神華包頭甲醇合成反應(yīng)器溫度故障處理

劉子云

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京市東城區(qū)，100011）

我國(guó)甲醇工業(yè)開始于1957年，我國(guó)甲醇生產(chǎn)原料以煤為主。甲醇是重要的基本有機(jī)化工原料，是煤炭轉(zhuǎn)化為其他化工產(chǎn)品的最佳途徑。

神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目是世界首套、全球最大的以煤為原料，通過煤氣化生產(chǎn)甲醇、甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴、烯烴聚合工藝路線，生產(chǎn)聚乙烯和聚丙烯的特大型煤化工項(xiàng)目。神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目的煤制合成氣制甲醇裝置是引進(jìn)英國(guó)Johnson Matthey／Davy公司的大規(guī)模甲醇技術(shù)裝備，生產(chǎn)的甲醇制烯烴 （MTO，Methanol To Olefins）級(jí)甲醇作為下游MTO 裝置原料，生產(chǎn)能力為180 萬t／a，可根據(jù)需要抽出部分粗甲醇生產(chǎn)精甲醇，精甲醇生產(chǎn)能力為60萬t／a。該生產(chǎn)裝置于2010年7月投產(chǎn)使用。

1 甲醇合成反應(yīng)簡(jiǎn)介

1.1 合成甲醇反應(yīng)原理

甲醇合成反應(yīng)分為主反應(yīng)和副反應(yīng)。合成甲醇的反應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有：

主反應(yīng)：

主要的副反應(yīng)：

甲醇合成反應(yīng)是在合成反應(yīng)器中進(jìn)行的，甲醇合成反應(yīng)器是甲醇裝置的核心設(shè)備，包頭煤制烯烴項(xiàng)目甲醇裝置的合成反應(yīng)器是由韓國(guó)斗山集團(tuán)（DOOSAN）加工制造。甲醇合成反應(yīng)是可逆、放熱反應(yīng)。

圖1 甲醇反應(yīng)器示意圖

1.2 甲醇合成反應(yīng)器簡(jiǎn)介

Davy公司的甲醇合成反應(yīng)器為蒸汽上升式合成塔，如圖1所示。蒸汽上升式合成塔是一個(gè)徑向流反應(yīng)器，催化劑裝填在反應(yīng)器的殼側(cè)，管內(nèi)產(chǎn)生中壓蒸汽。新鮮的合成氣從反應(yīng)器底部的中心管進(jìn)入，中心管管壁上有分配孔，以保證氣體分布均勻；氣體沿徑向從內(nèi)到外通過反應(yīng)器的催化劑床層。從氣包來的鍋爐水進(jìn)入反應(yīng)器的底部，然后向上流動(dòng)并部分氣化，帶走甲醇合成反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱。反應(yīng)溫度通過控制管內(nèi)蒸汽的壓力調(diào)節(jié)。

1.3 甲醇合成反應(yīng)的影響因素

甲醇合成反應(yīng)是一個(gè)氣固相催化過程，其特點(diǎn)是合成反應(yīng)主要在催化劑內(nèi)表面進(jìn)行。甲醇合成反應(yīng)可分為以下5個(gè)步驟：

（1）擴(kuò)散：氣體自氣相主體擴(kuò)散到氣體-催化劑表面。

（2）吸附：各種氣體組分在催化劑活性表面上進(jìn)行化學(xué)吸附。

（3）表面反應(yīng)：化學(xué)吸附的氣體，按照不同的動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物。

（4）解吸：反應(yīng)產(chǎn)物的脫附。

（5）擴(kuò)散：反應(yīng)產(chǎn)物自氣體-催化劑界面擴(kuò)散到氣相中。

影響甲醇合成速率的因素很多，有壓力、溫度、空速、催化劑粒度等。其中，最主要因素是反應(yīng)物料的壓力和反應(yīng)溫度，二者引起的效應(yīng)分別被稱為壓力效應(yīng)和溫度效應(yīng)。

1.4 溫度對(duì)甲醇合成反應(yīng)的影響

反應(yīng)物分子間相互接觸碰撞是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的前提，但是只有已被 “激發(fā)”的反應(yīng)物分子，即活化分子之間的碰撞，才有可能發(fā)生反應(yīng)。使反應(yīng)物分子 “激發(fā)”所需的能量，稱為反應(yīng)活化能。反應(yīng)活化能的大小是表征化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行難易程度的標(biāo)志：活化能高，反應(yīng)難于進(jìn)行；活化能低，則容易進(jìn)行。催化劑具有降低反應(yīng)活化能、加速化學(xué)反應(yīng)速率的作用，對(duì)于不同的催化劑，活化能降低的量不同。此外，活化能也表示反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感度，活化能越大，溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響越大，所以提高溫度，可加快反應(yīng)速度。

