乙烯裂解爐COT的測溫方法探討

陳方斌，魏劍萍，吳方立

(中國石油化工股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

裂解爐是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響整套裝置的總體經(jīng)濟(jì)效益，而裂解爐爐管出口溫度(COT)是裂解爐的關(guān)鍵指標(biāo)，不僅影響工藝人員對裂解爐運(yùn)行狀態(tài)的判斷，而且與裂解爐主要產(chǎn)品乙烯的收率息息相關(guān)，當(dāng)溫度在830～860 ℃時(shí)，每提高1 ℃，乙烯收率可提高0.1%以上[1]。一般的熱電偶測溫方式分為插入式和表面式(貼壁式)，國內(nèi)裂解爐采用插入式的比較普遍。裂解氣在爐管內(nèi)溫度高、流速快，對插入式COT套管的沖刷比較嚴(yán)重，因此需要考慮套管的耐磨性。與此同時(shí)，對比某公司液相裂解爐與氣相裂解爐發(fā)現(xiàn)，氣相爐的運(yùn)行時(shí)間相對比較短，究其原因是因?yàn)闅庀酄t的爐管容易結(jié)焦，嚴(yán)重時(shí)甚至只能更換爐管，而插入式COT熱電偶的結(jié)構(gòu)及插入深度對爐管結(jié)焦有較大的影響。

1 插入式COT熱電偶結(jié)構(gòu)分析

插入式COT熱電偶結(jié)構(gòu)具有多樣性，國內(nèi)不同的乙烯項(xiàng)目選用不同的裂解爐技術(shù)，包括Stone & Webster，Linde和lummus等知名廠商技術(shù)，其中COT熱電偶都是從進(jìn)口開始，而后逐漸改進(jìn)結(jié)構(gòu)并國產(chǎn)化。目前國內(nèi)用得較多的類型是頭部為圓錐形和棱形面的COT套管，兩種類型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 插入式COT熱電偶結(jié)構(gòu)示意

兩種形式的COT套管都需要插入到爐管處，棱形面結(jié)構(gòu)的COT套管安裝示意如圖2所示。與圓錐形COT套管相比，棱形面結(jié)構(gòu)的COT套管由于其感溫元件處套管壁很薄[2]，使溫度測量更真實(shí)且響應(yīng)更快。

圖2 棱形面COT套管安裝示意

COT熱電偶除了測溫要精準(zhǔn)外，國產(chǎn)的套管材質(zhì)的耐磨性也已滿足要求，但是由于整支套管只需插入到爐管內(nèi)的一段耐磨即可，故整支套管是由兩種不同材質(zhì)的套管焊接而成。某公司的乙烯裂解爐共安裝了700多支COT熱電偶，在4 a的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的損壞，存在問題如下：

1)套管變形。共有23支套管發(fā)生變形，部位是迎向介質(zhì)流動(dòng)方向的位置，套管變形導(dǎo)致熱電偶卡在套管內(nèi)部無法拔出。究其原因，是裂解氣在爐管內(nèi)流速快，溫度高達(dá)800 ℃以上，對套管的沖刷引起的。

2)套管內(nèi)漏。共有16支套管內(nèi)漏，從套管拆檢情況來看，內(nèi)漏原因是頭部焊縫開裂，介質(zhì)通過套管內(nèi)部從法蘭蓋上的觀察孔漏出。導(dǎo)致套管焊縫開裂因素有： 焊縫距離爐管較近，介質(zhì)對焊縫不斷沖刷造成了焊縫開裂；耐磨頭與套管本體之間的焊接質(zhì)量問題也可能導(dǎo)致開裂，嚴(yán)重的焊縫開裂會(huì)導(dǎo)致耐磨頭脫落無法取出，堵住基管。

3)套管氣蝕。有4支套管表面產(chǎn)生氣蝕，在拆檢過程中發(fā)現(xiàn)部分套管表面有氣蝕現(xiàn)象，類似于控制閥氣蝕對閥內(nèi)件造成的沖刷現(xiàn)象，套管表面呈現(xiàn)孔洞狀。

