隨著煉化加氫反應(yīng)器床層溫度的精確測量和控制的更高需求，本文對比分析幾種熱電偶在加氫反應(yīng)器床層溫度測量的應(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。

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)計不好、催化劑部分床層結(jié)構(gòu)損壞、有大的工藝條件變動等情況下，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,可能導(dǎo)致如下后果：
①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。
②催化劑隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時間的推移逐漸失活
當(dāng)提高反應(yīng)溫度加以彌補(bǔ)時，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)計的最高操作溫度，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。
③對產(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。
因此對反應(yīng)器的軸向溫度和徑向溫度都要進(jìn)行檢測，測溫點(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。

1、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。

2、床層溫度測量點(diǎn)的設(shè)置
準(zhǔn)確測量反應(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，為了全面準(zhǔn)確地反映反應(yīng)器的溫度變化，同一高度床層測溫點(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)，測溫點(diǎn)越多反應(yīng)的床層溫度越全面。測量熱電偶在每個催化劑床層按上下兩層或上中下三層設(shè)置。通過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(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。

3、床層溫度測量熱電偶形式比較
反應(yīng)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。

圖1 反應(yīng)器床層溫度測量熱電偶形式
 
①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，測量床層直徑15%-30%處溫度。如圖2所示。結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜，安裝固定方便，但每個測溫點(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)套管破裂時泄露,熱電偶連接可帶滿足承壓要求的卡套接頭：一端1/2″NPT(M)，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6mm側(cè)插入反應(yīng)器。
                  
圖2   單點(diǎn)熱電偶徑向安裝示意

②帶套管多點(diǎn)熱電偶軸向安裝
反應(yīng)器頂端設(shè)有測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,套管內(nèi)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(hù)都比較困難。裝卸催化劑的時候也要特別注意。特點(diǎn)是設(shè)備開口少,一般只開3-4個熱電偶嘴子，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薄些，因此焊接和開口相對容易。由于反應(yīng)器頂部空間有限,每個床層一般只能測量3-4個點(diǎn)的溫度。此種方式多見于只有一個床層的反應(yīng)器,反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件不多，熱電偶套管安裝也相對簡單。

圖3    反應(yīng)器床層溫度測量帶套管多點(diǎn)熱電偶軸向安裝

③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,跨越整個反應(yīng)器的截面,一端固定,另一端有支架或吊架,有一定的靈活度。特點(diǎn)是設(shè)備開口相對較少，一般一個測溫層面只開一個開口，泄漏點(diǎn)少，由于另一端有支架或吊架支撐,因此克服剪應(yīng)力有一定優(yōu)勢。但熱電偶的套管橫穿反應(yīng)器中心，此種結(jié)構(gòu)對于催化劑的裝卸會造成一定難度，也會對人員在反應(yīng)器內(nèi)操作形成障礙。每個床層一般只能測量3-4個點(diǎn)的溫度,如果需要測量更多部位的溫度,則要再設(shè)置一個熱電偶的保護(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)就會復(fù)雜。這種安裝方式的熱電偶可采用無保護(hù)式和鎧裝式兩種。

圖4    反應(yīng)器床層溫度測量專用套管多點(diǎn)鎧裝熱電偶徑向安裝
 
④多點(diǎn)鎧裝熱電偶徑向安裝方式
目前在國內(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，每套可測量至少2個點(diǎn)。由于鎧裝熱電偶可以在一定范圍內(nèi)彎曲，可以按適當(dāng)?shù)穆窂椒笤O(shè)到需要測量溫度的地方，不受外保護(hù)套管的路徑限制，同一法蘭可以通過多只熱電偶。這樣，在徑向的每個測溫處只要設(shè)一個溫度開口，相對泄漏點(diǎn)少，法蘭開口處還可以設(shè)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(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。雖然每層只開一個口，安裝維護(hù)比較方便，但造價比較高。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)測量。

圖5   反應(yīng)器床層溫度測量整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶徑向安裝方式
 
高壓反應(yīng)器熱電偶的形式中，圖2、圖3、圖4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。圖2的安裝形式由于使用普通鎧裝熱電偶而結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，在國內(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，圖5形式的整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶的應(yīng)用逐步多起來。

4、單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶
①結(jié)構(gòu)和形式
多點(diǎn)鎧裝熱電偶是一種可檢測多個溫度點(diǎn)的熱電偶，不需在設(shè)備內(nèi)部設(shè)置加厚的承壓套管，單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點(diǎn)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，不會影響接頭和內(nèi)部的測量元件和線路，因此只需要一個開口就可以在反應(yīng)器同一平面或不同平面的不同位置設(shè)置測溫點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 多點(diǎn)鎧裝熱電偶安裝示意

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、單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶
一套法蘭上裝有多支獨(dú)立的鎧管，每個鎧管是一支單點(diǎn)鎧裝熱電偶，分別測量各溫度點(diǎn)，如圖7所示。典型的規(guī)格為：外徑可做到8mm，偶絲直徑可以做到1.37mm，鎧管厚度為1.57mm。

