特殊场合中温度测量的解决方案

2010-08-15刘汉杰陈明平马文鹏

石油化工自动化 2010年6期

刘汉杰,齐瑞,陈明平,张波,马文鹏

(1.天津市中环温度仪表有限公司,天津 300101;2.中国市政工程华北设计研究总院三院,天津 300074; 3.兖矿国宏化工有限公司,山东邹城 273500;4.神华宁煤集团煤化工分公司,宁夏灵武 750411)

特殊场合中温度测量的解决方案

刘汉杰1,齐瑞2,陈明平3,张波3,马文鹏4

气化炉、反应器等装置是煤化工、化工行业中最具代表性的装置,因其工况的特殊性,温度测量尤其重要,因而对温度计也提出了更高更苛刻的要求。比如气化炉用温度计的长度可调性,反应器用温度计的多点抽芯性等。通过对不同行业中代表性装置特殊工况的特点进行列举和分析,针对性地阐述了在特殊工况下,进行温度测量的解决方案,以及选用温度计时所应具备的结构特性和选择材料时应遵循的原则,并对有代表性的温度计产品特点进行了描述,对用户在测量方案的选取和对温度计进行选用和评价时起到了实质性的指导作用。

温度计;气化炉;反应器;转化炉;合成塔

0 引言

对温度的准确测量和严格控制是确保工艺正常运行的关键因素,其将直接影响工艺过程是否在理想的条件下进行,甚至会影响到整体设备的使用寿命、安全生产及环境保护。目前在各个领域中,较具代表性的有煤化工行业的德士古(TEXACO)气化炉和壳牌(Shell)气化炉;石化行业的加氢反应器、合成塔和转化炉等。这些工况均因其炉体构造、内部介质、反应过程、操作条件具有极高的特殊性,所以对相应温度计的选择也凸显其特殊的重要性和复杂性。笔者凭借多年丰富的经验,将具有代表性和典型性的工况,以及相应温度计的选择原则和注意事项与大家探讨,旨在为不同用户提供具参考性的指导建议。

1 煤化工行业

1.1 TEXACO气化炉

1.1.1 工况特点

代表现场为宁夏煤业集团250 kt/a甲醇装置,神华包头和内蒙古久泰能源的煤制烯烃项目等。

以上现场采用TEXACO急冷流程、全废锅流程,是目前世界最先进的节能工艺。TEXACO气化炉具有高温、高压、氧化性和还原性气氛共存、强冲刷、温度压力骤变等特殊工况。燃烧室操作温度为1 350～1 500℃,操作压力2.5～8.7 MPa。焰气含有 CO,H2,CO2,H2O,CH4,Ar,N2及H2S等组分;煤灰熔点为1 310～1 370℃。燃烧室壳体与内衬耐火砖因受热膨胀系数不同,易发生相互剪切。最关键的是气化炉内冲刷磨损极为严重,所以温度计的测点必须位于距炉墙内壁 15～ 25 mm处。但是炉壁在砌制过程中难以保证均匀一致,加之炉内冲刷和磨损的存在,炉壁在生产进程中会发生不可避免的逐渐减薄的变化。

1.1.2 对温度计的性能要求

由于上述 TEXACO炉的特殊工况,要求测温传感器必须能承受达1 600℃的高温和8.7 MPa的高压;能同时抵抗氧化性和还原性气的双重腐蚀;具有可调整的插入长度和可随动的结构,当内衬发生厚度变化和扭曲剪切时,能进行相应的结构变化。

1.1.3 解决方案

针对这些要求,国内某仪表公司研制的“气化炉可调防振热电偶”通过选用特殊的材料和结构设计,满足了气化炉工况对温度传感器的苛刻要求。该产品已申请专利,是一种可调防振、耐冲刷、抗氧化、多级阻漏的气化炉专用热电偶温度计。

