金哲

(中石化廣州工程有限公司，廣東廣州510620)

隨著中國(guó)加工重質(zhì)及高含硫原油比例的不斷提高，特別是清潔油品需求的迅速增加，石油化工企業(yè)中加氫裝置得到飛速發(fā)展。加氫反應(yīng)器是加氫裝置的核心設(shè)備，而溫度又是反應(yīng)器運(yùn)行中重要的參數(shù)之一，控制反應(yīng)器溫度可保證進(jìn)料達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率，避免“飛溫”等異常情況發(fā)生。生產(chǎn)操作過(guò)程中，催化劑失活、進(jìn)料質(zhì)量變差、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大、生產(chǎn)操作方案的變化及液體徑向分布不均勻等現(xiàn)象，都需要通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制反應(yīng)溫度來(lái)處理解決。為了測(cè)量催化劑床層的溫度，需要在催化劑床層的不同高度上安裝多點(diǎn)式熱電偶，其測(cè)量場(chǎng)合為高溫、高壓且為臨氫危險(xiǎn)環(huán)境，對(duì)熱電偶安全、可靠、快速的檢測(cè)技術(shù)要求很高。

1 加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量目標(biāo)

加氫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)器床層溫度的操作目標(biāo)是保證床層徑向溫差小和床層軸向溫升平穩(wěn)。床層徑向溫差是指反應(yīng)器同一床層水平高度橫截面上不同位置測(cè)點(diǎn)間的溫度之差；床層軸向溫升可簡(jiǎn)單地表示為該床層進(jìn)口和出口的平均溫度差。床層同一截面的徑向溫度分布反映了反應(yīng)器內(nèi)流體的分布均勻程度，也是對(duì)反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件和催化劑裝填好壞最靈敏、最直接的反映。軸向溫度分布則表明該床層中發(fā)生了多少反應(yīng)，如果同一徑向方位上通過(guò)垂直平面時(shí)的溫差過(guò)低或過(guò)高，則表明原料在穿過(guò)催化劑床層時(shí)可能發(fā)生了流動(dòng)方面的問(wèn)題。

根據(jù)溫度測(cè)點(diǎn)的測(cè)量需求，為利于比較溫度分布情況，測(cè)溫點(diǎn)在同一高度截面上應(yīng)均勻分布，在不同高度上的測(cè)點(diǎn)宜在同一方向和位置布置。測(cè)溫點(diǎn)越多，越能詳細(xì)地反映反應(yīng)器內(nèi)床層溫度的變化情況，但測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量的選擇需根據(jù)加氫反應(yīng)的類型、反應(yīng)器的直徑大小、工程投資等情況綜合考慮。

2 加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量形式

根據(jù)加氫反應(yīng)器類型的不同，反應(yīng)器床層溫度的測(cè)量形式有不同的選擇。根據(jù)工藝需要，測(cè)量點(diǎn)一般最少為3點(diǎn)，多的能達(dá)到幾十點(diǎn)；一般分為在同一直徑上均勻分布和在同一圓周或多個(gè)圓周上均勻分布；插入方向一般可以分為徑向插入和頂?shù)撞迦?。幾種典型的測(cè)量形式如圖1所示。

圖1 反應(yīng)器床層溫度典型測(cè)量形式示意

1)A形式為采用多支單點(diǎn)高壓熱電偶測(cè)量方式，安裝簡(jiǎn)單方便，但設(shè)備開口數(shù)量多，懸臂結(jié)構(gòu)使根部承受的剪應(yīng)力較大，容易彎曲或斷裂，一般不能深入反應(yīng)器內(nèi)壁太長(zhǎng)。該種形式僅適用于反應(yīng)器直徑較小，測(cè)量點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。

2)B形式為采用一支多點(diǎn)熱電偶測(cè)量方式，設(shè)備開口數(shù)量少，一般采用剛性外套管加外部支撐能較好地克服剪應(yīng)力影響，該種形式測(cè)量點(diǎn)較少，一般為3點(diǎn)或4點(diǎn)，且測(cè)量點(diǎn)必須在同一直線上。

3)C形式為采用多點(diǎn)柔性熱電偶方式，設(shè)備開口數(shù)量少，柔性鎧裝套管直接承壓，可以彎曲不受直線限制便于敷設(shè)到反應(yīng)器內(nèi)不同位置，適用于測(cè)點(diǎn)數(shù)量要求較多且非直線分布的應(yīng)用場(chǎng)合，但路由設(shè)計(jì)和支撐設(shè)計(jì)工作量大，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作復(fù)雜。

