多點(diǎn)鎧裝熱電偶在加氫反應(yīng)器床層測(cè)溫中應(yīng)用

摘要:隨著加氫裝置大型化的發(fā)展及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高,對(duì)反應(yīng)器床層溫度的測(cè)量和控制提出更高的要求。針對(duì)此種情況,分析了加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量的重要性和測(cè)量特點(diǎn),對(duì)比并分析了幾種熱電偶在測(cè)量反應(yīng)器床層溫度中的應(yīng)用,著重介紹了多點(diǎn)鎧裝熱電偶的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、分類及工程應(yīng)用需要注意的方面。多點(diǎn)鎧裝熱電偶測(cè)量點(diǎn)數(shù)多、響應(yīng)快、安全可靠、安裝靈活的特點(diǎn)為全面地反映反應(yīng)器的溫度提供了好的選擇，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。
1引言
       在固定床加氫裝置中,反應(yīng)物流從反應(yīng)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(yīng),放出熱量,因此沿反應(yīng)器軸向存在催化劑床層溫升。當(dāng)催化劑床層入口分配器設(shè)計(jì)不好、催化劑部分床層結(jié)構(gòu)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(dāng)反應(yīng)溫升過高而不加以控制時(shí),可能導(dǎo)致如下后果:
a)反應(yīng)器內(nèi)形成高溫反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)物流在高溫區(qū)內(nèi)激烈反應(yīng),放出更多的反應(yīng)熱,使反應(yīng)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)催化劑隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的推移逐漸失活。當(dāng)提高反應(yīng)溫度加以彌補(bǔ)時(shí),將使靠近反應(yīng)器下部高溫區(qū)的催化劑過早地達(dá)到設(shè)計(jì)的操作溫度,而被迫停工。而處于反應(yīng)器上部低溫區(qū)的催化劑仍有較高的活性,沒有得到利用,因而影響裝置經(jīng)濟(jì)效益。
c)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和選擇性不利。在加氫處理反應(yīng)中,當(dāng)反應(yīng)溫度提高到某一數(shù)值后,平衡轉(zhuǎn)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(yīng)中，過高的反應(yīng)溫度會(huì)加速二次裂解反應(yīng),導(dǎo)致餾分選擇性下降，氣體產(chǎn)量增加
       因此對(duì)反應(yīng)器的軸向溫度和徑向溫度都要進(jìn)行檢測(cè),測(cè)溫點(diǎn)數(shù)分布越均勻、越詳細(xì)越能全面地反映，反應(yīng)器內(nèi)床層溫度的變化。
2反應(yīng)溫度的控制方案
       反應(yīng)溫升主要通過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(dá)到給定值,出口溫度就能滿足要求。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(jù)工藝過程確定),保證反應(yīng)器的正常運(yùn)行。為保證反應(yīng)器床層溫度控制的平穩(wěn)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(cè)量點(diǎn)的設(shè)置
       測(cè)量反應(yīng)器床層的溫度是控制的關(guān)鍵。由于反應(yīng)器既存在軸向溫差又存在徑向溫差，為了全面地反映反應(yīng)器的溫度變化,同一高度床層測(cè)溫點(diǎn)平均分布,按設(shè)備直徑大小及工藝要求，一般反應(yīng)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(cè)溫點(diǎn)越多反應(yīng)的床層溫度越全面。測(cè)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(shè)置。通過測(cè)量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，了解床層中反應(yīng)的程度。通過觀察在同一高度但不同圓周方位的床層溫度,了解反應(yīng)物流分布均勻程度。反應(yīng)器物流分布不均可通過觀察反應(yīng)器同一截面溫差來判別。