首先,热电偶的主体结构采用可调防振的设计理念,当气化炉炉壁衬里厚度发生变化时,热电偶可通过收缩式螺纹套管在±120 mm范围内进行调节,以实现测量元件始终保持在最佳位置[1]。当炉壳和内衬发生剪切时,利用万向转球可使探头随倾斜而进行旋转,并在限位导向管和校正减振弹簧的作用下,使探头始终保持在穿墙套管中心的正确位置上,避免了热电偶在炉墙发生变形时,产生硬力剪切造成折断。多级阻漏的结构设计,在热电偶套管发生损坏时,可防止炉内通过套管与外面对流,致使炉内高温传导甚至泄漏而发生的安全隐患,体现安全意识和环保理念。

其次,保护管材料采用通过无压烧结亚微米碳化硅粉末制造的进口碳化硅材料,该材料具有陶瓷和金属的双重特性,即使在超过1 750℃高温时仍能可靠地使用,其热导性与不锈钢相当,是氧化铝的5倍;硬度是仅次于金刚石的高性能材料之一;小于10μm的超细结晶,经氦气检漏测试,气孔率几乎为0,可有效阻止H2和CO通过管壁上的气孔对热电偶丝造成损坏;超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨损,能长期抵抗物料的冲刷,即使在超高温度下也能工作于氧化性和还原性气氛及强酸强碱的腐蚀性环境中。

1.2 Shell气化炉

目前国内已引进十余套Shell气化炉,代表现场为河南开祥甲醇工程和云维集团合成氨、广西柳化的煤气化装置。

1.2.1 工况特点

保证气化炉正常运转的条件:既不能使汽化炉超温受损,又要尽可能在消耗最低的氧量情况下,实现完全碳转化,因此温度控制至关重要。而Shell气化炉的结构特点决定了气化炉的温度不能直接测定,只能通过间接方法来控制。气化炉内件膜式壁与外壳之间形成一个“环形空间”,热的合成气不能窜入“环形空间”内,造成壳体超温。通过测量“环形空间”水冷壁的温度来推算炉内温度,是Shell气化炉温度测量的特点[2]。

“环形空间”温度为多点采集,各测温点是了解气化炉是否正常运行的关键,如有异常,要立即查找、分析原因,并及时处理,否则将会对气化炉造成重大损坏。

1.2.2 对温度计的性能要求

因煤粉是在4 MPa,1 500℃左右的气化炉中,与O2和蒸汽进行燃烧,且在被送到煤烧嘴处时已是在2 MPa的压力下,因此要求温度计需具有不低于2 MPa的耐压能力,并具有在超压情况下的应急措施,且能承受1 500℃的高温;由于Shell气化炉是集动、静设备于一体,集燃烧、反应、换热、急冷等工艺于一身的复合设备,因此要求所使用的温度计必须装卸方便、更换容易。因其结构复杂,控制点多,所以必须采用多点式温度计[3]。

1.2.3 解决方案

多点可抽芯阻漏式 Shell气化炉专用热电偶的设计方案解决了现场要求。

a)采用3点式或4点式,不同长度(最长可达6 m)的多点式热电偶温度计,可一举测量不同控制点的温度。

b)根据现场安装的特点,采用 4 in(1 in= 25.4 mm)600号的法兰安装部件,此部分与测温主体为可分离结构,即可先完成法兰的安装固定,再进行测温主体与法兰的配合安装。此方案可使笨重的法兰一次性安装,在日常的维护中只需更换主体部分即可,方便快捷。与此结构密切结合的是芯体元件的可独立更换性。每支测量元件都是可单独拆卸的个体,如果哪一支发生故障,可单独抽出更换,减少了维护成本和备品备件的数量及费用。

c)因炉内介质大量存在 HCl成分,设备制造较多使用了 Incoloy和 Inconel合金,为保持较高的承受高温与腐蚀能力,温度计材料的选用需全部采用Inconel600合金,保持测温元件、安装法兰以及密封卡套等的材料一致性。

d)温度计必须具有多级阻漏的密封结构设计,即每一支元件均需具备双级阻漏装置,当任何一支测温元件发生损坏时,因阻漏的存在,“环形空间”内的高温高压气流不会泄漏,同样保证了安全环保的现场要求。

