多點(diǎn)鎧裝熱電偶在加氫反應器床層測溫中應用

摘要:隨著(zhù)加氫裝置大型化的發(fā)展及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高,對反應器床層溫度的測量和控制提出更高的要求。針對此種情況,分析了加氫反應器床層溫度測量的重要性和測量特點(diǎn),對比并分析了幾種熱電偶在測量反應器床層溫度中的應用,著(zhù)重介紹了多點(diǎn)鎧裝熱電偶的優(yōu)點(diǎn)、結構、分類(lèi)及工程應用需要注意的方面。多點(diǎn)鎧裝熱電偶測量點(diǎn)數多、響應快、安全可靠、安裝靈活的特點(diǎn)為全面地反映反應器的溫度提供了好的選擇，并在實(shí)際應用中取得良好的效果。
1引言
       在固定床加氫裝置中,反應物流從反應器頂部進(jìn)入,在催化劑的作用下物料間發(fā)生化學(xué)反應,放出熱量,因此沿反應器軸向存在催化劑床層溫升。當催化劑床層入口分配器設計不好、催化劑部分床層結構損壞有大的工藝條件變動(dòng)等情況下,床層的某一橫斷面_上不同位置的溫度也有可能不同,即催化劑床層徑向溫升。當反應溫升過(guò)高而不加以控制時(shí),可能導致如下后果:
a)反應器內形成高溫反應區。反應物流在高溫區內激烈反應,放出更多的反應熱,使反應溫度更高,如此惡性循環(huán),可能損壞催化劑,甚至可能引起催化劑床層“飛溫”,引發(fā)事故。
b)催化劑隨著(zhù)運轉時(shí)間的推移逐漸失活。當提高反應溫度加以彌補時(shí),將使靠近反應器下部高溫區的催化劑過(guò)早地達到設計的操作溫度,而被迫停工。而處于反應器上部低溫區的催化劑仍有較高的活性,沒(méi)有得到利用,因而影響裝置經(jīng)濟效益。
c)對產(chǎn)品質(zhì)量和選擇性不利。在加氫處理反應中,當反應溫度提高到某一數值后,平衡轉化率下降,使脫氮率、芳烴飽和率下降，產(chǎn)品質(zhì)量下降。在加氫裂化反應中，過(guò)高的反應溫度會(huì )加速二次裂解反應,導致餾分選擇性下降，氣體產(chǎn)量增加
       因此對反應器的軸向溫度和徑向溫度都要進(jìn)行檢測,測溫點(diǎn)數分布越均勻、越詳細越能全面地反映，反應器內床層溫度的變化。
2反應溫度的控制方案
       反應溫升主要通過(guò)催化劑床層間注入的冷氫量進(jìn)行控制,把催化劑床層分成幾段,控制每段入口溫度,就會(huì )控制好每段出口溫度,這樣最后一段入口溫度達到給定值,出口溫度就能滿(mǎn)足要求。盡量保持各段催化劑床層的入口溫度相同,每段床層溫升不大于10~20℃(根據工藝過(guò)程確定),保證反應器的正常運行。為保證反應器床層溫度控制的平穩可靠,溫度控制方式為切換方式操作。正常操作時(shí)采用床層入口處熱電偶平均溫度值或選較高溫度值進(jìn)行控制。
3床層溫度測量點(diǎn)的設置
       測量反應器床層的溫度是控制的關(guān)鍵。由于反應器既存在軸向溫差又存在徑向溫差，為了全面地反映反應器的溫度變化,同一高度床層測溫點(diǎn)平均分布,按設備直徑大小及工藝要求，一般反應器床層入口為3~4點(diǎn)或6~10點(diǎn),出口為6~10點(diǎn)或12~24點(diǎn),測溫點(diǎn)越多反應的床層溫度越全面。測量熱電偶在每個(gè)催化劑床層按.上下兩層或.上中下三層設置。通過(guò)測量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，了解床層中反應的程度。通過(guò)觀(guān)察在同一高度但不同圓周方位的床層溫度,了解反應物流分布均勻程度。反應器物流分布不均可通過(guò)觀(guān)察反應器同一截面溫差來(lái)判別。
4床層溫度測量熱電偶形式比較
       反應器床層溫度的測量形式多樣,如圖1所示。按安裝方式分為徑向安裝和軸向安裝;按熱電偶形式分為單點(diǎn)電偶和多點(diǎn)電偶。多點(diǎn)電偶安裝方式有溫度套管安裝和直接安裝。