4床層溫度測(cè)量熱電偶形式比較
       反應(yīng)器床層溫度的測(cè)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(shè)備內(nèi)的承壓保護(hù)套管中,測(cè)量床層直徑15%~30%處溫度。如圖2所示。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,安裝固定方便,但每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)都要在反應(yīng)器_上設(shè)置開口,設(shè)備開口多,泄漏點(diǎn)也相應(yīng)增加。懸臂結(jié)構(gòu)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(hù)套管的壓力很大,保護(hù)套管容易彎曲或斷裂。此種方式無法測(cè)量靠近反應(yīng)器中間部位的溫度。為防止承壓保護(hù)套管破裂時(shí)泄露,熱電偶連接可帶滿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(cè)與設(shè)備法蘭蓋上的1/2"NPT螺紋相連接密封,熱電偶鎧套從φ6mm側(cè)插入反應(yīng)器。

b)帶套管多點(diǎn)熱電偶軸向安裝。反應(yīng)器頂端設(shè)有測(cè)溫元件的安裝法蘭接口,熱電偶從反應(yīng)器頂端豎直插入至底部。熱電偶的保護(hù)套管比較長(zhǎng),套管內(nèi)的3~5支熱電偶分別測(cè)量不同高度的床層溫度。熱電偶安裝、固定、維護(hù)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(shè)備開口少,一般只開3~4個(gè)熱電偶嘴子,因此泄漏點(diǎn)少。而且設(shè)備頂部封頭的壁厚比筒體的壁厚相對(duì)薄些,因此焊接和開口相對(duì)容易。由于反應(yīng)器頂部空間有限，每個(gè)床層一般只能測(cè)量3~4個(gè)點(diǎn)的溫度。此種方式多見于只有一個(gè)床層的反應(yīng)器,反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件不多,熱電偶套管安裝也相對(duì)簡(jiǎn)單。
c)專用套管多點(diǎn)熱電偶徑向安裝。反應(yīng)器設(shè)置專用于熱電偶的保護(hù)套管,跨越整個(gè)反應(yīng)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(shè)備開口相對(duì)較少,般-一個(gè)測(cè)溫層面只開一個(gè)開口,泄漏點(diǎn)少,由于另--端有支架或吊架支撐,因此克服剪應(yīng)力有一定優(yōu)勢(shì)。但熱電偶的套管橫穿反應(yīng)器中心,此種結(jié)構(gòu)對(duì)于催化劑的裝卸會(huì)造成一-定難度,也會(huì)對(duì)人員在反應(yīng)器內(nèi)操作形成障礙。每個(gè)床層-般只能測(cè)量3~4個(gè)點(diǎn)的溫度，如果需要測(cè)量更多部位的溫度,則要再設(shè)置-一個(gè)熱電偶的保護(hù)套管,但為了保持一定維護(hù)空間，另一套需要在垂直距離1m以上設(shè)置，這樣反應(yīng)器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)就會(huì)復(fù)雜。這種安裝方式的熱電偶可采用無保護(hù)式和銷裝式兩種。
d)多點(diǎn)鎧裝熱電偶徑向安裝方式。目前在國(guó)內(nèi)外加氫裝置中開始應(yīng)用。采用多點(diǎn)鎧裝熱電偶共用法蘭方式,每套可測(cè)量至少2個(gè)點(diǎn)。由于鎧裝熱電偶可以在--定范圍內(nèi)彎曲,可以按適當(dāng)?shù)穆窂椒笤O(shè)到需要測(cè)量溫度的地方，不受外保護(hù)套管的路徑限制,同--法蘭可以通過多只熱電偶。這樣,在徑向的每個(gè)測(cè)溫處只要設(shè)-一個(gè)溫度開口,相對(duì)泄漏點(diǎn)少，法蘭開口處還可以設(shè)置檢測(cè)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(xì),但能承受比較高的壓力,而且可以比較自由地彎曲,在反應(yīng)器內(nèi)的安裝和路徑分布較方便。雖然每層只開一個(gè)口,安裝維護(hù)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(shù)支為一套;單管多點(diǎn)式在同一法蘭上裝一.支或數(shù)支為一套。兩種方式都可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。