4)D形式為采用頂部插入式多點(diǎn)熱電偶方式，可將不同床層高度的測(cè)量點(diǎn)在1根剛性套管內(nèi)布置，設(shè)備開口數(shù)量少、測(cè)量點(diǎn)數(shù)多，但不適用于有氣液分配盤、冷氫箱等內(nèi)構(gòu)件的反應(yīng)器。

3 加氫反應(yīng)器床層溫度檢測(cè)技術(shù)

隨著加氫技術(shù)的推陳出新和加氫裝置大型化的飛速發(fā)展，加氫反應(yīng)器的床層溫度測(cè)量要求不斷提高和變化，其檢測(cè)技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，伴隨著熱電偶產(chǎn)品制造能力的提高，用于加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量的熱電偶產(chǎn)品在測(cè)量準(zhǔn)確性、快速性、安全性等方面均取得了快速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)和產(chǎn)品趨于多樣化，目前在煉油廠各類加氫裝置的設(shè)計(jì)中，加氫反應(yīng)器床層溫度測(cè)量主要的檢測(cè)技術(shù)方案有： 設(shè)備帶大套管3點(diǎn)式熱電偶方案、整體套管3點(diǎn)式熱電偶方案，設(shè)備帶獨(dú)立套管3點(diǎn)式熱電偶方案，獨(dú)立套管T型梁3點(diǎn)式熱電偶方案，多點(diǎn)柔性熱電偶方案，頂裝式整體套管多點(diǎn)式熱電偶方案。

3.1 設(shè)備帶大套管3點(diǎn)式熱電偶方案(方案1)

設(shè)備帶大套管3點(diǎn)式熱電偶方案測(cè)溫元件采用3點(diǎn)式鎧裝熱電偶，熱電偶保護(hù)套管作為反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件提供，該方案安裝簡(jiǎn)單，熱電偶不承壓，但熱電偶與承壓外套管間的空隙較大，熱電偶很難與承壓外套管內(nèi)壁良好接觸，溫度測(cè)量存在較大滯后和偏差，響應(yīng)時(shí)間也較慢。設(shè)備帶大套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設(shè)備帶大套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

3.2 整體套管3點(diǎn)式熱電偶方案(方案2)

整體套管3點(diǎn)式熱電偶方案為將方案1采用的3支3點(diǎn)式鎧裝熱電偶與熱電偶保護(hù)管由制造廠整體制造，保護(hù)套管內(nèi)采用彈簧壓片使熱電偶感溫元件良好接觸保護(hù)套管的內(nèi)壁，增加了測(cè)量的準(zhǔn)確性，提高了測(cè)量的響應(yīng)速度。整體套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 整體套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

3.3 設(shè)備帶獨(dú)立套管3點(diǎn)式熱電偶方案(方案3)

設(shè)備帶獨(dú)立套管3點(diǎn)式熱電偶方案測(cè)溫元件采用3支鎧裝熱電偶，熱電偶保護(hù)套管作為反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件提供，每只熱電偶的保護(hù)套管獨(dú)立設(shè)置，3根承壓外套管采用三角型支撐板固定在一起，組成正三角形行架式結(jié)構(gòu)。熱電偶的端部用堵頭封堵，減少了空氣間隙。該方案熱電偶不承壓，保護(hù)管內(nèi)部間隙遠(yuǎn)小于方案1，溫度響應(yīng)時(shí)間大幅提高。設(shè)備帶獨(dú)立套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 設(shè)備帶獨(dú)立套管3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

3.4 獨(dú)立套管T型梁3點(diǎn)式熱電偶方案(方案4)

獨(dú)立套管T型梁3點(diǎn)式熱電偶方案與方案3在形式上類似，只是熱電偶的保護(hù)套管、鎧裝套管整體供貨以及橫跨反應(yīng)器的T型梁均由熱電偶制造廠加工供貨，保護(hù)套管端部設(shè)置有熱傳導(dǎo)塊，能與熱電偶端部良好接觸。由于熱電偶保護(hù)套管在端部稍微外彎，脫離T型梁，直接和床層介質(zhì)接觸，所以溫度響應(yīng)更加快速準(zhǔn)確，保護(hù)套管和鎧管雙道密封，提高了產(chǎn)品的安全性。獨(dú)立套管T型梁3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 獨(dú)立套管T型梁3點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