a)單點(diǎn)熱電偶徑向安裝。單支懸臂式鎧裝熱電偶橫向插入設備內的承壓保護套管中,測量床層直徑15%~30%處溫度。如圖2所示。結構簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,安裝固定方便,但每個(gè)測溫點(diǎn)都要在反應器_上設置開(kāi)口,設備開(kāi)口多,泄漏點(diǎn)也相應增加。懸臂結構在催化劑下沉或裝卸催化劑的時(shí)候，由于作用于熱電偶的保護套管的壓力很大,保護套管容易彎曲或斷裂。此種方式無(wú)法測量靠近反應器中間部位的溫度。為防止承壓保護套管破裂時(shí)泄露,熱電偶連接可帶滿(mǎn)足承壓要求的卡套接頭:--端1/2"NPT(M)(1in=25.4mm)，另一端6mm卡套。1/2'NPT(M)側與設備法蘭蓋上的1/2"NPT螺紋相連接密封,熱電偶鎧套從φ6mm側插入反應器。

b)帶套管多點(diǎn)熱電偶軸向安裝。反應器頂端設有測溫元件的安裝法蘭接口,熱電偶從反應器頂端豎直插入至底部。熱電偶的保護套管比較長(cháng),套管內的3~5支熱電偶分別測量不同高度的床層溫度。熱電偶安裝、固定、維護都比較困難。裝卸催化劑的時(shí)候也要特別注意。特點(diǎn)是設備開(kāi)口少,一般只開(kāi)3~4個(gè)熱電偶嘴子,因此泄漏點(diǎn)少。而且設備頂部封頭的壁厚比筒體的壁厚相對薄些,因此焊接和開(kāi)口相對容易。由于反應器頂部空間有限，每個(gè)床層一般只能測量3~4個(gè)點(diǎn)的溫度。此種方式多見(jiàn)于只有一個(gè)床層的反應器,反應器內構件不多,熱電偶套管安裝也相對簡(jiǎn)單。
c)專(zhuān)用套管多點(diǎn)熱電偶徑向安裝。反應器設置專(zhuān)用于熱電偶的保護套管,跨越整個(gè)反應器的截面,-端固定,另一端有支架或吊架,有一定的靈活度。特點(diǎn)是設備開(kāi)口相對較少,般-一個(gè)測溫層面只開(kāi)一個(gè)開(kāi)口,泄漏點(diǎn)少,由于另--端有支架或吊架支撐,因此克服剪應力有一定優(yōu)勢。但熱電偶的套管橫穿反應器中心,此種結構對于催化劑的裝卸會(huì )造成一-定難度,也會(huì )對人員在反應器內操作形成障礙。每個(gè)床層-般只能測量3~4個(gè)點(diǎn)的溫度，如果需要測量更多部位的溫度,則要再設置-一個(gè)熱電偶的保護套管,但為了保持一定維護空間，另一套需要在垂直距離1m以上設置，這樣反應器內部的結構就會(huì )復雜。這種安裝方式的熱電偶可采用無(wú)保護式和銷(xiāo)裝式兩種。
d)多點(diǎn)鎧裝熱電偶徑向安裝方式。目前在國內外加氫裝置中開(kāi)始應用。采用多點(diǎn)鎧裝熱電偶共用法蘭方式,每套可測量至少2個(gè)點(diǎn)。由于鎧裝熱電偶可以在--定范圍內彎曲,可以按適當的路徑敷設到需要測量溫度的地方，不受外保護套管的路徑限制,同--法蘭可以通過(guò)多只熱電偶。這樣,在徑向的每個(gè)測溫處只要設-一個(gè)溫度開(kāi)口,相對泄漏點(diǎn)少，法蘭開(kāi)口處還可以設置檢測泄漏和二次封閉的措施,提高了防泄漏的安全性能。鎧裝熱電偶雖然較細,但能承受比較高的壓力,而且可以比較自由地彎曲,在反應器內的安裝和路徑分布較方便。雖然每層只開(kāi)一個(gè)口,安裝維護比較方便,但造價(jià)比較高。這種多點(diǎn)鎧裝熱電偶有單管單點(diǎn)式和單管多點(diǎn)式兩種,單管單點(diǎn)式在同--一法蘭.上裝數支為一套;單管多點(diǎn)式在同一法蘭上裝一.支或數支為一套。兩種方式都可實(shí)現多點(diǎn)測量。
       圖1高壓反應器熱電偶的形式中,a)、b).c)適用于反應器直徑不是很大,高度不高,催化劑床層不多的情況。形式a)由于結構簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜,在國內的加氫裝置中比較常用。近年來(lái)隨著(zhù)加氫裝置大型化的發(fā)展，形式d)的多點(diǎn)鎧裝熱電偶的應用逐步多起來(lái)。