       圖1高壓反應(yīng)器熱電偶的形式中,a)、b).c)適用于反應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)便宜,在國(guó)內(nèi)的加氫裝置中比較常用。近年來隨著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(yīng)用逐步多起來。
5多點(diǎn)鎧裝熱電偶
5.1結(jié)構(gòu)和形式
       多點(diǎn)鎧裝熱電偶是一-種可檢測(cè)多個(gè)溫度點(diǎn)的熱電偶,不需在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置加厚的承壓套管,熱電偶鎧裝護(hù)套能承受壓力,并可在一-定范圍內(nèi)進(jìn)行彎曲,不會(huì)影響接頭和內(nèi)部的測(cè)量元件和線路,因此只需要一個(gè)開口就可以在反應(yīng)器同一平面或不同平面的不同位置設(shè)置測(cè)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(yīng)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(dú)立的鎧管,每個(gè)鎧管是-支單點(diǎn)鎧裝熱電偶，分別測(cè)量各溫度點(diǎn),如圖4a)所示。典型的規(guī)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(dú)立的鎧管,每個(gè)鎧管中包含不同長(zhǎng)度的多點(diǎn)熱電偶,可以測(cè)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(guī)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(cè)溫點(diǎn)數(shù)多,范圍廣。以往為了保證反應(yīng)器內(nèi)安全,一般能安裝的熱電偶套管數(shù)量有限,多了~4根,這樣測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)量和排列都會(huì)受到很大的限制,當(dāng)反應(yīng)器的直徑很大時(shí),傳統(tǒng)的套管方式很難實(shí)現(xiàn)理想的測(cè)量需要。而多點(diǎn)鎧裝熱電偶可以彎曲敷設(shè),靈活分布,測(cè)量的點(diǎn)數(shù)也比較多,每個(gè)測(cè)溫層可以達(dá)到10~32個(gè)溫度點(diǎn),可以更全面地反映反應(yīng)器內(nèi)部溫度。可以檢測(cè)反應(yīng)器底部靠近出口或頂部靠近入口的溫度,給溫度測(cè)量帶來方便。
       響應(yīng)時(shí)間快,測(cè)量精度高。帶有加厚套管的熱電偶對(duì)溫度的傳遞有較大的滯后。多點(diǎn)鎧裝熱電偶由于沒有加厚的套管,自身鎧管壁厚在2mm左右,熱傳導(dǎo)的效果要好得多,減少了溫度測(cè)量的滯后。
安全性能好。高壓、臨氫的場(chǎng)合對(duì)于安全要求很高。反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶系統(tǒng),安全問題主要有兩種可能:熱電偶鎧管破裂;過程接口發(fā)生泄漏。大多數(shù)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(jí)密封泄漏,設(shè)備還可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn);通過壓力指示儀表可判斷第一-級(jí)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。可從反應(yīng)器頂部或底部進(jìn)入安裝，也可從反應(yīng)器側(cè)面安裝,不需要加厚的承壓保護(hù)套管。
5.3兩種類型的比較
       除了具有上述共同的特點(diǎn)外,兩種型式的熱電偶由于結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì),單支鎧管破損不會(huì)對(duì)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(yīng)器溫度點(diǎn)的位置提供了可能。但由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)都要分別固定，安裝時(shí)間長(zhǎng),安裝支架也比較復(fù)雜,在反應(yīng)器內(nèi)的分布面較大,形成--些障礙。此種熱電偶也可做成雙式,但測(cè)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(zhǎng)度以免受任何金屬安裝支架對(duì)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(cè)量點(diǎn)更多,泄漏點(diǎn)更少，配置更靈活。通過特殊加工,鎧管中間填充壓縮的氧化鎂,保證熱電偶的穩(wěn)固和提高鎧管的耐壓和密封性能。這種結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單,支架和緊固件用量少,因此節(jié)省安裝時(shí)間和成本。對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的空間影響小。
