高溫加熱爐柔性熱電偶穩(wěn)定性分析

摘要:柔性熱電偶測(cè)溫是加熱爐等高溫設(shè)備運(yùn)行工況的主要監(jiān)控方式,完好性和正確性是熱電偶的重要性能指標(biāo),關(guān)系到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該文分析了引起加熱爐測(cè)溫的柔性熱電偶故障原因,提出了升級(jí)材質(zhì)、增加保護(hù)套管及改進(jìn)安裝方式的預(yù)防措施,并對(duì)改進(jìn)后效果進(jìn)行跟蹤分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明,該改進(jìn)措施有效，可為同類(lèi)工況熱電偶安裝提供參考與借鑒。
0引言
　　溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部件,能感受物體溫度變化并轉(zhuǎn)化為4~20mA模擬電信號(hào)輸出的電子元件,根據(jù)測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式。按照傳感器材質(zhì)和電子元件特性分為熱電阻和熱電偶2大類(lèi)。熱電阻一般用于測(cè)量低溫物體,而熱電偶一般測(cè)量高溫高壓物體,熱電偶時(shí)間常數(shù)是衡量熱電偶動(dòng)態(tài)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),其值越小，越能及時(shí)反映周?chē)h(huán)境溫度的變化。筆者單位甲醇制丙烯裝置°2(簡(jiǎn)稱(chēng)MTP裝置)原料氣加熱爐FH-260124用于給MTP反應(yīng)器提供溫度為460℃、壓力為0.89MPa的熱物料,確保單級(jí)絕熱固定床反應(yīng)器恒溫恒壓反應(yīng),提高丙烯收率。為此,加熱爐對(duì)流段和輻射段溫度是非常關(guān)鍵的參數(shù)。溫度測(cè)量關(guān)乎加熱爐和反應(yīng)器安全穩(wěn)定運(yùn)行,否則高溫可能會(huì)引發(fā)設(shè)備損壞造成不必要的事故。
1原料氣加熱爐工藝流程
　　原料氣加熱爐的加熱升溫設(shè)備,其負(fù)荷大小通過(guò)調(diào)節(jié)天然氣進(jìn)氣量和主燒嘴開(kāi)度及數(shù)量,將加熱爐出口溫度控制在440~460℃,保證MTP反應(yīng)器--級(jí)床層人口溫度在460℃左右,MTP反應(yīng)器各床層溫度穩(wěn)定使得催化劑活性達(dá)到最佳,活性較高時(shí),人口溫度可適當(dāng)調(diào)低,活性較低時(shí)，溫度則應(yīng)相應(yīng)提高。由圖1原料氣加熱爐工藝流程可知,來(lái)自界區(qū)外的甲醇緩存在離子交換器,在氧化鋁基催化劑作用下在二甲醚反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)DME反應(yīng)器)中生成二甲醚。DME反應(yīng)器出口產(chǎn)物分為3路,第1路熱DME經(jīng)原料氣加熱爐對(duì)流段過(guò)熱的工藝蒸汽混合,混合物料加熱至460℃后從頂部進(jìn)人MTP反應(yīng)器(R-260151AB/C)第1床層。第2路熱DME氣體從側(cè)線(xiàn)進(jìn)人MTP反應(yīng)器的第2~第6床層。第3路熱DME物料首先通過(guò)DME反應(yīng)器流出物冷卻器經(jīng)循環(huán)烴冷卻至260C,然后進(jìn)一步在工藝水預(yù)熱器中經(jīng)工藝水冷卻至180℃,最后進(jìn)人DME分離罐(D-260112)后分離出氣液兩相物進(jìn)人反應(yīng)器側(cè)線(xiàn)。由工藝流程可知,原料氣加熱爐FH-260124是MTP反應(yīng)器物料反應(yīng)調(diào)溫的核心設(shè)備,具有十分重要的作用
 
2柔性熱電偶故障現(xiàn)象及原因分析
2.1柔性熱電偶故障現(xiàn)象
　　原料氣加熱爐對(duì)流段和輻射段共計(jì)安裝柔性熱電偶37支,自2014年9月裝置開(kāi)車(chē)以來(lái)多次出現(xiàn)測(cè)量值超量程現(xiàn)象(量程為0~800℃),通過(guò)更換不同制造商提供的熱電偶,并未有效解決其頻繁故障問(wèn)題,圖2為2021年11月加熱爐停運(yùn)后對(duì)流段和輻射段溫度DCS監(jiān)控畫(huà)面示意圖,由監(jiān)控畫(huà)面可知有18支熱偶測(cè)量值高于800℃,表明該熱偶故障,圖3為輻射段溫度測(cè)量值歷史趨勢(shì)示意圖,正常測(cè)溫為530℃左右,由歷史趨勢(shì)圖可知溫度測(cè)量值波動(dòng)頻繁,說(shuō)明該溫度測(cè)點(diǎn)存在故障現(xiàn)象。
 