5多點(diǎn)鎧裝熱電偶
5.1結構和形式
       多點(diǎn)鎧裝熱電偶是一-種可檢測多個(gè)溫度點(diǎn)的熱電偶,不需在設備內部設置加厚的承壓套管,熱電偶鎧裝護套能承受壓力,并可在一-定范圍內進(jìn)行彎曲,不會(huì )影響接頭和內部的測量元件和線(xiàn)路,因此只需要一個(gè)開(kāi)口就可以在反應器同一平面或不同平面的不同位置設置測溫點(diǎn),如圖3所示。

多點(diǎn)鎧裝熱電偶也具有不同的型式,應用較廣的主要有兩種:
a)單管單點(diǎn)方式。一套法蘭上裝有多支獨立的鎧管,每個(gè)鎧管是-支單點(diǎn)鎧裝熱電偶，分別測量各溫度點(diǎn),如圖4a)所示。典型的規格為:外徑可做到5/16"(8mm),偶絲直徑可以做到0.054"(1.37mm),鎧管厚度為0.062"(1.57mm)
b)單管多點(diǎn)方式。--套法蘭上裝有一支或多支獨立的鎧管,每個(gè)鎧管中包含不同長(cháng)度的多點(diǎn)熱電偶,可以測量同一平面或不同平面的多個(gè)溫度點(diǎn),如圖4b)所示。典型的規格為:每支鎧管有4~8點(diǎn)熱電偶,鎧管外徑可做到3/8"(9.5mm)偶絲直徑可以做到0.032"(0.81mm),鎧管厚度為0.078"(2mm)。

5.2特點(diǎn)
       測溫點(diǎn)數多,范圍廣。以往為了保證反應器內安全,一般能安裝的熱電偶套管數量有限,多了~4根,這樣測溫點(diǎn)的數量和排列都會(huì )受到很大的限制,當反應器的直徑很大時(shí),傳統的套管方式很難實(shí)現理想的測量需要。而多點(diǎn)鎧裝熱電偶可以彎曲敷設,靈活分布,測量的點(diǎn)數也比較多,每個(gè)測溫層可以達到10~32個(gè)溫度點(diǎn),可以更全面地反映反應器內部溫度?？梢詸z測反應器底部靠近出口或頂部靠近入口的溫度,給溫度測量帶來(lái)方便。
       響應時(shí)間快,測量精度高。帶有加厚套管的熱電偶對溫度的傳遞有較大的滯后。多點(diǎn)鎧裝熱電偶由于沒(méi)有加厚的套管,自身鎧管壁厚在2mm左右,熱傳導的效果要好得多,減少了溫度測量的滯后。
安全性能好。高壓、臨氫的場(chǎng)合對于安全要求很高。反應器多點(diǎn)熱電偶系統,安全問(wèn)題主要有兩種可能:熱電偶鎧管破裂;過(guò)程接口發(fā)生泄漏。大多數多點(diǎn)鎧裝熱電偶都采用二次密封技術(shù),截留可能從第一層密封逸出的氣體并泄放出去;如果第一級密封泄漏,設備還可以繼續運轉;通過(guò)壓力指示儀表可判斷第一-級密封是否完好。多點(diǎn)鎧裝熱電偶本身具有很高的耐壓性能和耐拉伸性能。
安裝靈活?？蓮姆磻黜敳炕虻撞窟M(jìn)入安裝，也可從反應器側面安裝,不需要加厚的承壓保護套管。
5.3兩種類(lèi)型的比較
       除了具有上述共同的特點(diǎn)外,兩種型式的熱電偶由于結構差別,也有各自的特點(diǎn):
a)圖4a)單管單點(diǎn)方式。每支熱電偶都是單支鎧管的設計,單支鎧管破損不會(huì )對其他點(diǎn)造成影響;每個(gè)溫度點(diǎn)熱電偶的安裝不受其他熱電偶影響,這樣為檢修停工時(shí)小范圍修改反應器溫度點(diǎn)的位置提供了可能。但由于每個(gè)測點(diǎn)都要分別固定，安裝時(shí)間長(cháng),安裝支架也比較復雜,在反應器內的分布面較大,形成--些障礙。此種熱電偶也可做成雙式,但測量點(diǎn)是一個(gè)。熱電偶采用端點(diǎn)豎直安裝形式。在安裝時(shí)端點(diǎn)需要留有50~75mm的裸露長(cháng)度以免受任何金屬安裝支架對溫度的影響。
