特殊場合中溫度測量的解決方案

劉漢杰,齊 瑞,陳明平,張 波,馬文鵬

(1.天津市中環(huán)溫度儀表有限公司,天津 300101;2.中國市政工程華北設計研究總院三院,天津 300074; 3.兗礦國宏化工有限公司,山東鄒城 273500;4.神華寧煤集團煤化工分公司,寧夏靈武 750411)

特殊場合中溫度測量的解決方案

劉漢杰1,齊 瑞2,陳明平3,張 波3,馬文鵬4

(1.天津市中環(huán)溫度儀表有限公司,天津 300101;2.中國市政工程華北設計研究總院三院,天津 300074; 3.兗礦國宏化工有限公司,山東鄒城 273500;4.神華寧煤集團煤化工分公司,寧夏靈武 750411)

氣化爐、反應器等裝置是煤化工、化工行業(yè)中最具代表性的裝置,因其工況的特殊性,溫度測量尤其重要,因而對溫度計也提出了更高更苛刻的要求。比如氣化爐用溫度計的長度可調性,反應器用溫度計的多點抽芯性等。通過對不同行業(yè)中代表性裝置特殊工況的特點進行列舉和分析,針對性地闡述了在特殊工況下,進行溫度測量的解決方案,以及選用溫度計時所應具備的結構特性和選擇材料時應遵循的原則,并對有代表性的溫度計產品特點進行了描述,對用戶在測量方案的選取和對溫度計進行選用和評價時起到了實質性的指導作用。

溫度計;氣化爐;反應器;轉化爐;合成塔

0 引 言

對溫度的準確測量和嚴格控制是確保工藝正常運行的關鍵因素,其將直接影響工藝過程是否在理想的條件下進行,甚至會影響到整體設備的使用壽命、安全生產及環(huán)境保護。目前在各個領域中,較具代表性的有煤化工行業(yè)的德士古(TEXACO)氣化爐和殼牌(Shell)氣化爐;石化行業(yè)的加氫反應器、合成塔和轉化爐等。這些工況均因其爐體構造、內部介質、反應過程、操作條件具有極高的特殊性,所以對相應溫度計的選擇也凸顯其特殊的重要性和復雜性。筆者憑借多年豐富的經驗,將具有代表性和典型性的工況,以及相應溫度計的選擇原則和注意事項與大家探討,旨在為不同用戶提供具參考性的指導建議。

1 煤化工行業(yè)

1.1 TEXACO氣化爐

1.1.1 工況特點

代表現(xiàn)場為寧夏煤業(yè)集團250 kt/a甲醇裝置,神華包頭和內蒙古久泰能源的煤制烯烴項目等。

以上現(xiàn)場采用TEXACO急冷流程、全廢鍋流程,是目前世界最先進的節(jié)能工藝。TEXACO氣化爐具有高溫、高壓、氧化性和還原性氣氛共存、強沖刷、溫度壓力驟變等特殊工況。燃燒室操作溫度為1 350～1 500℃,操作壓力2.5～8.7 MPa。焰氣含有 CO,H2,CO2,H2O,CH4,Ar,N2及H2S等組分;煤灰熔點為1 310～1 370℃。燃燒室殼體與內襯耐火磚因受熱膨脹系數(shù)不同,易發(fā)生相互剪切。最關鍵的是氣化爐內沖刷磨損極為嚴重,所以溫度計的測點必須位于距爐墻內壁 15～ 25 mm處。但是爐壁在砌制過程中難以保證均勻一致,加之爐內沖刷和磨損的存在,爐壁在生產進程中會發(fā)生不可避免的逐漸減薄的變化。

1.1.2 對溫度計的性能要求

由于上述 TEXACO爐的特殊工況,要求測溫傳感器必須能承受達1 600℃的高溫和8.7 MPa的高壓;能同時抵抗氧化性和還原性氣的雙重腐蝕;具有可調整的插入長度和可隨動的結構,當內襯發(fā)生厚度變化和扭曲剪切時,能進行相應的結構變化。