3.5 多點(diǎn)柔性熱電偶方案(方案5)

多點(diǎn)柔性熱電偶方案是解決更多測(cè)點(diǎn)溫度檢測(cè)的測(cè)量方法，與傳統(tǒng)的3點(diǎn)式熱電偶相比，該測(cè)量方法可根據(jù)檢測(cè)位置的需要任意確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)，熱電偶鎧管能柔性彎曲，測(cè)溫點(diǎn)可設(shè)在反應(yīng)器內(nèi)任何位置。柔性熱電偶設(shè)置了雙道密封腔和測(cè)漏壓力表，進(jìn)一步提高了防泄漏的安全性能。該種熱電偶安裝較為復(fù)雜，對(duì)于安裝高度距離催化劑支撐梁或氣液分配盤較近的床層柔性熱電偶，可利用上述設(shè)備內(nèi)件作為支撐，對(duì)于無(wú)法借用支撐的其他高度上的床層柔性熱電偶需要熱電偶供貨商提供支撐盤，將支撐盤安裝在反應(yīng)器內(nèi)壁上的預(yù)埋件上，然后再利用支撐盤安裝柔性熱電偶。多點(diǎn)柔性熱電偶結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 多點(diǎn)柔性熱電偶結(jié)構(gòu)示意

3.6 頂裝式整體套管多點(diǎn)式熱電偶方案(方案6)

頂裝式整體套管多點(diǎn)式熱電偶方案采用1根剛性套管，大量熱電偶鎧管在保護(hù)套管內(nèi)自上而下插入不同高度的測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫端通過(guò)雙金屬片使溫度升高時(shí)熱電偶端部貼緊套管內(nèi)壁，保證了良好的測(cè)溫精度和快速響應(yīng)。保護(hù)套管和鎧管雙道密封，提高了防泄漏的能力，同時(shí)在保護(hù)管內(nèi)設(shè)計(jì)了氮?dú)夥创迪到y(tǒng)，防止潮氣或空氣中的物質(zhì)對(duì)保護(hù)套管造成腐蝕開裂。該方案一般用于沸騰床加氫反應(yīng)器這類“空桶”式反應(yīng)器，由于測(cè)點(diǎn)多且床層處于不同的高度，當(dāng)該種多點(diǎn)熱電偶長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，受運(yùn)輸限制通常無(wú)法整體供貨，需采用外保護(hù)套管分段供貨，現(xiàn)場(chǎng)組焊或反應(yīng)器制造廠組焊，先將保護(hù)套管插入反應(yīng)器后再進(jìn)行熱電偶鎧管的插入，現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大。頂裝式整體套管多點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 頂裝式整體套管多點(diǎn)式熱電偶結(jié)構(gòu)示意

4 床層溫度檢測(cè)技術(shù)對(duì)比和選擇

加氫反應(yīng)器床層溫度檢測(cè)技術(shù)和產(chǎn)品多樣性的發(fā)展給廣大設(shè)計(jì)人員在技術(shù)選擇上提供了廣泛的支撐，也對(duì)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品選擇的適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性方面提出了更高的要求。

在設(shè)計(jì)中，加氫反應(yīng)器床層溫度檢測(cè)技術(shù)主要根據(jù)測(cè)點(diǎn)分布、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程對(duì)測(cè)量溫度準(zhǔn)確性和快速性的需要、生產(chǎn)安全性要求、工程建設(shè)投資等方面進(jìn)行選擇，文中介紹的六種檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比見表1所列，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)各類加氫裝置的特點(diǎn)和反應(yīng)器的形式選擇不同的反應(yīng)器床層溫度檢測(cè)方案。

表1 不同檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

加氫反應(yīng)器床層溫度的檢測(cè)技術(shù)在不斷地發(fā)展和進(jìn)步，隨著床層熱電偶產(chǎn)品制造能力的提高，使熱電偶檢測(cè)技術(shù)在自身整體承壓、測(cè)點(diǎn)靈活布置、響應(yīng)快速準(zhǔn)確、安全性保障等方面不斷創(chuàng)新，形成了更多的新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用，通過(guò)本文的分析和闡述，希望對(duì)設(shè)計(jì)人員合理地選擇不同類型加氫反應(yīng)器床層溫度的檢測(cè)技術(shù)方案有所幫助。