從甲醇合成反應(yīng)的化學(xué)平衡方程來看，溫度低對(duì)于提高甲醇的產(chǎn)率是有利的；但從反應(yīng)速度來看，提高反應(yīng)溫度能提高反應(yīng)速度。操作溫度的選擇取決于所選用的催化劑性能，溫度過低達(dá)不到催化劑的活性溫度，則反應(yīng)不能進(jìn)行；溫度太高，不僅增加了副反應(yīng)，消耗了原料氣，而且反應(yīng)過分劇烈，溫度難以控制，容易使催化劑失活，影響催化劑的使用壽命。同時(shí)，副產(chǎn)物的增加，也將增加甲醇精餾部分的能量消耗；溫度過高，影響設(shè)備的使用壽命。甲醇合成反應(yīng)溫度的選擇要兼顧催化劑使用的初期、中期、末期，以及催化劑的組成和壓力變化等因素，應(yīng)制定盡可能沿最佳溫度分布的操作溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了防止催化劑迅速老化，在催化劑使用初期，反應(yīng)溫度宜維持在較低的數(shù)值，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，逐步提高反應(yīng)溫度。

由此可見，反應(yīng)器的溫度是影響甲醇合成反應(yīng)最重要的因素之一，反應(yīng)器的溫度測(cè)量是十分重要的。

1.5 反應(yīng)器溫度控制

圖2 是甲醇合成反應(yīng)器溫度控制與測(cè)量示意圖。由圖2 可知，反應(yīng)器溫度的中間值由TY-105計(jì)算反應(yīng)器上的14支熱電偶的測(cè)量溫度得出。取14支熱電偶測(cè)得的平均溫度作為TIC-105的測(cè)量值，TIC-105的輸出作為TIC-121 的設(shè)定值，TIC-121是R101入口溫度調(diào)節(jié)回路。TIC-121通過控制TV-121調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)E102旁路的工藝氣量，以控制R101入口工藝氣溫度。

在每一個(gè)反應(yīng)器上有4 組、共8 支K 型多點(diǎn)熱電偶，每支熱電偶可測(cè)量反應(yīng)器從底部到頂部的10點(diǎn)溫度。即每個(gè)反應(yīng)器上有80 個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)。每一組有4 點(diǎn)溫度共16 點(diǎn) （TI-104D～TI-104G／TI-106D～TI-106G／TI-108D～TI-108G／TI-110D～TI-110G）進(jìn)入SIS 系統(tǒng)中。這16點(diǎn)溫度任意2 點(diǎn)溫度均超過310℃時(shí)，甲醇裝置停車。除這16點(diǎn)溫度進(jìn)入SIS系統(tǒng)外，其余溫度進(jìn)入DCS中，進(jìn)行顯示與運(yùn)算。在DCS 中，TY-105選出TI-104B～TI-104H 與TI-105B～TI-105H 共14點(diǎn)溫度的中間溫度，此中間溫度作為TIC-105 的測(cè)量值。TIC105 通過控制換熱器旁路的工藝氣量，以控制反應(yīng)器入口工藝氣溫度。

2 甲醇合成反應(yīng)器溫度測(cè)量

每一組甲醇合成反應(yīng)的溫度測(cè)量元件采用K 型多點(diǎn)熱電偶，每一熱電偶可測(cè)量10點(diǎn)溫度。熱電偶的測(cè)溫原理：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)間存在溫度差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在閉合回路中會(huì)形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶正是利用熱電效應(yīng)來工作的。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電偶的工作端與自由端的熱電勢(shì)也隨之發(fā)生變化。將熱電勢(shì)的變化值傳送到顯示儀表進(jìn)行指示或記錄，或傳送到DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)字處理，即可得到被測(cè)介質(zhì)的溫度。

圖2 甲醇合成反應(yīng)器溫度控制與測(cè)量示意圖

在甲醇反應(yīng)器熱電偶安裝前，利用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及電加熱器進(jìn)行校驗(yàn)。從熱電偶出廠檢定報(bào)告及安裝前的實(shí)際校驗(yàn)來看，德國(guó)E+H 公司為甲醇合成反應(yīng)器制造的熱電偶的材質(zhì)及檢定的數(shù)據(jù)均合格，滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