2 石化行业

2.1 加氢反应器

2.1.1 工况特点

代表现场为南京蓝星 55 kt/a 1,4-丁二醇(BDO)项目。

在现代炼油工业中,加氢精制是不可缺少的工艺过程,加氢反应器是加氢装置的核心设备。它在10～25 MPa高压、400～480℃高温、临氢及硫化氢等条件下工作,其操作条件较为苛刻。而反应器的床层温度是直接影响转化深度、产品分布和产品质量的关键因素。即通过测量各床层每个温度点的温度值,来分析转化深度、催化剂均匀程度,以保证反应器正常运行。

2.1.2 对温度计的性能要求

从轴向看,一个加氢反应器由上至下具有多个催化剂床层和填料层,而每个床层的入口、出口均需测温,随着加氢装置规模不断扩大,反应器尺寸也越来越大,往往在床层中部还需增设1～2个测温点。

从径向看,反应器的高温区域,也是主要取温点,包括反应器中心部位和距器壁1/3半径处的左右两点。因此,无论是轴向还是径向,都决定了参与加氢反应器温度采集的温度计,应选用多点式热电偶,其各点的长度由反应器的尺寸和床层分布决定[4]。

2.1.3 解决方案

温度计安装原则:根据取样的分布,可采用从器壁开孔的径向安装型和从封头开孔的轴向安装型。选择原则:对于反应放热大、内部结构复杂、床层数量较多的反应器,通常采用径向安装。根据上述的径向取温点,此时多为3点式热电偶。而对于反应放热小、内部结构相对简单、床层数量少的反应器则一般采用轴向安装。同样为3点式热电偶,两两间隔120°均布在反应器直径的70%圆周上[5]。

温度计的设计思想及制作工艺:加氢反应器对温度测量的准确性要求很高,如各个床层出口径向温差不大于3℃,加氢裂化装置中因温升快,所以要求温度计具有较快的响应速度和较高的测量精度。对于大直径反应器,3个取温点已远不能满足准确采集温度分布的需要。工艺的大型化发展,需要能测量更多点温度的温度计。

由国内某仪表公司设计制造的专利产品“多点可伸缩铠装热电偶”和“快速导热多点式铠装热电偶”以两种不同的形式解决了同时测温、快速响应和多点采集的问题。前者采用中心固定杆、导向管和支撑环的结构,后者采用导向管和导向滑块的构造将多支测温元件均布于保护管内,保证测到的温度为床层同一时刻的温度,即测温的同时性。前者测量端部的弹性结构和后者的具有弹性轴和压缩弹簧的三向导热滑块,使测量元件与保护套管内壁紧密接触,减少了空气热传导环节,大大地提高了温度测量的准确性和时效性。这两种产品均可达到10点测温,测温元件分布于反应器内任何需要的位置上,将以往的点测温转变为面测温,实现了获得更有参考价值的流体分布信息的需要。且测温元件均采用阻漏抽芯式结构,可独立更换与拆卸,降低了维护成本和维修工作量,实现安全生产。

特别是“多点可伸缩铠装热电偶”,其独有的螺纹旋入套管结构,可实现±100 mm的伸缩调节,更加方便了现场对测点的布置和准确测量。变径双法兰组合的安装形式,彻底解决了温度计安装与拆卸繁重的问题,实现真正意义上的轻便与快捷。在选材上,因反应器内介质为烃类、氢气和硫化氢,所以温度计材料全部选择316SS或以上的材料。