解決COT套管焊縫開裂問題，處理方式有： 通過加長耐磨頭長度，使焊縫避開介質(zhì)的沖刷；改進(jìn)焊接工藝，選用抗氫的焊絲，提高焊縫抗沖刷腐蝕能力。為了解決套管在使用后產(chǎn)生的形變，通過增加保護(hù)管壁厚，材質(zhì)改為鉻含量和鎳含量較高的耐高溫腐蝕合金Incoloy800H，增強(qiáng)套管在高溫下耐變形的強(qiáng)度。

COT套管改型后經(jīng)連續(xù)運(yùn)行8 a，停爐拆檢后采取著色檢查等手段進(jìn)行檢測，除個(gè)別存在加工缺陷外，未發(fā)現(xiàn)異常。

2 氣相爐COT熱電偶套管改型

裂解爐尤其是氣相爐在運(yùn)行中后期，各COT指示值逐漸下降同時(shí)出現(xiàn)偏差大的問題，造成裂解深度先進(jìn)控制(APC)無法投用，因此亟需解決因儀表測量不準(zhǔn)導(dǎo)致的溫度指示偏差問題。

2.1 各組爐管平均COT相關(guān)性分析

本文以某公司雙爐膛裂解爐A爐膛為分析對象，A爐膛各組爐管用A，B，C，D標(biāo)識(shí)，則各組爐管的平均溫度之間(氣相進(jìn)料)的相關(guān)系數(shù)見表1所列，各組爐管平均溫度曲線如圖3所示，由表1和圖3分析如下：

表1 各組爐管平均溫度相關(guān)系數(shù)

圖3 各組爐管平均溫度曲線示意

1)各組爐管的平均溫度隨著裂解爐運(yùn)行時(shí)間的延長而呈現(xiàn)下降趨勢。

2)各組爐管的平均溫度之間存在較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明各組爐管COT的變化特征具有較為明顯的一致性。

3)各組爐管平均溫度變化趨勢相似性說明爐管COT受到共同因素的影響(結(jié)焦，燃料氣或進(jìn)料量)。

4)B組和D組爐管COT變化相關(guān)系數(shù)最大，說明二者COT變化特征最為相近。

5)A組爐管與B，C，D組爐管的相關(guān)系數(shù)低于B，C，D組爐管平均溫度之間的相關(guān)系數(shù)，說明A組爐管COT的變化規(guī)律與其他三組爐管還是有一定差別，懷疑有結(jié)焦現(xiàn)象。

綜上所述，裂解爐各組爐管COT受燃料氣、進(jìn)料量、結(jié)焦等共同因素影響，隨裂解爐運(yùn)行COT指示值逐漸下降(趨勢一致)。裂解反應(yīng)過程中會(huì)伴隨著結(jié)焦過程，焦層會(huì)在裂解爐爐管表面、基管空腔內(nèi)部逐漸累積[3-4]而影響熱量傳遞，導(dǎo)致測量溫度下降。在儀表測量方面，可從消除COT套管與基管空腔結(jié)焦入手，提高COT指示準(zhǔn)確性。

2.2 爐管物料計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析

COT套管插入到爐管流體區(qū)域，在靠近測溫頭套管壁面處流體有回流現(xiàn)象，且速度較小(速度隨著插入深度的增加而增加)，故此處容易結(jié)焦。根據(jù)CFD分析可知，相同工況條件下不同插入深度下裂解氣的回流速度有四種情況： 未插入爐管、插入25%爐管深度、插入33%爐管深度、插入50%爐管深度時(shí)回流速度分別為193 m/s，282 m/s，295 m/s，324 m/s。

由上述分析可知，菱形面套管由于未插入爐管，套管頭部回流速度小，焦層在測溫點(diǎn)頭部空腔內(nèi)慢慢累積，最終導(dǎo)致測溫?cái)?shù)據(jù)偏低。在相同工況下對乙烷和石腦油進(jìn)行CFD模擬分析，發(fā)現(xiàn)以石腦油為原料的液體爐裂解氣流速較以乙烷為原料的氣相爐裂解氣流速大，故判斷氣相爐的結(jié)焦比液體爐更為嚴(yán)重，這與氣相爐爐管實(shí)際運(yùn)行時(shí)間短的情況吻合。