 
2.2柔性熱電偶基本信息
　　查閱原料氣加熱爐柔性熱電偶設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū),詳細(xì)信息如表1所示，表中2601-TT-6101/6102A-L和2601-TT-6104A-M共計(jì)37支熱電偶量程為0~800℃、K型熱電偶、插深6m、材質(zhì)316L、熱偶直徑為中6mm,故障數(shù)量18支，故障率占比48.65%,由此可知，無(wú)論熱電偶完好率還是準(zhǔn)確率都無(wú)法滿(mǎn)足化工裝置設(shè)備使用要求，為此,消除該隱患是儀表技術(shù)人員要解決的重大技術(shù)問(wèn)題
表1熱偶基本信息表

序號(hào)	位號(hào)	量程/℃	分度號(hào)	插深/mm	材質(zhì)	直徑/mm	故障數(shù)/支
1	2601-TT-6101A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	6
2	2601-TT-6102A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	10
3	2601-TT-6104A-M	0~800	K	6000	316L	Φ6	2

 
2.3柔性熱電偶故障原因分析.
　　原料氣加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由三排管徑為DN100盤(pán)管構(gòu)成,被加熱的介質(zhì)DME先后經(jīng)過(guò)加熱爐對(duì)流段和輻射段盤(pán)管最后運(yùn)輸至MTP反應(yīng)器。由于盤(pán)管受火焰直接加熱,熱電偶無(wú)法插人盤(pán)管內(nèi)直接測(cè)量其內(nèi)介質(zhì)溫度,為此采用柔性熱電偶可彎曲的優(yōu)點(diǎn)，將熱電偶芯貼在盤(pán)管外壁間接測(cè)量DME介質(zhì)溫度,柔性熱電偶安裝方式如圖4所示。用2"150#法蘭將柔性熱電偶接線(xiàn)盒和尾線(xiàn)部分固定在加熱爐爐壁,熱電偶另外一端穿人爐膛后固定于焊接在盤(pán)管外壁的集熱塊上,并用304不銹鋼扎帶通過(guò)捆扎的方式將熱偶芯固定在盤(pán)管上。
 
　　為了分析熱電偶故障原因,利用加熱爐停爐機(jī)會(huì),儀表技術(shù)人員進(jìn)入爐膛內(nèi)查看熱偶完好性,發(fā)現(xiàn)熱偶芯存在兩處斷裂現(xiàn)象,一是熱偶芯在穿過(guò)加熱爐內(nèi)壁處斷裂,二是集熱塊固定處斷裂,如圖4中紅色叉處為熱偶芯斷裂處。除了斷裂問(wèn)題外,還有一個(gè)問(wèn)題是熱偶芯表面集碳,輕輕拽拉或者擰熱電偶會(huì)導(dǎo)致熱偶芯表面開(kāi)裂無(wú)機(jī)絕緣填充物物氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)外漏。
　　綜合上述故障現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為,一是熱偶穿過(guò)爐內(nèi)壁至集熱塊固定處間距1.8m,中間沒(méi)有保護(hù)支撐物,因受熱偶芯自身重力和爐膛火焰噴射沖擊輻射和氣流作用力導(dǎo)致熱偶芯斷裂;二是由于原料氣加熱爐燃燒物為天然氣,其燃燒的主要產(chǎn)物為二氧化碳和水,此外含有少量硫化氫、二氧化硫和一-氧化碳等腐蝕性氣體,由文獻(xiàn)[7]的研究可知,因?yàn)闋t膛內(nèi)存在大量C,S和Cl等元素,熱偶芯受這些元素的腐蝕，產(chǎn)生腐蝕疲勞,促進(jìn)熱電偶開(kāi)裂,因此熱偶芯材質(zhì)316L不能滿(mǎn)足爐膛使用條件。
3柔性熱電偶升級(jí)改造
　　2019年6月，利用檢修停爐機(jī)會(huì)對(duì)原料氣加熱.爐對(duì)流段和輻射段37支柔性熱電偶更換為天津某制造商加工制造的備件。由于原料氣加熱爐運(yùn)行周期比較長(zhǎng),截止2021年11月先后共計(jì)18支熱電偶存在故障現(xiàn)象,溫度測(cè)量值超量程。針對(duì)上述熱偶缺陷,利用2021年11月停爐機(jī)會(huì)對(duì)熱偶進(jìn)行了如下改進(jìn):
(1)聯(lián)合江蘇某儀表制造商對(duì)熱偶芯材質(zhì)進(jìn)行.了升級(jí),新制造熱偶芯材質(zhì)為GH3039合金。并用便攜式光譜分析儀定性分析熱偶芯元素組成如表2所示，熱偶材料化學(xué)成分符合GB/T14992-2005執(zhí)行規(guī)范對(duì)GH3039的要求
 
