石油化工加氫反應器溫度檢測工程設計

林洪俊，邱學

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

加氫工藝是近年來大量采用的重要的石油化工加工工藝，加氫反應器是加氫工藝裝置中的核心工藝設備，保證反應器的安全、高效及經濟運行，檢測反應器內的溫度，有以下幾個目的：

1)保證工藝條件。加氫反應在一定溫度下進行，溫度是影響反應深度的重要參數，同一催化劑床層的徑向溫差和不同催化劑床層間的溫度梯度應嚴格監控。

2)保護催化劑。加氫反應所用催化劑是加氫工藝的基礎，價值貴重。催化劑對工藝條件有嚴格的要求，尤其是反應溫度，超過規定值會造成催化劑降效、失效，工藝裝置被迫停車更換，影響生產，造成嚴重的經濟損失，因此，需要對反應溫度嚴格監控。

3)保護反應器。反應器制造難度大，價值昂貴。加氫反應工作溫度高，壓力高，介質氫氣、油氣爆炸等級高，且對金屬有強氫腐蝕。嚴苛的工藝條件對反應器影響較大，運行安全風險高。作為核心設備，為保證反應器長周期運行，使用壽命達到設計值，必須對反應條件嚴格監控，防止超限。尤其是反應溫度，因加氫工藝為放熱反應，極易飛溫，操控難度大，所以需要特別監控。

加氫工藝種類繁多，可供選擇的溫度測量方案也眾多。目前許多工程對工藝條件不加區分，選擇的測量方案不經濟，造成浪費，給后續維護、檢修、標定都帶來困難。筆者認為，應根據具體工藝，在滿足上述目的的前提下，采用最經濟、易維護的原則選擇測量方案。本文根據筆者多年的設計與運行經驗，分享對加氫反應器溫度測量方案選擇的經驗，以供參考。

1 總體方案

溫度測量分為內部溫度檢測和外表面溫度檢測。內部溫度檢測主要反映工藝介質溫度及工藝過程的運行狀態，反映反應器設備的工作條件。內部溫度檢測包括反應器豎向溫度分布和徑向分布，豎向溫度分布反映反應過程，徑向溫度分布反映器內是否出現溝流。器壁外表面溫度檢測反映反應器設備的實際狀態。

2 內部溫度檢測

反應器內部溫度檢測常采用柔性熱電偶、T型梁熱電偶、彈壁式熱電偶、套管內安裝熱電偶、普通熱電偶直插測溫等方式，以下分別介紹其優缺點。

2.1 柔性熱電偶

柔性熱電偶結構如圖1所示。柔性熱電偶的鎧管可彎曲，測量端可以固定在指定位置。優點： 可測量多點溫度，測點可以環形布置，測點位置真實，測量準確，靈敏度高；缺點： 價格高，易受上方重力作用而損壞，換催化劑時易損壞，鎧管破裂后易造成滲氫，維修難，標定難。

圖1 柔性熱電偶結構示意

柔性熱電偶選型與安裝設計建議：

1)柔性熱電偶適用于工藝要求檢測多個測量點的工況。

2)柔性熱電偶有兩道密封，即一次密封和二次密封。

a)密封形式常見的有焊接密封和卡套密封，卡套密封與焊接密封相比的優勢是鎧管損壞后能單獨更換，可拆解安裝，且安裝方便。

b)一次密封的位置常見的有內焊和外焊，如圖1所示。

c)二次密封的位置如圖1所示，二次密封腔上須安裝就地壓力表或遠傳壓力變送器，通過測量二次密封腔內的壓力來檢測一次密封是否發生泄漏或者鎧管是否發生損壞。

3)柔性熱電偶的鎧管按照制造工藝分為單管單點和單管多點。單管單點是將一對偶絲和氧化鎂裝填在1根鎧管內，鎧管外徑一般為8 mm，壁厚一般為1.48 mm；單管多點是將多對偶絲和氧化鎂裝填在1根鎧管內，常見的有4對偶絲和9對偶絲，鎧管外徑一般為9.5 mm和12.7 mm，壁厚一般為1.8 mm。

4)柔性熱電偶在反應器內需要用安裝支架固定在指定位置。安裝支架通常由熱電偶供貨商設計并成套供貨。

5)絕緣電阻要求。常溫絕緣電阻試驗溫度為(20±15)℃時，阻值大于等于1 000 MΩ；高溫絕緣電阻試驗溫度為(500±15)℃時，阻值大于等于5 MΩ。

6)精度要求。滿足IEC 60584-2 class 1要求，即溫度范圍在-40～375 ℃時，精度為±1.5 ℃；溫度范圍在375～1 000 ℃時，精度為±0.4%。