1.1.3 解決方案

針對這些要求,國內某儀表公司研制的“氣化爐可調防振熱電偶”通過選用特殊的材料和結構設計,滿足了氣化爐工況對溫度傳感器的苛刻要求。該產品已申請專利,是一種可調防振、耐沖刷、抗氧化、多級阻漏的氣化爐專用熱電偶溫度計。

首先,熱電偶的主體結構采用可調防振的設計理念,當氣化爐爐壁襯里厚度發(fā)生變化時,熱電偶可通過收縮式螺紋套管在±120 mm范圍內進行調節(jié),以實現(xiàn)測量元件始終保持在最佳位置[1]。當爐殼和內襯發(fā)生剪切時,利用萬向轉球可使探頭隨傾斜而進行旋轉,并在限位導向管和校正減振彈簧的作用下,使探頭始終保持在穿墻套管中心的正確位置上,避免了熱電偶在爐墻發(fā)生變形時,產生硬力剪切造成折斷。多級阻漏的結構設計,在熱電偶套管發(fā)生損壞時,可防止爐內通過套管與外面對流,致使爐內高溫傳導甚至泄漏而發(fā)生的安全隱患,體現(xiàn)安全意識和環(huán)保理念。

其次,保護管材料采用通過無壓燒結亞微米碳化硅粉末制造的進口碳化硅材料,該材料具有陶瓷和金屬的雙重特性,即使在超過1 750℃高溫時仍能可靠地使用,其熱導性與不銹鋼相當,是氧化鋁的5倍;硬度是僅次于金剛石的高性能材料之一;小于10μm的超細結晶,經氦氣檢漏測試,氣孔率幾乎為0,可有效阻止H2和CO通過管壁上的氣孔對熱電偶絲造成損壞;超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨損,能長期抵抗物料的沖刷,即使在超高溫度下也能工作于氧化性和還原性氣氛及強酸強堿的腐蝕性環(huán)境中。

1.2 Shell氣化爐

目前國內已引進十余套Shell氣化爐,代表現(xiàn)場為河南開祥甲醇工程和云維集團合成氨、廣西柳化的煤氣化裝置。

1.2.1 工況特點

保證氣化爐正常運轉的條件:既不能使汽化爐超溫受損,又要盡可能在消耗最低的氧量情況下,實現(xiàn)完全碳轉化,因此溫度控制至關重要。而Shell氣化爐的結構特點決定了氣化爐的溫度不能直接測定,只能通過間接方法來控制。氣化爐內件膜式壁與外殼之間形成一個“環(huán)形空間”,熱的合成氣不能竄入“環(huán)形空間”內,造成殼體超溫。通過測量“環(huán)形空間”水冷壁的溫度來推算爐內溫度,是Shell氣化爐溫度測量的特點[2]。

“環(huán)形空間”溫度為多點采集,各測溫點是了解氣化爐是否正常運行的關鍵,如有異常,要立即查找、分析原因,并及時處理,否則將會對氣化爐造成重大損壞。

1.2.2 對溫度計的性能要求

因煤粉是在4 MPa,1 500℃左右的氣化爐中,與O2和蒸汽進行燃燒,且在被送到煤燒嘴處時已是在2 MPa的壓力下,因此要求溫度計需具有不低于2 MPa的耐壓能力,并具有在超壓情況下的應急措施,且能承受1 500℃的高溫;由于Shell氣化爐是集動、靜設備于一體,集燃燒、反應、換熱、急冷等工藝于一身的復合設備,因此要求所使用的溫度計必須裝卸方便、更換容易。因其結構復雜,控制點多,所以必須采用多點式溫度計[3]。

