修難，標(biāo)定難。

圖1 柔性熱電偶結(jié)構(gòu)示意

柔性熱電偶選型與安裝設(shè)計(jì)建議：

1)柔性熱電偶適用于工藝要求檢測(cè)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的工況。

2)柔性熱電偶有兩道密封，即一次密封和二次密封。

a)密封形式常見的有焊接密封和卡套密封，卡套密封與焊接密封相比的優(yōu)勢(shì)是鎧管損壞后能單獨(dú)更換，可拆解安裝，且安裝方便。

b)一次密封的位置常見的有內(nèi)焊和外焊，如圖1所示。

c)二次密封的位置如圖1所示，二次密封腔上須安裝就地壓力表或遠(yuǎn)傳壓力變送器，通過測(cè)量二次密封腔內(nèi)的壓力來檢測(cè)一次密封是否發(fā)生泄漏或者鎧管是否發(fā)生損壞。

3)柔性熱電偶的鎧管按照制造工藝分為單管單點(diǎn)和單管多點(diǎn)。單管單點(diǎn)是將一對(duì)偶絲和氧化鎂裝填在1根鎧管內(nèi)，鎧管外徑一般為8 mm，壁厚一般為1.48 mm；單管多點(diǎn)是將多對(duì)偶絲和氧化鎂裝填在1根鎧管內(nèi)，常見的有4對(duì)偶絲和9對(duì)偶絲，鎧管外徑一般為9.5 mm和12.7 mm，壁厚一般為1.8 mm。

4)柔性熱電偶在反應(yīng)器內(nèi)需要用安裝支架固定在指定位置。安裝支架通常由熱電偶供貨商設(shè)計(jì)并成套供貨。

5)絕緣電阻要求。常溫絕緣電阻試驗(yàn)溫度為(20±15)℃時(shí)，阻值大于等于1 000 MΩ；高溫絕緣電阻試驗(yàn)溫度為(500±15)℃時(shí)，阻值大于等于5 MΩ。

6)精度要求。滿足IEC 60584-2 class 1要求，即溫度范圍在-40～375 ℃時(shí)，精度為±1.5 ℃；溫度范圍在375～1 000 ℃時(shí)，精度為±0.4%。

7)柔性熱電偶應(yīng)在出廠前標(biāo)定。

柔性熱電偶長(zhǎng)期以來被國(guó)外品牌壟斷，近些年通過國(guó)內(nèi)制造商的攻關(guān)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

2.2 T型梁熱電偶

T型梁熱電偶結(jié)構(gòu)如圖2所示。T型梁熱電偶采用T型鋼梁作為整個(gè)熱電偶的支撐部件。T型鋼梁一端焊接在熱電偶法蘭內(nèi)面上，另一端固定在反應(yīng)器內(nèi)壁的預(yù)制平臺(tái)上。優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)點(diǎn)位置真實(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確，靈敏度高，自帶支撐部件，安裝簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)： 測(cè)量點(diǎn)較少，測(cè)點(diǎn)只能線性布置，價(jià)格高，維修難，標(biāo)定難。

圖2 T型梁熱電偶結(jié)構(gòu)示意

T型梁熱電偶選型與安裝設(shè)計(jì)建議：

1)T型梁熱電偶適用于測(cè)量點(diǎn)較少的工況，常見的有三點(diǎn)T型梁熱電偶。

2)T型梁熱電偶有兩道密封，即一次密封和二次密封，如圖2所示，一次密封為套管與法蘭內(nèi)面的焊接，二次密封為卡套接頭與法蘭外面的密封焊接。二次密封卡套接頭須設(shè)計(jì)為承壓結(jié)構(gòu)，以防止套管破裂造成套管內(nèi)帶壓將鎧管彈出。