7)柔性熱電偶應在出廠前標定。

柔性熱電偶長期以來被國外品牌壟斷，近些年通過國內制造商的攻關，已經實現了國產化。

2.2 T型梁熱電偶

T型梁熱電偶結構如圖2所示。T型梁熱電偶采用T型鋼梁作為整個熱電偶的支撐部件。T型鋼梁一端焊接在熱電偶法蘭內面上，另一端固定在反應器內壁的預制平臺上。優點： 測點位置真實，測量準確，靈敏度高，自帶支撐部件，安裝簡單；缺點： 測量點較少，測點只能線性布置，價格高，維修難，標定難。

圖2 T型梁熱電偶結構示意

T型梁熱電偶選型與安裝設計建議：

1)T型梁熱電偶適用于測量點較少的工況，常見的有三點T型梁熱電偶。

2)T型梁熱電偶有兩道密封，即一次密封和二次密封，如圖2所示，一次密封為套管與法蘭內面的焊接，二次密封為卡套接頭與法蘭外面的密封焊接。二次密封卡套接頭須設計為承壓結構，以防止套管破裂造成套管內帶壓將鎧管彈出。

3)T型梁熱電偶只需要在反應器內壁預制平臺，不需要其他支撐部件。

4)T型梁熱電偶的精度要求、絕緣電阻要求及標定要求和柔性熱電偶相同。

目前，T型梁熱電偶已經實現了國產化。

2.3 彈壁式熱電偶

彈壁式熱電偶結構如圖3所示。彈壁式熱電偶測量端安裝一個彈簧，并用塑料圈固定，當熱電偶安裝完畢后，在開工過程中，隨著反應溫度的逐漸升高，塑料圈融化，彈簧釋放，使熱電偶測量端緊貼在套管內壁上。優點： 熱電偶不接觸介質，不承壓，制造簡單，價格低，維修簡單，標定簡單。缺點： 測量點較少，溫度反應滯后；套管內部空間大，不能準確反應測點的真實溫度。

圖3 彈壁式熱電偶結構示意

彈壁式熱電偶均為國產產品。

2.4 套管內安裝的熱電偶

約15年前，對反應器徑向多點測溫多采用套管內安裝熱電偶測溫的方法，與彈壁式熱電偶類似。反應器設計時在徑向設計1根套管，根據測溫點位置，在每根套管內插入不同插深的鎧裝熱電偶，由于熱電偶測量端不能與套管內壁緊密接觸，溫度滯后大；金屬套管壁厚、傳熱慢，且套管自均溫快；套管直徑大，管內熱交換較充分，因此該測溫方式遠不能真實測量測溫點的溫度。目前該測溫方式已經淘汰，不再建議使用。

2.5 直插測溫的普通熱電偶

由于熱電偶在反應器內要承受來自上部的重力，容易導致保護管彎曲、斷裂、泄漏，偶絲斷掉失效，因此一般不采用普通熱電偶直接插入反應器測溫的方式。但是對于直徑特別小的反應器，徑向溫度分布均勻，測溫需求點少，熱電偶插深短，可以使用該測量方式。而且該測溫方式造價低、維修簡單、標定方便。

3 反應器外表面溫度檢測

反應器外表面溫度檢測采用表面熱電偶，常用的結構形式包括螺栓連接墊圈式、套筒式、磁性自吸附式。螺栓連接墊圈的安裝方式需要預先在反應器外表面設計墊板和螺栓；套筒安裝式則需要預先在反應器外表面設計套筒；磁性自吸附式無需在反應器外表面安裝任何部件，但是要求反應器表面材質為鐵素體。上述方式各有優缺點，筆者的使用經驗和建議如下： 對于外表面測溫要求可靠、準確的場合，宜采用如圖4的螺栓連接墊圈安裝方式；圖5中套筒式安裝方式加工、施工難度大，難以保證緊密安裝、準確測量，要謹慎選用；磁性自吸附式安裝方式雖然安全簡單，但易移動、脫落，可靠性低，適用于在役裝置需要新增外表面溫度測量而又不能焊接施工，且對可靠性要求不嚴苛的場合。

圖4 螺栓連接墊圈安裝方式表面熱電偶示意

圖5 套筒安裝方式表面熱電偶示意

4 結束語

加氫反應器溫度測量非常重要，但是溫度測量方案要慎重選擇。應綜合評估，在滿足工藝要求的前提下，優先選擇造價低、維修方便、校驗方便、使用壽命長的測量方案。