3 甲醇合成反應(yīng)器溫度故障情況

2010年5 月1 日，甲醇裝置中的合成反應(yīng)器安裝完畢，具備安裝反應(yīng)器熱電偶的條件。從2010年5月3日開始，用了2d的時(shí)間，將兩個(gè)反應(yīng)器的8組熱電偶安裝完畢。2010年5 月5 日至2010年5月7日，用了3d的時(shí)間，將兩個(gè)反應(yīng)器的160點(diǎn)溫度信號(hào)全部與接線箱連接完畢。2010年5月8日，包頭煤制烯烴甲醇裝置DCS系統(tǒng)與SIS送電。從DCS操作站上發(fā)現(xiàn)甲醇反應(yīng)器的160點(diǎn)溫度中有80點(diǎn)溫度出現(xiàn)波動(dòng)，從該現(xiàn)象看，這些溫度的波動(dòng)完全是隨機(jī)的，波動(dòng)的幅度忽大忽小，波動(dòng)的頻率忽快忽慢，毫無規(guī)律可循。由于溫度波動(dòng)速度極快，DCS 操作站根本無法記錄。顯然，這些顯示的溫度是完全錯(cuò)誤的。在熱電偶接線的同時(shí)，反應(yīng)器的內(nèi)件已安裝完畢，并已裝填部分催化劑。排除溫度顯示波動(dòng)故障的最好方法是，拆除反應(yīng)器熱電偶，重新檢查熱電偶是否出現(xiàn)故障。而要拆除熱電偶，必須先拆除反應(yīng)器的內(nèi)件，并將催化劑全部卸掉。若實(shí)施此方法，必然會(huì)嚴(yán)重影響甲醇裝置的工程建設(shè)進(jìn)度。

4 甲醇合成反應(yīng)器溫度故障查找

甲醇合成反應(yīng)器溫度無規(guī)則波動(dòng)，是一個(gè)十分罕見、極為特殊的異常現(xiàn)象，要排除故障，首先要查清產(chǎn)生這一故障的具體原因。將其中一組反應(yīng)器溫度信號(hào) （TE104A～TE104J），一個(gè)溫度點(diǎn)、一個(gè)溫度點(diǎn)的斷開與DCS 系統(tǒng)及SIS 系統(tǒng)的連接，即拆除一個(gè)信號(hào)，觀察一下DCS上的溫度指示是否還有波動(dòng)。先拆除與DCS系統(tǒng)連接的TE104A，再拆除TE104B、TE104C，發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)中的溫度信號(hào)仍然波動(dòng)。當(dāng)將既與DCS 系統(tǒng)相連，同時(shí)又 與 SIS 系 統(tǒng) 相 連 的 TE104D、TE104E、TE104F、TE104G 斷開后，發(fā)現(xiàn)這組溫度信號(hào)中仍與DCS系統(tǒng)相連的TE104H、TE104I、TE104J這3點(diǎn)信號(hào)在DCS上顯示正常。將拆除的信號(hào)一個(gè)溫度點(diǎn)、一個(gè)溫度點(diǎn)的重新接入，先連接TE104A，再連接TE104B，之后再連接TE104C，依此類推。當(dāng)連接TE104D 后，發(fā)現(xiàn)TE104A～TE104D 及TE104H～TE104J這些信號(hào)又開始波動(dòng)；再接入TE104E 后，發(fā)現(xiàn)TE104A～TE104E及TE104H～TE104J這些信號(hào)波動(dòng)得更為嚴(yán)重。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)只要將進(jìn)入SIS系統(tǒng)的TE104D～TE104G 任意一個(gè)溫度信號(hào)連接，DCS上的溫度顯示就開始波動(dòng)。TE104D～TE104G 這4 個(gè)溫度信號(hào)既與DCS系統(tǒng)相連接，同時(shí)，又與SIS 系統(tǒng)相連接。這說明DCS系統(tǒng)中的反應(yīng)器溫度信號(hào)無規(guī)則波動(dòng)這一異常現(xiàn)象，一定與SIS系統(tǒng)相連的溫度信號(hào)有關(guān)。反應(yīng)器溫度故障，可分別從儀表回路接線圖、安全柵、熱電偶結(jié)構(gòu)方面，進(jìn)行查找分析。

4.1 從儀表回路接線圖上分析

圖3為TE104A～TE104C與DCS系統(tǒng)相連接的儀表回路接線圖。TE104A～TE104C 熱電偶經(jīng)過接線箱、K 型補(bǔ)償導(dǎo)線及MTL5081 安全柵與DCS的FTA （TAMT04）相連，再經(jīng)DCS的多點(diǎn)低電平模擬輸入卡，轉(zhuǎn)換成可在DCS操作站上看到的溫度，TE104H～TE104J的接線也是如此。