3)T型梁熱電偶只需要在反應(yīng)器內(nèi)壁預(yù)制平臺(tái)，不需要其他支撐部件。

4)T型梁熱電偶的精度要求、絕緣電阻要求及標(biāo)定要求和柔性熱電偶相同。

目前，T型梁熱電偶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

2.3 彈壁式熱電偶

彈壁式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖3所示。彈壁式熱電偶測(cè)量端安裝一個(gè)彈簧，并用塑料圈固定，當(dāng)熱電偶安裝完畢后，在開工過程中，隨著反應(yīng)溫度的逐漸升高，塑料圈融化，彈簧釋放，使熱電偶測(cè)量端緊貼在套管內(nèi)壁上。優(yōu)點(diǎn)： 熱電偶不接觸介質(zhì)，不承壓，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低，維修簡(jiǎn)單，標(biāo)定簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)： 測(cè)量點(diǎn)較少，溫度反應(yīng)滯后；套管內(nèi)部空間大，不能準(zhǔn)確反應(yīng)測(cè)點(diǎn)的真實(shí)溫度。

圖3 彈壁式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

彈壁式熱電偶均為國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。

2.4 套管內(nèi)安裝的熱電偶

約15年前，對(duì)反應(yīng)器徑向多點(diǎn)測(cè)溫多采用套管內(nèi)安裝熱電偶測(cè)溫的方法，與彈壁式熱電偶類似。反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)在徑向設(shè)計(jì)1根套管，根據(jù)測(cè)溫點(diǎn)位置，在每根套管內(nèi)插入不同插深的鎧裝熱電偶，由于熱電偶測(cè)量端不能與套管內(nèi)壁緊密接觸，溫度滯后大；金屬套管壁厚、傳熱慢，且套管自均溫快；套管直徑大，管內(nèi)熱交換較充分，因此該測(cè)溫方式遠(yuǎn)不能真實(shí)測(cè)量測(cè)溫點(diǎn)的溫度。目前該測(cè)溫方式已經(jīng)淘汰，不再建議使用。

2.5 直插測(cè)溫的普通熱電偶

由于熱電偶在反應(yīng)器內(nèi)要承受來自上部的重力，容易導(dǎo)致保護(hù)管彎曲、斷裂、泄漏，偶絲斷掉失效，因此一般不采用普通熱電偶直接插入反應(yīng)器測(cè)溫的方式。但是對(duì)于直徑特別小的反應(yīng)器，徑向溫度分布均勻，測(cè)溫需求點(diǎn)少，熱電偶插深短，可以使用該測(cè)量方式。而且該測(cè)溫方式造價(jià)低、維修簡(jiǎn)單、標(biāo)定方便。

3 反應(yīng)器外表面溫度檢測(cè)

反應(yīng)器外表面溫度檢測(cè)采用表面熱電偶，常用的結(jié)構(gòu)形式包括螺栓連接墊圈式、套筒式、磁性自吸附式。螺栓連接墊圈的安裝方式需要預(yù)先在反應(yīng)器外表面設(shè)計(jì)墊板和螺栓；套筒安裝式則需要預(yù)先在反應(yīng)器外表面設(shè)計(jì)套筒；磁性自吸附式無需在反應(yīng)器外表面安裝任何部件，但是要求反應(yīng)器表面材質(zhì)為鐵素體。上述方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，筆者的使用經(jīng)驗(yàn)和建議如下： 對(duì)于外表面測(cè)溫要求可靠、準(zhǔn)確的場(chǎng)合，宜采用如圖4的螺栓連接墊圈安裝方式；圖5中套筒式安裝方式加工、施工難度大，難以保證緊密安裝、準(zhǔn)確測(cè)量，要謹(jǐn)慎選用；磁性自吸附式安裝方式雖然安全簡(jiǎn)單，但易移動(dòng)、脫落，可靠性低，適用于在役裝置需要新增外表面溫度測(cè)量而又不能焊接施工，且對(duì)可靠性要求不嚴(yán)苛的場(chǎng)合。

圖4 螺栓連接墊圈安裝方式表面熱電偶示意

圖5 套筒安裝方式表面熱電偶示意

4 結(jié)束語

加氫反應(yīng)器溫度測(cè)量非常重要，但是溫度測(cè)量方案要慎重選擇。應(yīng)綜合評(píng)估，在滿足工藝要求的前提下，優(yōu)先選擇造價(jià)低、維修方便、校驗(yàn)方便、使用壽命長(zhǎng)的測(cè)量方案。