(2)熱電偶安裝前采用著色探傷的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)熱偶芯及其與法蘭連接處進(jìn)行檢查,確認(rèn)焊接口及熱偶芯表面無(wú)開(kāi)口、裂紋等缺陷。
(3)熱電勢(shì)測(cè)試法。熱電偶安裝前采用不同溫度的水,用萬(wàn)用表mV檔分別在20℃,50℃和100℃三個(gè)點(diǎn)測(cè)量被測(cè)熱偶芯的熱電勢(shì),并和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢(shì)比較,記錄它們的差值,允差等級(jí)滿(mǎn)足工況要求。
(4)改進(jìn)熱電偶的安裝方式。由于受腐蝕和熱偶芯自身重力等因素影響,采用符合ASTMG93A級(jí)和CGA4.1標(biāo)準(zhǔn)的管徑為φ12mm套管作為熱偶芯保護(hù)套管,并將原來(lái)的集熱塊改進(jìn)為圓弧半徑可調(diào)式對(duì)稱(chēng)固定卡具，實(shí)現(xiàn)熱偶芯受火部位全方位保護(hù),如圖5所示。
 
4改造后實(shí)施效果
　　利用2021年11月MTP裝置檢修機(jī)會(huì),對(duì)原料氣加熱爐對(duì)流段和輻射段共計(jì)37支柔性熱電偶全部進(jìn)行材質(zhì)升級(jí)和安裝方式改進(jìn),更換完成上述改造后的柔性熱偶芯。熱電偶安裝過(guò)程較原來(lái)最大區(qū)別是新增不銹鋼套管作為熱偶芯保護(hù)套管，并對(duì)盤(pán)管處熱偶芯的集熱塊進(jìn)行升級(jí)改造,改造為圓弧半徑可調(diào)式對(duì)稱(chēng)卡具,其主要作用對(duì)貼在盤(pán)管表面的熱偶芯進(jìn)行固定保護(hù),增大熱偶芯保護(hù)部位防止由于受自身重力斷裂。改造后由于保護(hù)套管和可調(diào)式固定卡具對(duì)熱偶芯的全部防護(hù),熱偶芯安裝穩(wěn)固、抗腐蝕能力強(qiáng),預(yù)防火焰噴射抗沖擊力增強(qiáng)。自改造實(shí)施以來(lái),原料氣加熱爐運(yùn)行至今柔性熱電偶運(yùn)行良好,測(cè)量值正確穩(wěn)定無(wú)波的,未出現(xiàn)開(kāi)路超量程等故障現(xiàn)象,圖6所示為熱偶改造后的溫度監(jiān)控畫(huà)面,消除了原料氣加熱爐因熱偶芯故障失去監(jiān)控可能超溫的安全隱患,為MTP裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。
 
5結(jié)語(yǔ)
　　原料氣加熱爐本體溫度是監(jiān)測(cè)加熱爐燃燒過(guò)程.的關(guān)鍵參數(shù),針對(duì)柔性熱電偶頻繁故障問(wèn)題進(jìn)行了分析,提出了升級(jí)熱電偶材料.增加保護(hù)套管及改進(jìn)安裝方式的優(yōu)化方案,解決了熱偶芯因受自身重力和爐膛火焰噴射沖擊力的影響導(dǎo)致斷裂的問(wèn)題,同時(shí),提升了熱電偶抗腐蝕能力,從而達(dá)到保護(hù)熱電偶的目的。工業(yè)應(yīng)用表明方案可行,可為同行業(yè)、同工況高溫設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)提供借鑒和指導(dǎo)。