1.2.3 解決方案

多點可抽芯阻漏式 Shell氣化爐專用熱電偶的設計方案解決了現(xiàn)場要求。

a)采用3點式或4點式,不同長度(最長可達6 m)的多點式熱電偶溫度計,可一舉測量不同控制點的溫度。

b)根據(jù)現(xiàn)場安裝的特點,采用 4 in(1 in= 25.4 mm)600號的法蘭安裝部件,此部分與測溫主體為可分離結構,即可先完成法蘭的安裝固定,再進行測溫主體與法蘭的配合安裝。此方案可使笨重的法蘭一次性安裝,在日常的維護中只需更換主體部分即可,方便快捷。與此結構密切結合的是芯體元件的可獨立更換性。每支測量元件都是可單獨拆卸的個體,如果哪一支發(fā)生故障,可單獨抽出更換,減少了維護成本和備品備件的數(shù)量及費用。

c)因爐內介質大量存在 HCl成分,設備制造較多使用了 Incoloy和 Inconel合金,為保持較高的承受高溫與腐蝕能力,溫度計材料的選用需全部采用Inconel600合金,保持測溫元件、安裝法蘭以及密封卡套等的材料一致性。

d)溫度計必須具有多級阻漏的密封結構設計,即每一支元件均需具備雙級阻漏裝置,當任何一支測溫元件發(fā)生損壞時,因阻漏的存在,“環(huán)形空間”內的高溫高壓氣流不會泄漏,同樣保證了安全環(huán)保的現(xiàn)場要求。

2 石化行業(yè)

2.1 加氫反應器

2.1.1 工況特點

代表現(xiàn)場為南京藍星 55 kt/a 1,4-丁二醇(BDO)項目。

在現(xiàn)代煉油工業(yè)中,加氫精制是不可缺少的工藝過程,加氫反應器是加氫裝置的核心設備。它在10～25 MPa高壓、400～480℃高溫、臨氫及硫化氫等條件下工作,其操作條件較為苛刻。而反應器的床層溫度是直接影響轉化深度、產品分布和產品質量的關鍵因素。即通過測量各床層每個溫度點的溫度值,來分析轉化深度、催化劑均勻程度,以保證反應器正常運行。

2.1.2 對溫度計的性能要求

從軸向看,一個加氫反應器由上至下具有多個催化劑床層和填料層,而每個床層的入口、出口均需測溫,隨著加氫裝置規(guī)模不斷擴大,反應器尺寸也越來越大,往往在床層中部還需增設1～2個測溫點。

從徑向看,反應器的高溫區(qū)域,也是主要取溫點,包括反應器中心部位和距器壁1/3半徑處的左右兩點。因此,無論是軸向還是徑向,都決定了參與加氫反應器溫度采集的溫度計,應選用多點式熱電偶,其各點的長度由反應器的尺寸和床層分布決定[4]。

2.1.3 解決方案

溫度計安裝原則:根據(jù)取樣的分布,可采用從器壁開孔的徑向安裝型和從封頭開孔的軸向安裝型。選擇原則:對于反應放熱大、內部結構復雜、床層數(shù)量較多的反應器,通常采用徑向安裝。根據(jù)上述的徑向取溫點,此時多為3點式熱電偶。而對于反應放熱小、內部結構相對簡單、床層數(shù)量少的反應器則一般采用軸向安裝。同樣為3點式熱電偶,兩兩間隔120°均布在反應器直徑的70%圓周上[5]。

溫度計的設計思想及制作工藝:加氫反應器對溫度測量的準確性要求很高,如各個床層出口徑向溫差不大于3℃,加氫裂化裝置中因溫升快,所以要求溫度計具有較快的響應速度和較高的測量精度。對于大直徑反應器,3個取溫點已遠不能滿足準確采集溫度分布的需要。工藝的大型化發(fā)展,需要能測量更多點溫度的溫度計。