圖3 TE104A～TE104C與DCS系統(tǒng)相連接的儀表回路接線圖

圖4為TE104D 與DCS系統(tǒng)相連接的儀表回路接線圖，TE104D～TE104G 這4 個(gè)溫度信號(hào)，既需要在DCS系統(tǒng)中參與溫度調(diào)節(jié)運(yùn)算，又需要在SIS系統(tǒng)中參與聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算。因此，TE104D～TE104G 這4 個(gè)溫度信號(hào)，既要與DCS 系統(tǒng)相連，同時(shí)，又要與SIS系統(tǒng)相連。TE104D 熱電偶經(jīng)過接線箱、K 型補(bǔ)償導(dǎo)線及MTL4073安全柵。MTL4073型安全柵實(shí)際上是一個(gè)帶有安全柵功能的溫度變送器，該安全柵溫度變送器將現(xiàn)場(chǎng)傳來的熱電偶mV 信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。安全柵溫度變送器輸出的4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)ICC312型信號(hào)分配器（一路4～20 mA 輸入，兩路4～20mA 輸出）一路送入SIS系統(tǒng)作為聯(lián)鎖信號(hào)，另一路送入DCS的高電平模擬輸入卡 （AI-HL），在DCS 操作站上能看見這一溫度信號(hào)，TE104E～TE104G 也是如此。

圖4 TE104D 與DCS系統(tǒng)相連接的儀表回路接線圖

從以上兩個(gè)回路接線圖可以看出，TE104A～TE104C及TE104H～TE104J是經(jīng)過MTL5081型安全柵隔離后，再與DCS 的低電平輸入卡 （mV輸入卡）件相連；TE104D ～TE104G 是經(jīng)過MTL4073型安全柵隔離后，再經(jīng)過ICC312 信號(hào)分配器，同時(shí)與DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)相連。

4.2 從安全柵上分析

圖5為MTL5081型安全柵結(jié)構(gòu)圖。從圖5中可以看出，MTL5081型安全柵，將現(xiàn)場(chǎng)熱電偶的mV 信號(hào)與DCS 低電平模擬輸入卡件的輸入mV信號(hào)進(jìn)行隔離，即MTL5081型安全柵僅僅起到現(xiàn)場(chǎng)熱電偶與DCS系統(tǒng)之間隔離的作用。

圖5 MTL5081型安全柵結(jié)構(gòu)圖

圖6為MTL4073型安全柵結(jié)構(gòu)圖。從圖6中可以看出，MTL4073型安全柵是將現(xiàn)場(chǎng)熱電偶的mV 信號(hào)轉(zhuǎn)換為SIS或DCS系統(tǒng)能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA 信號(hào)，即MTL4073 型安全柵不僅起到DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)相隔離的作用，同時(shí)，它還具有溫度變送器的功能。此外，MTL4073型安全柵不僅具有冷端補(bǔ)償功能，同時(shí)還具有輸入開路檢測(cè)功能。

圖6 MTL4073型安全柵結(jié)構(gòu)圖

4.3 從熱電偶結(jié)構(gòu)上分析

選取TE104這一組多支熱電偶，用萬用表測(cè)量各組之間的正、負(fù)極間的電阻值，表1 是TE104A～TE104E 各點(diǎn)熱電偶線間電阻值。從表1中可以清楚看出，每支熱電偶的正、負(fù)極與另外一支熱電偶的正、負(fù)極都有一定的電阻值，即同一組多支熱電偶中的每一組單支熱電偶與另外單支熱電偶是互相連接的。由此可以推斷出該類型的甲醇裝置反應(yīng)器多支熱電偶結(jié)構(gòu)，具體如圖7所示。從圖7中可以看出，該類型的每一點(diǎn)熱電偶的測(cè)量頂點(diǎn)都與熱電偶的套管相連接，這就使每一點(diǎn)熱電偶的正、負(fù)極與本組的其他點(diǎn)熱電偶的正、負(fù)極都是相連的。這種熱電偶一般稱為 “快速接地型熱電偶”，它能快速測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的溫度，大大縮短了溫度測(cè)量滯后時(shí)間。