2.3 COT套管結(jié)構(gòu)改型

從結(jié)構(gòu)上分析回流發(fā)生的機(jī)理： 一是基管和套管頭部之間有空腔，裂解氣在爐管內(nèi)部附近流速低且存在回流現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)焦，由于各爐管結(jié)焦情況不一致，因此在裂解爐運(yùn)行后期各組COT指示產(chǎn)生偏差；二是由于套管插入爐管內(nèi)壁很短，測溫點(diǎn)附近流體溫度較爐管中心溫度低。

針對上述問題，需要將基管與套管頭部空腔填封，同時(shí)為使測量值更接近實(shí)際流體溫度，適當(dāng)延長了套管的插入深度，但插入深度過長，又會(huì)加劇裂解氣對套管的沖刷[5]，同時(shí)也會(huì)加劇套管對裂解氣的阻流現(xiàn)象，因此插入深度需綜合計(jì)算考慮。某公司改型后的套管如圖4所示，其插入深度較改型前增加了約5 mm(改型前為2 mm左右)，并將空腔封死以避免空腔內(nèi)部結(jié)焦。

圖4 改型后COT套管安裝及外形示意

改型后的套管使用1年后，各組COT測量指示偏差小，爐管COT平均值最大偏差約為1 ℃，最大值偏差約為4 ℃。在停爐檢修期間，對改型COT套管拆檢，沖刷也不明顯。

2.4 表面式COT熱電偶結(jié)構(gòu)分析

為了避免結(jié)焦，裂解爐還可以采用表面式COT熱電偶，將外套管焊接或捆綁在管道上，熱電偶穿在外套管內(nèi)，外套管外設(shè)有保溫棉，熱電偶測量點(diǎn)及后面一段長度都采取與管道貼平的方式。表面式COT熱電偶避免了與介質(zhì)的直接接觸，而是與被測介質(zhì)的管道外壁貼合，所以測量的溫度一般要比實(shí)際溫度低10～100 ℃，優(yōu)點(diǎn)是使用壽命較長和低成本，表面式COT熱電偶在有參考基點(diǎn)、即有已知偏差的基礎(chǔ)上，也是一種不錯(cuò)的選擇。

2.5 COT熱電偶絲材質(zhì)改進(jìn)

常用的COT熱電偶絲是K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，是一種性價(jià)比很高的廉金屬熱電偶，其正極是w(Cr)=10%的鎳鉻合金，負(fù)極為w(Si)=3%的鎳硅合金，鎳硅合金在裂解爐800 ℃以上的高溫中長期使用后，會(huì)發(fā)生氧化導(dǎo)致熱電勢下降，使測溫出現(xiàn)負(fù)偏差。為提高電偶絲材質(zhì)的熱穩(wěn)定性，可以選用正極為鉑銠13合金(w(Rh)為13%)，負(fù)極為純鉑的貴金屬如R型熱電偶，長期使用溫度為1 300 ℃，考慮到R型熱電偶價(jià)格昂貴，可以在每組爐管中選幾支作為比對用。

3 結(jié)束語

表面式及插入式COT熱電偶在溫度測量準(zhǔn)確性及使用壽命上各有優(yōu)點(diǎn)，其中，表面式使用壽命長，但測溫準(zhǔn)確性較插入式低，但同時(shí)，插入式由于套管插入在爐管內(nèi)，長期使用存在套管被沖刷的問題，且有可能造成爐管結(jié)焦。已經(jīng)有公司采用兩種結(jié)合的方法，即一組爐管中的大部分爐管使用表面式，且采用廉價(jià)K型熱電偶，同時(shí)選擇該組爐管中的2支使用插入式作為溫度偏差基準(zhǔn)，為提高熱電偶穩(wěn)定性，可以使用貴金屬R型材質(zhì)，為了避免因插入而導(dǎo)致的COT頭部及爐管結(jié)焦，可以進(jìn)一步在COT耐磨頭部采用“原位涂層技術(shù)”[6]，該技術(shù)在裂解爐爐管上已有廣泛應(yīng)用，通過控制爐管內(nèi)氧化程度，在裂解爐管內(nèi)表面原位形成尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化膜，從而抑制結(jié)焦。