由國內某儀表公司設計制造的專利產品“多點可伸縮鎧裝熱電偶”和“快速導熱多點式鎧裝熱電偶”以兩種不同的形式解決了同時測溫、快速響應和多點采集的問題。前者采用中心固定桿、導向管和支撐環(huán)的結構,后者采用導向管和導向滑塊的構造將多支測溫元件均布于保護管內,保證測到的溫度為床層同一時刻的溫度,即測溫的同時性。前者測量端部的彈性結構和后者的具有彈性軸和壓縮彈簧的三向導熱滑塊,使測量元件與保護套管內壁緊密接觸,減少了空氣熱傳導環(huán)節(jié),大大地提高了溫度測量的準確性和時效性。這兩種產品均可達到10點測溫,測溫元件分布于反應器內任何需要的位置上,將以往的點測溫轉變?yōu)槊鏈y溫,實現(xiàn)了獲得更有參考價值的流體分布信息的需要。且測溫元件均采用阻漏抽芯式結構,可獨立更換與拆卸,降低了維護成本和維修工作量,實現(xiàn)安全生產。

特別是“多點可伸縮鎧裝熱電偶”,其獨有的螺紋旋入套管結構,可實現(xiàn)±100 mm的伸縮調節(jié),更加方便了現(xiàn)場對測點的布置和準確測量。變徑雙法蘭組合的安裝形式,徹底解決了溫度計安裝與拆卸繁重的問題,實現(xiàn)真正意義上的輕便與快捷。在選材上,因反應器內介質為烴類、氫氣和硫化氫,所以溫度計材料全部選擇316SS或以上的材料。

2.2 甲醇轉化爐

2.2.1 工況特點

代表現(xiàn)場為云南云維集團2 Mt/a焦化工程甲醇裝置和尼勒克縣瑞祥1 Mt/a焦化工程。

甲醇轉化爐是高溫、帶壓設備,爐內溫度900～1 650℃,壓力1.9～2.5 MPa,其事故處理及預防難度較大。轉化爐內溫度過高、焦爐煤氣與氧氣混合不均勻造成偏燒、溫度速升、速降等是造成轉化爐各種故障的直接原因,如何控制好轉化爐內的溫度是解決問題的關鍵。

轉化爐內溫度控制不好,經常超溫,將極易導致耐火材料燒穿,轉化爐本體變形,此時只能停車修復轉化爐本體,重新做耐火,更換燒嘴,造成直接經濟損失[6]。

2.2.2 對溫度計的性能要求

溫度計套管材料必須具有抗高溫氧化的能力,耐溫需達1 300℃,耐壓能力強。因焦化現(xiàn)象的存在,所以要求套管拆卸方便。

2.2.3 解決方案

溫度計保護套管材料的選擇是重中之重,要求既能抵抗碰撞,經得起沖擊,又必須具有抗高溫氧化的能力。HR1300和3YC52是最理想的材料。

轉化爐在焦爐煤氣與氧氣混合不均勻燃燒的情況下,燃燒區(qū)局部溫度短時間有可能達到1 650℃以上,轉化爐上層催化劑測溫點的溫度短時間有可能達到1 300℃左右,HR1300和3YC52兩種材料均具有優(yōu)異的抗氧化性能,長期使用溫度可高達 1 200～1 300℃ ,短期使用溫度可達1 350℃。其中 HR1300高溫強度更好,能夠適應轉化爐上層催化劑測溫點處的高溫、氧化、沖刷嚴重的環(huán)境,是最適宜的轉化爐套管材料。傳統(tǒng)概念中的GH3039,GH214等合金材料,雖然具有耐高溫性能,但在使用中易發(fā)生變形,所以不是適合的材料。

至于套管的制作工藝,考慮現(xiàn)場沖刷嚴重,則應采用φ30 mm鍛棒單端深盲孔整體鉆孔的制作方式,保證內孔不大于 φ6.6 mm,偏心度不大于0.2 mm/m,方能確保與測溫元件緊密配合,并在強沖刷的工況下安全工作。

在焦化工程中,結焦現(xiàn)象非常嚴重,因此要求溫度計結構具有方便快捷的可拆卸性。采用抽芯兩節(jié)式分體結構,即保護套管與主體測溫部分可分離,使套管拆卸、檢查方便,一旦保護套管被燒毀時更換容易。