圖7 單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶安裝示意

b、整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶
 整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶為一套法蘭上裝有一支或多支獨(dú)立的鎧管，每個鎧管中包含不同長度的多點(diǎn)熱電偶，可以測量同一平面或不同平面的多個溫度點(diǎn)，如圖8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9.5mm，偶絲直徑可以做到0.81mm，鎧管厚度為2mm。

圖8 整體鎧裝多點(diǎn)鎧裝熱電偶安裝示意
 
②多點(diǎn)鎧裝熱電偶特點(diǎn)
a、測溫點(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，最多3-4根,這樣測溫點(diǎn)的數(shù)量和排列都會受到很大的限制，當(dāng)反應(yīng)器的直徑很大時，傳統(tǒng)的套管方式很難實(shí)現(xiàn)理想的測量需要。而多點(diǎn)鎧裝熱電偶可以彎曲敷設(shè)，靈活分布，測量的點(diǎn)數(shù)也比較多，每個測溫層可以達(dá)到10-32個溫度點(diǎn)，可以更全面地反映反應(yīng)器內(nèi)部溫度。可以檢測反應(yīng)器底部靠近出口或頂部靠近入口的溫度，給溫度測量帶來方便。
b、響應(yīng)時間快，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)鎧裝熱電偶由于沒有加厚的套管，自身鎧管壁厚在1-2mm左右，熱傳導(dǎo)的效果要好得多，減少了溫度測量的滯后。
c、安全性能好
高壓、臨氫的場合對于安全要求很高。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。
d、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。

③單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶的比較
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、多點(diǎn)鎧裝熱電偶
每支熱電偶都是單支鎧管的設(shè)計，單支鎧管破損不會對其他點(diǎn)造成影響；每個溫度點(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。但由于每個測點(diǎn)都要分別固定，安裝時間長，安裝支架也比較復(fù)雜，在反應(yīng)器內(nèi)的分布面較大，形成一些障礙。此種單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶也可做成雙式，但測量點(diǎn)是一個。單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶采用端點(diǎn)豎直安裝形式。在安裝時端點(diǎn)需要留有50-75mm的裸露長度以免受任何金屬安裝支架對溫度的影響。

圖8    單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

b、整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶
整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶每支鎧管中有4-11個熱電偶點(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。通過特殊加工，鎧管中間填充壓縮的氧化鎂，保證整體鎧裝多點(diǎn)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)安裝簡單，支架和緊固件用量少，因此節(jié)省安裝時間和成本。對反應(yīng)器內(nèi)的空間影響小。


圖9    整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

以上兩種方式的多點(diǎn)鎧裝熱電偶都在國內(nèi)外加氫裝置中得到了成功應(yīng)用。單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶的方式應(yīng)用時間較長，數(shù)量稍多。鎧裝整體多點(diǎn)熱電偶結(jié)構(gòu)比較新，制造技術(shù)更先進(jìn)，能成產(chǎn)的廠家少，綜合成本比獨(dú)立單支多點(diǎn)鎧裝熱電偶要高。昌暉儀表制造有限公司是多點(diǎn)鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶的專業(yè)制造廠，放心選購這兩種熱電偶。

④法蘭開口數(shù)量的選擇
多點(diǎn)鎧裝熱電偶測量點(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8所示，在床層中間設(shè)置一個法蘭口，幾套熱電偶從一個法蘭口進(jìn)入，分別測量床層上部、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的時候，在反應(yīng)器里進(jìn)行豎向長距離的熱電偶敷設(shè)會產(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。

圖10   多點(diǎn)鎧裝熱電偶安裝示意
 
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，但仍需要一些安裝支架或支撐。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，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11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，位置盡量與測溫點(diǎn)水平。在反應(yīng)器床層下部時，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。

圖11   多點(diǎn)鎧裝熱電偶安裝支撐件示意

多點(diǎn)鎧裝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一道工序，應(yīng)該提前為安裝多點(diǎn)鎧裝熱電偶準(zhǔn)備好梯子、平臺、照明和通風(fēng)等必要的安裝條件。

5、選擇床層溫度測量熱電偶的因素
反應(yīng)器床層溫度測量儀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)成本又最合理的方案。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，對于加氫處理選擇圖2普通鎧裝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5整體鎧裝多點(diǎn)鎧裝熱電偶，測量這一平面6-24個點(diǎn)的溫度，可比較全面地反應(yīng)溫度的變化。每個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2(使用普通鎧裝熱電偶)或圖4(多點(diǎn)鎧裝熱電偶或整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶均可)的方式，測量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。

多點(diǎn)鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點(diǎn)熱電偶已經(jīng)在國內(nèi)外的煉化裝置中得到了應(yīng)用,取得了好的應(yīng)用效果，其測量點(diǎn)數(shù)多、響應(yīng)快、安全可靠、靈活的特點(diǎn)為全面準(zhǔn)確地反映反應(yīng)器的溫度提供了好的選擇。
作者：中國石化工程建設(shè)公司  王京慧