表1 TE104A～TE104E各點(diǎn)熱電偶線間電阻值 Ω

圖7 甲醇裝置反應(yīng)器多支熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖

5 甲醇合成反應(yīng)器溫度故障原因分析

由4.1～4.3節(jié)可以看出，TE104A～TE104C和TE104H～TE104J熱電偶經(jīng)接線箱、K 型補(bǔ)償導(dǎo)線及MTL5081 安全柵，與DCS 系統(tǒng)相連，再經(jīng)DCS 的多點(diǎn)低電平模擬輸入卡，轉(zhuǎn)換成可在DCS操作站上看到的溫度。TE104D～TE104G 熱電偶經(jīng)接線箱、K 型補(bǔ)償導(dǎo)線及MTL4073 安全柵，再經(jīng)ICC312型信號(hào)分配器，一路送入SIS系統(tǒng)作為聯(lián)鎖信號(hào)，另一路送入DCS系統(tǒng)參與甲醇合成反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)運(yùn)算。MTL5081型安全柵只是將熱電偶的mV 信號(hào)轉(zhuǎn)換為DCS低電平卡件能夠接收的mV 信號(hào)；MTL4073型安全柵不僅具有將熱電偶的mV 信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA 信號(hào)的溫度變送器功能，同時(shí)還具有熱電偶回路的開路檢查功能。MTL4073型安全柵定時(shí)向熱電偶發(fā)送很微弱的檢測(cè)電流信號(hào)，當(dāng)MTL4073型安全柵檢測(cè)不到電流時(shí)，則認(rèn)為溫度測(cè)量回路開路 （即回路斷線）。由于甲醇裝置反應(yīng)器的熱電偶采用的是“多點(diǎn)快速接地型”熱電偶，每一分支熱電偶的測(cè)量點(diǎn)都與熱電偶的套管連接，使每一分支熱電偶的正、負(fù)極與本組的其他熱電偶的任一接線端相連，這樣就使由TE104D～TE104G 的MTL4073 型安全柵發(fā)出的檢測(cè)電流到處亂竄，本組10 個(gè)分支的熱電偶的mV 電壓信號(hào)受到極大干擾，造成了在DCS 系統(tǒng)上所看到的甲醇合成反應(yīng)器的溫度出現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象。由于每一組熱電偶連接4個(gè)MTL4073型安全柵溫度變送器，每一個(gè)MTL4073型安全柵溫度變送器都發(fā)出開路檢測(cè)電流，有時(shí)這些開路檢測(cè)電流相互抵消，有時(shí)又相互疊加，這樣就使DCS 系統(tǒng)中所觀察到的溫度波動(dòng)完全是隨機(jī)的，波動(dòng)的幅度有大有小，波動(dòng)的頻率有快有慢，毫無規(guī)律可循。分析其根本原因是由甲醇裝置采用的 “多點(diǎn)接地型”熱電偶，及與之相連的MTL4073型安全柵發(fā)出的檢測(cè)電流造成的。

6 甲醇合成反應(yīng)器溫度故障排除

用安裝有MTL4073型安全柵組態(tài)軟件 （PCS-E01003）的筆記本電腦及專用的連接電纜與MTL安全柵相連，將MTL4073型安全柵的開路檢查 （Open Check）功能取消，甲醇合成反應(yīng)器的溫度顯示隨即全部正常。

圖8是取消MTL4073型安全柵開路檢查功能后的合成反應(yīng)器溫度測(cè)量曲線。從圖8中可以看出，故障排除后，甲醇裝置中的合成反應(yīng)器的溫度信號(hào)在DCS系統(tǒng)顯示正常，這些溫度信號(hào)很好地發(fā)揮了監(jiān)視甲醇裝置中的合成反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)作用。

圖8 取消MTL4073型安全柵開路檢查功能后的合成反應(yīng)器溫度測(cè)量曲線

7 結(jié)語

神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目中甲醇裝置的甲醇合成反應(yīng)器溫度無規(guī)則的波動(dòng)，是一個(gè)十分罕見、極為特殊的異?，F(xiàn)象。若與MTL4073型安全柵相連的是單支 “接地或非接地”型熱電偶，則不會(huì)出現(xiàn)這種溫度波動(dòng)的情況；若與MTL4073型安全柵相連的是多支相互隔離型熱電偶，也不會(huì)出現(xiàn)這種溫度波動(dòng)的情況；若與 “多點(diǎn)接地”型熱電偶相連的僅是MTL5081型安全柵，也不會(huì)出現(xiàn)這種溫度波動(dòng)的情況。其故障的產(chǎn)生是由于甲醇裝置采用的是“多點(diǎn)接地型”熱電偶及與之相連的MTL4073 型安全柵發(fā)出的檢測(cè)電流共同造成的。利用組態(tài)的手段，將MTL4073 型安全柵的開路檢查功能取消（對(duì)甲醇反應(yīng)器的溫度檢測(cè)沒有任何影響），故障排除。

包頭煤制烯項(xiàng)目甲醇裝置中的甲醇合成反應(yīng)器溫度無規(guī)則波動(dòng)故障的及時(shí)排除保證了神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目甲醇裝置工程按時(shí)完工，并按預(yù)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)開車。

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