熱電偶測溫點及外保護套管伸入爐膛內的長度直接影響外保護套管及熱電偶的使用壽命,伸入爐膛內越短,燒壞的可能性就越小。經過多次試驗,在不影響測溫準確度的條件下,垂直深入爐膛的長度150 mm為最佳,配合如前所述的密封阻漏結構,整體產品的使用壽命可達一年以上。

2.3 合成塔

2.3.1 工況特點

代表現(xiàn)場為中石油塔里木油田的斯納姆(SNAM)大化肥尿素裝置和貴州天福的托普索(TOPSOE)合成氨裝置。

合成塔是進行合成反應的一種設備,主要應用于氨、氯化氫、甲醇、尿素等的合成,它的結構、材料和形成隨反應物和反應條件不同而不同。無論是作為整個尿素生產龍頭的尿素合成塔,還是作為合成氨裝置中關鍵設備之一的氨合成塔,合成轉化率的高低都是體現(xiàn)合成效率高低最主要的表現(xiàn)形式,其中合成塔內的最佳溫度分布起到至關重要的作用。因此,對合成塔內溫度的優(yōu)化控制是提高合成效率的重要環(huán)節(jié)。

2.3.2 對溫度計的性能要求

以尿素合成塔為例,尿素合成反應處于高溫、高壓和強腐蝕性介質(氨基甲酸銨、液氨、二氧化碳)的工作條件下,因此要求溫度計具有防腐蝕性能,且能抵抗高溫下的氧化腐蝕。合成塔通過每層的溫度情況確定其工作狀況,對于大直徑的合成塔,無論從軸向,還是徑向,均要求使用多點式的熱電偶溫度計[7]。

2.3.3 解決方案

吹氣式熱電偶是目前國內外普遍用于合成塔溫度測量的典型溫度計。各儀表制造商雖細節(jié)工藝各有不同,但溫度計的共性特征是產品設有吹氣裝置,即通過往產品內部吹進N2或其他惰性氣體,以便將產品內腔的O2等腐蝕性、有害性的氣體送出保護管外部,避免了測溫元件在高溫下被氧化腐蝕,從而提高熱電偶使用壽命。如遇合成塔直徑較大,則可以選擇吹氣式的多點式熱電偶,如在塔內分4個點進行安裝測溫,每個熱電偶可以分成5～7層。

通過對產品細節(jié)的處理,使溫度計不僅發(fā)揮著不可缺少的功效,同時克服了以往傳統(tǒng)產品壽命短、維修繁瑣的弊病。其中,較具代表性的是國內某儀表公司的吹氣熱電偶專利產品。該產品在吹氣裝置的進氣管做了特殊處理,即在進氣管處利用鎖母與密封墊的巧妙運用,保障了進氣管的密封性,達到了節(jié)約氣體的功效。在導氣管上分布焊接了 X個蜂窩狀的支撐板,導氣管穿過中間孔,多點鎧裝元件分別穿過各自的導孔,不僅分布有序,而且固定了元件距套管內壁的距離,顯示了快速測溫的功效。鎧裝元件在各自的雙級阻漏裝置下可以從接線盒處單獨地抽取、安裝與拆卸,降低了維護費用和生產成本。

3 通用方案

經過多年的生產和實際經驗,概括總結以下幾點用于各種測溫場合的通用方案,供讀者參考。

a)考慮介質的腐蝕性、高溫氧化性、還原性及在一定條件下會發(fā)生的化學反應,溫度計材質的選擇不能僅限于測溫元件和保護套管,起安裝固定作用的法蘭、螺紋、卡套、密封墊,甚至接線盒的材質均應有嚴格的要求。

b)安全生產是工業(yè)現(xiàn)場的首要任務,溫度計的設計制造理念不能脫離安全的宗旨。除防護等級、防爆等級等基本要求外,溫度計產品內部的密封阻漏裝置被越來越多地應用在產品制造中,根據(jù)產品的復雜性和現(xiàn)場的危險性,阻漏等級可為一級、二級甚至多級,確保安全生產。