       以上兩種方式的多點(diǎn)鎧裝熱電偶都在國(guó)內(nèi)外加氫裝置中得到了成功應(yīng)用。單管單點(diǎn)的方式應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng),數(shù)量稍多。單管多點(diǎn)方式結(jié)構(gòu)比較新,制造技術(shù)領(lǐng)先,綜合成本比獨(dú)立鎧管要低。
5.4法蘭開口數(shù)量的選擇
        多點(diǎn)鎧裝熱電偶測(cè)量點(diǎn)數(shù)多,安裝靈活,因此.如何設(shè)置法蘭開口也是使用的實(shí)際問題。如圖3a)所示,在床層中間設(shè)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(cè)量床層上部、下部的溫度,這樣的設(shè)置可以節(jié)省很多投資,但當(dāng)床層高于10m的時(shí)候,在反應(yīng)器里進(jìn)行豎向長(zhǎng)距離的熱電偶敷設(shè)會(huì)產(chǎn)生溝流。因此可以考慮床層.上部和下部分別設(shè)置法蘭開口。
5.5安裝注意事項(xiàng)
        多點(diǎn)鎧裝熱電偶不需要在反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器的器壁上固定或利用加氫反應(yīng)器的分配盤固定,應(yīng)由熱電偶供貨商提供詳細(xì)的圖紙和要求給反應(yīng)器制造廠,并在制造廠里完成焊接工作。有些反應(yīng)器制造廠“不允許在反應(yīng)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(yīng)器底部、床層上部、床層下部。在反應(yīng)器底部時(shí),由反應(yīng)器制造商將支撐件焊接在內(nèi)壁上,采用一些橫梁或托架與預(yù)先焊在內(nèi)壁上的支撐件相連接,用于支撐熱電偶,如圖5所示。如果內(nèi)壁無法焊接,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(cè)溫點(diǎn)水平。在反應(yīng)器床層下部時(shí),位置盡量要靠近塔盤,由反應(yīng)器制造商將基本安裝支撐件焊接在反應(yīng)器塔盤的支撐橫梁上,采用螺栓連接的支撐件,將熱電偶支撐在橫梁的上方。反應(yīng)器床層上部,由反應(yīng)器制造商將支撐件焊接在反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)件安裝完畢、裝填催化劑前要完成的最后-道工序,應(yīng)該提前為安裝熱電偶準(zhǔn)備好梯子平臺(tái)、照明和通風(fēng)等必要的安裝條件。
6選擇床層溫度測(cè)量熱電偶的因素
       反應(yīng)器床層溫度測(cè)量?jī)x表的選擇需要考慮適用性。根據(jù)裝置情況，,選擇既能滿足裝置安全生產(chǎn)需要,經(jīng)濟(jì)成本又的方案。如加氫處理反應(yīng)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(duì)于加氫處理選擇圖1la)單點(diǎn)熱電偶徑向安裝也能達(dá)到控制要求。根據(jù)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(yīng)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(cè)溫度參與裝置的聯(lián)鎖,溫度一-旦超出高限就報(bào)警聯(lián)鎖。此處可使用圖1d)多點(diǎn)鎧裝熱電偶,測(cè)量這一-平面6~24個(gè)點(diǎn)的溫度,可比較全面地反應(yīng)溫度的變化。每個(gè)床層的上部即入口處,反應(yīng)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(cè)量3~4點(diǎn)的溫度。這樣既節(jié)省了投資,又可以達(dá)到控制要求。
7結(jié)束語
       多點(diǎn)鎧裝熱電偶已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的煉化裝置中得到了應(yīng)用,取得了好的應(yīng)用效果,其測(cè)量點(diǎn)數(shù)多、響應(yīng)快、安全可靠、靈活的特點(diǎn)為全面地反映反應(yīng)器的溫度提供了好的選擇。