2.2 甲醇转化炉

2.2.1 工况特点

代表现场为云南云维集团2 Mt/a焦化工程甲醇装置和尼勒克县瑞祥1 Mt/a焦化工程。

甲醇转化炉是高温、带压设备,炉内温度900～1 650℃,压力1.9～2.5 MPa,其事故处理及预防难度较大。转化炉内温度过高、焦炉煤气与氧气混合不均匀造成偏烧、温度速升、速降等是造成转化炉各种故障的直接原因,如何控制好转化炉内的温度是解决问题的关键。

转化炉内温度控制不好,经常超温,将极易导致耐火材料烧穿,转化炉本体变形,此时只能停车修复转化炉本体,重新做耐火,更换烧嘴,造成直接经济损失[6]。

2.2.2 对温度计的性能要求

温度计套管材料必须具有抗高温氧化的能力,耐温需达1 300℃,耐压能力强。因焦化现象的存在,所以要求套管拆卸方便。

2.2.3 解决方案

温度计保护套管材料的选择是重中之重,要求既能抵抗碰撞,经得起冲击,又必须具有抗高温氧化的能力。HR1300和3YC52是最理想的材料。

转化炉在焦炉煤气与氧气混合不均匀燃烧的情况下,燃烧区局部温度短时间有可能达到1 650℃以上,转化炉上层催化剂测温点的温度短时间有可能达到1 300℃左右,HR1300和3YC52两种材料均具有优异的抗氧化性能,长期使用温度可高达 1 200～1 300℃ ,短期使用温度可达1 350℃。其中 HR1300高温强度更好,能够适应转化炉上层催化剂测温点处的高温、氧化、冲刷严重的环境,是最适宜的转化炉套管材料。传统概念中的GH3039,GH214等合金材料,虽然具有耐高温性能,但在使用中易发生变形,所以不是适合的材料。

至于套管的制作工艺,考虑现场冲刷严重,则应采用φ30 mm锻棒单端深盲孔整体钻孔的制作方式,保证内孔不大于 φ6.6 mm,偏心度不大于0.2 mm/m,方能确保与测温元件紧密配合,并在强冲刷的工况下安全工作。

在焦化工程中,结焦现象非常严重,因此要求温度计结构具有方便快捷的可拆卸性。采用抽芯两节式分体结构,即保护套管与主体测温部分可分离,使套管拆卸、检查方便,一旦保护套管被烧毁时更换容易。

热电偶测温点及外保护套管伸入炉膛内的长度直接影响外保护套管及热电偶的使用寿命,伸入炉膛内越短,烧坏的可能性就越小。经过多次试验,在不影响测温准确度的条件下,垂直深入炉膛的长度150 mm为最佳,配合如前所述的密封阻漏结构,整体产品的使用寿命可达一年以上。

2.3 合成塔

2.3.1 工况特点

代表现场为中石油塔里木油田的斯纳姆(SNAM)大化肥尿素装置和贵州天福的托普索(TOPSOE)合成氨装置。

合成塔是进行合成反应的一种设备,主要应用于氨、氯化氢、甲醇、尿素等的合成,它的结构、材料和形成随反应物和反应条件不同而不同。无论是作为整个尿素生产龙头的尿素合成塔,还是作为合成氨装置中关键设备之一的氨合成塔,合成转化率的高低都是体现合成效率高低最主要的表现形式,其中合成塔内的最佳温度分布起到至关重要的作用。因此,对合成塔内温度的优化控制是提高合成效率的重要环节。

2.3.2 对温度计的性能要求

以尿素合成塔为例,尿素合成反应处于高温、高压和强腐蚀性介质(氨基甲酸铵、液氨、二氧化碳)的工作条件下,因此要求温度计具有防腐蚀性能,且能抵抗高温下的氧化腐蚀。合成塔通过每层的温度情况确定其工作状况,对于大直径的合成塔,无论从轴向,还是径向,均要求使用多点式的热电偶温度计[7]。