c)產品結構和安裝方式的變革。隨著產業(yè)大型化、多樣化、高效化的發(fā)展,溫度計從安裝、維護到備件等各個細節(jié)之處應做到方便、快捷和節(jié)約。變徑雙法蘭組的安裝方式和抽芯式結構的綜合運用,便充分考慮了現(xiàn)場由于各種原因,需對溫度計進行反復安裝拆卸的可行性。采用大法蘭與小法蘭的變徑雙法蘭組合的形式,配合測量芯體的抽芯兩節(jié)式的結構,可實現(xiàn)大法蘭的最初安裝固定和小法蘭隨測溫芯體隨時進行更換的安裝拆卸方式,既安全又輕便快捷。抽芯式結構使用戶在進行溫度計的更換時,只需更換小法蘭以上部分,大大減少了維修工作量和運行成本。

d)保護套管是溫度計進行現(xiàn)場測溫的先行軍,主要抵抗現(xiàn)場介質的高溫、高壓、腐蝕、磨損、沖擊以及碰撞等破壞,除了以上提到的對材料進行優(yōu)選的必要外,套管的制作工藝是使其具有抵抗各種侵蝕能力的有力保障。目前,最先進的套管加工工藝是單端整體鉆孔加工,運用深盲孔加工技術,可在2.5 m的長度范圍內一次性成型,套管內孔僅6.5 mm,與6 mm的測溫元件緊密配合,真正實現(xiàn)耐高壓和抗沖擊。且套管形式可選擇直形或錐形,尤其錐形套管更具優(yōu)勢,不僅具有較直形套管更大的固有頻率,同時還不失端部快速測溫的現(xiàn)場要求。

e)溫度計套管的選用直接影響著熱電偶、熱電阻、雙金屬溫度計等的測溫效果和使用壽命。在工業(yè)現(xiàn)場中,共振往往是造成溫度計損壞的主要原因。因此,對溫度計套管進行振動核算越來越成為招投標方、設計人員和生產廠家所關注的焦點問題。有限單元法,開創(chuàng)了一種全新的套管自然頻率的計算方法,使振動核算更趨嚴謹、合理,對套管規(guī)格設計和現(xiàn)場振動判斷具有非常重要的指導意義。

4 結束語

實踐證明,溫度是指導工藝流程正常穩(wěn)定運行的指標;快速、準確、安全是溫度測量的目標;測溫方案的合理選擇和溫度計的正確選用是實現(xiàn)目標、保障指標的航標。只有了解工況、分析工況,才可以有針對性、方向性、科學性地處理溫度測量問題。

[1] 王 景.煤氣化爐溫度的測量方法[J].化工自動化及儀表, 2008,(6):35.

[2] 周留霞.Shell氣化爐的結構特點及操作維修[J].煤化工, 2008,(4):38.

[3] 劉衛(wèi)平.我國煤氣化技術的特點及應用[J].化肥設計,2008, (1):11.

[4] 楊 萌,趙應燦,任 泓.加氫裝置高壓反應器床層溫度測量[J].當代化工,2009,(5):16.

[5] 寧學典.加氫反應器床層溫度測量[J].石油化工自動化, 2005,(6):37.

[6] 黃兆榮.轉化爐測溫點的改造[J].電氣技術,2006,(6):16.

[7] 陳 林,李 剛,楊亞喬.大型合成氨、尿素裝置增產技術改造[J].大氮肥,2005,(5):26.

TH811

B

1007-7324(2010)06-0065-04

2010-06-22。

劉漢杰(1969—),天津人,現(xiàn)任天津市中環(huán)溫度儀表有限公司總經理,全國溫度儀表協(xié)會副理事長,自動化儀表分會理事,天津市東麗區(qū)政協(xié)委員,天津市企業(yè)家協(xié)會理事,擁有30余項專利產品和軟件著作權。