b)圖4b)單管多點(diǎn)方式。每支鎧管中有4~11個(gè)熱電偶點(diǎn),每套法蘭可裝配多支鎧管,溫度測量點(diǎn)更多,泄漏點(diǎn)更少，配置更靈活。通過(guò)特殊加工,鎧管中間填充壓縮的氧化鎂,保證熱電偶的穩固和提高鎧管的耐壓和密封性能。這種結構安裝簡(jiǎn)單,支架和緊固件用量少,因此節省安裝時(shí)間和成本。對反應器內的空間影響小。
       以上兩種方式的多點(diǎn)鎧裝熱電偶都在國內外加氫裝置中得到了成功應用。單管單點(diǎn)的方式應用時(shí)間較長(cháng),數量稍多。單管多點(diǎn)方式結構比較新,制造技術(shù)領(lǐng)先,綜合成本比獨立鎧管要低。
5.4法蘭開(kāi)口數量的選擇
        多點(diǎn)鎧裝熱電偶測量點(diǎn)數多,安裝靈活,因此.如何設置法蘭開(kāi)口也是使用的實(shí)際問(wèn)題。如圖3a)所示,在床層中間設置-一個(gè)法蘭口,幾套熱電偶從一個(gè)法蘭口進(jìn)入,分別測量床層上部、下部的溫度,這樣的設置可以節省很多投資,但當床層高于10m的時(shí)候,在反應器里進(jìn)行豎向長(cháng)距離的熱電偶敷設會(huì )產(chǎn)生溝流。因此可以考慮床層.上部和下部分別設置法蘭開(kāi)口。
5.5安裝注意事項
        多點(diǎn)鎧裝熱電偶不需要在反應器內部提供套管,但仍需要--些安裝支架或支撐。有的多點(diǎn)熱電偶的安裝支架需要在反應器的器壁上固定或利用加氫反應器的分配盤(pán)固定,應由熱電偶供貨商提供詳細的圖紙和要求給反應器制造廠(chǎng),并在制造廠(chǎng)里完成焊接工作。有些反應器制造廠(chǎng)“不允許在反應器的器壁上進(jìn)行焊接,因此這也是熱電偶選擇和安裝需要考慮的問(wèn)題。
       多點(diǎn)熱電偶的安裝所需要的支撐一般可分為三種情況:反應器底部、床層上部、床層下部。在反應器底部時(shí),由反應器制造商將支撐件焊接在內壁上,采用一些橫梁或托架與預先焊在內壁上的支撐件相連接,用于支撐熱電偶,如圖5所示。如果內壁無(wú)法焊接,可以考慮將熱電偶的安裝支架固定在出口收集器.上,位置盡量與測溫點(diǎn)水平。在反應器床層下部時(shí),位置盡量要靠近塔盤(pán),由反應器制造商將基本安裝支撐件焊接在反應器塔盤(pán)的支撐橫梁上,采用螺栓連接的支撐件,將熱電偶支撐在橫梁的上方。反應器床層上部,由反應器制造商將支撐件焊接在反應器橫梁下,采用一些吊架,將熱電偶吊在橫梁的下方。

       支撐件分兩種:和反應器內壁及橫梁焊接的支撐件,需要焊接;螺栓連接的安裝熱電偶的支撐件。
       熱電偶的安裝是在所有反應器內件安裝完畢、裝填催化劑前要完成的最后-道工序,應該提前為安裝熱電偶準備好梯子平臺、照明和通風(fēng)等必要的安裝條件。
6選擇床層溫度測量熱電偶的因素
       反應器床層溫度測量?jì)x表的選擇需要考慮適用性。根據裝置情況，,選擇既能滿(mǎn)足裝置安全生產(chǎn)需要,經(jīng)濟成本又的方案。如加氫處理反應不如加氫裂化劇烈,溫升也不如加氫裂化快,溫度控制要求也更寬泛些,對于加氫處理選擇圖1la)單點(diǎn)熱電偶徑向安裝也能達到控制要求。根據工藝情況和要求也可以采用幾種方式的熱電偶混合使用的方式。比如每個(gè)床層的底部是反應最劇烈的地方,溫度也上升最快,直接關(guān)系到裝置的安全,因此所測溫度參與裝置的聯(lián)鎖,溫度一-旦超出高限就報警聯(lián)鎖。此處可使用圖1d)多點(diǎn)鎧裝熱電偶,測量這一-平面6~24個(gè)點(diǎn)的溫度,可比較全面地反應溫度的變化。每個(gè)床層的上部即入口處,反應不是很劇烈,此處溫度一般用于控制注入冷氫的流量，可采用圖1a)或c)的方式,測量3~4點(diǎn)的溫度。這樣既節省了投資,又可以達到控制要求。
7結束語(yǔ)
       多點(diǎn)鎧裝熱電偶已經(jīng)在國內外的煉化裝置中得到了應用,取得了好的應用效果,其測量點(diǎn)數多、響應快、安全可靠、靈活的特點(diǎn)為全面地反映反應器的溫度提供了好的選擇。