2.3.3 解决方案

吹气式热电偶是目前国内外普遍用于合成塔温度测量的典型温度计。各仪表制造商虽细节工艺各有不同,但温度计的共性特征是产品设有吹气装置,即通过往产品内部吹进N2或其他惰性气体,以便将产品内腔的O2等腐蚀性、有害性的气体送出保护管外部,避免了测温元件在高温下被氧化腐蚀,从而提高热电偶使用寿命。如遇合成塔直径较大,则可以选择吹气式的多点式热电偶,如在塔内分4个点进行安装测温,每个热电偶可以分成5～7层。

通过对产品细节的处理,使温度计不仅发挥着不可缺少的功效,同时克服了以往传统产品寿命短、维修繁琐的弊病。其中,较具代表性的是国内某仪表公司的吹气热电偶专利产品。该产品在吹气装置的进气管做了特殊处理,即在进气管处利用锁母与密封垫的巧妙运用,保障了进气管的密封性,达到了节约气体的功效。在导气管上分布焊接了 X个蜂窝状的支撑板,导气管穿过中间孔,多点铠装元件分别穿过各自的导孔,不仅分布有序,而且固定了元件距套管内壁的距离,显示了快速测温的功效。铠装元件在各自的双级阻漏装置下可以从接线盒处单独地抽取、安装与拆卸,降低了维护费用和生产成本。

3 通用方案

经过多年的生产和实际经验,概括总结以下几点用于各种测温场合的通用方案,供读者参考。

a)考虑介质的腐蚀性、高温氧化性、还原性及在一定条件下会发生的化学反应,温度计材质的选择不能仅限于测温元件和保护套管,起安装固定作用的法兰、螺纹、卡套、密封垫,甚至接线盒的材质均应有严格的要求。

b)安全生产是工业现场的首要任务,温度计的设计制造理念不能脱离安全的宗旨。除防护等级、防爆等级等基本要求外,温度计产品内部的密封阻漏装置被越来越多地应用在产品制造中,根据产品的复杂性和现场的危险性,阻漏等级可为一级、二级甚至多级,确保安全生产。

c)产品结构和安装方式的变革。随着产业大型化、多样化、高效化的发展,温度计从安装、维护到备件等各个细节之处应做到方便、快捷和节约。变径双法兰组的安装方式和抽芯式结构的综合运用,便充分考虑了现场由于各种原因,需对温度计进行反复安装拆卸的可行性。采用大法兰与小法兰的变径双法兰组合的形式,配合测量芯体的抽芯两节式的结构,可实现大法兰的最初安装固定和小法兰随测温芯体随时进行更换的安装拆卸方式,既安全又轻便快捷。抽芯式结构使用户在进行温度计的更换时,只需更换小法兰以上部分,大大减少了维修工作量和运行成本。

d)保护套管是温度计进行现场测温的先行军,主要抵抗现场介质的高温、高压、腐蚀、磨损、冲击以及碰撞等破坏,除了以上提到的对材料进行优选的必要外,套管的制作工艺是使其具有抵抗各种侵蚀能力的有力保障。目前,最先进的套管加工工艺是单端整体钻孔加工,运用深盲孔加工技术,可在2.5 m的长度范围内一次性成型,套管内孔仅6.5 mm,与6 mm的测温元件紧密配合,真正实现耐高压和抗冲击。且套管形式可选择直形或锥形,尤其锥形套管更具优势,不仅具有较直形套管更大的固有频率,同时还不失端部快速测温的现场要求。

e)温度计套管的选用直接影响着热电偶、热电阻、双金属温度计等的测温效果和使用寿命。在工业现场中,共振往往是造成温度计损坏的主要原因。因此,对温度计套管进行振动核算越来越成为招投标方、设计人员和生产厂家所关注的焦点问题。有限单元法,开创了一种全新的套管自然频率的计算方法,使振动核算更趋严谨、合理,对套管规格设计和现场振动判断具有非常重要的指导意义。