最近幾年，隨著甲醇制烯烴裝置工業(yè)化技術(shù)的成熟以及良好的經(jīng)濟性，國內(nèi)新建投產(chǎn)了一批以甲醇制烯烴裝置為核心裝置的新型煤化工企業(yè)。在這種新型煤化工工廠中，甲醇制烯烴裝置起著承上啟下的重要作用，要保證這些工廠整個的長周期穩(wěn)定運行，就要首先保證甲醇制烯烴裝置的長周期穩(wěn)定運行，這就需要選擇合適的儀表進(jìn)行監(jiān)控和操作。熱電偶、熱電阻和雙金屬溫度計是最基礎(chǔ)的儀表，廣泛應(yīng)用于各類煉油化工企業(yè)，對煉油化工裝置的安全運行、聯(lián)鎖保護(hù)起著非常重要的作用，同樣熱電偶、熱電阻和雙金屬溫度計在甲醇制烯烴裝置的安全穩(wěn)定長期運行中也發(fā)揮了重要的作用。經(jīng)過最近幾年新建項目的工程設(shè)計以及已投產(chǎn)項目的調(diào)研，昌暉儀表制造有限公司在甲醇制烯烴裝置熱電偶、熱電阻和雙金屬溫度計設(shè)計選型方面積累了一定經(jīng)驗。在文章中，筆者就甲醇制烯烴裝置中熱電偶、熱電阻和雙金屬溫度計的設(shè)計選型原則、特殊工位熱電偶的結(jié)構(gòu)及選型思路等進(jìn)行論述，供廣大工程設(shè)計人員參考與探討。
1、基本選型原則
甲醇制烯烴裝置是液相甲醇經(jīng)換熱汽化后進(jìn)入流化床反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)甲醇與反應(yīng)器內(nèi)床層475℃的催化劑直接接觸，在催化劑作用下迅速進(jìn)行放熱反應(yīng)，生產(chǎn)出乙烯和丙烯為主的混合氣相產(chǎn)品氣，經(jīng)急冷、水洗后送入烯烴分離裝置。甲醇制烯烴裝置的介質(zhì)主要是反再系統(tǒng)的甲醇、產(chǎn)品氣和煙氣，急冷水洗部分的急冷水和水洗水以及熱工部分的蒸汽和凝結(jié)水等。其中反再部分的產(chǎn)品氣和煙氣均為氣相、流速較快，且含有大量催化劑；急冷水中含催化劑也較多，但流速低；水洗水中含有雜油和少量催化劑。
針對甲醇制烯烴裝置的上述介質(zhì)特點，熱電偶、熱電阻和雙金屬溫度計的選型原則可按下述要求執(zhí)行：
①就地溫度指示儀表選用
萬向型雙金屬溫度計，配帶鎧裝外套管。雙金屬溫度計刻度盤直徑一般選用100mm。安裝位置較高或觀察距離較遠(yuǎn)的場合，刻度盤直徑可選用150mm。外套管為整體鉆孔式錐形，材質(zhì)不應(yīng)低于相應(yīng)設(shè)備或管道材質(zhì)。
②測溫元件一般選用單支防內(nèi)漏熱電偶，兩器及有催化劑場合選用耐磨鎧裝熱電偶；在滿足應(yīng)用精度要求的前提下，一般采用IEC標(biāo)準(zhǔn)、分度號 K的熱電偶；對被測溫度低且精度要求高的場合選用Pt100熱電阻。普通測溫元件采用絕緣型、防內(nèi)漏式鎧裝芯結(jié)構(gòu)，保護(hù)管材質(zhì)應(yīng)滿足工藝要求，不應(yīng)低于相應(yīng)設(shè)備或管道材質(zhì)。普通保護(hù)管為整體鉆孔式錐形。
按照上述原則，甲醇制烯烴裝置涉及的測溫元件基本上可以分為鎧裝雙金屬溫度計、普通防內(nèi)漏熱電偶、普通防內(nèi)漏熱電阻、普通防內(nèi)漏耐磨熱電偶、耐高溫耐振耐磨熱電偶、柔性鎧裝熱電偶等。雙金屬溫度計、普通防內(nèi)漏鎧裝熱電偶、普通防內(nèi)漏鎧裝熱電阻是石化廠最常規(guī)的溫度儀表，文章不再詳細(xì)說明，下面重點介紹一下其他幾種熱偶。
2、普通防內(nèi)漏鎧裝耐磨熱電偶
甲醇制烯烴裝置反應(yīng)再生系統(tǒng)的產(chǎn)品氣和煙氣類似傳統(tǒng)催化裂化裝置，流速較快、溫度較高(450-700℃)、且含有大量催化劑，磨蝕能力強，此工況下一般都應(yīng)采用K型防內(nèi)漏耐磨熱電偶，過程連接為法蘭，結(jié)構(gòu)一般如圖1所示。
保護(hù)管材質(zhì)應(yīng)根據(jù)反應(yīng)再生器的操作溫度、設(shè)計溫度選用。一般保護(hù)管端部的耐磨頭長度為200mm，采用整體棒料鉆孔制成，其外面再噴焊或燒結(jié)復(fù)合耐磨層。保護(hù)管材質(zhì)的具體使用原則可參照表1(僅列出部分方案，國內(nèi)有多家溫度儀表制造商可提供其他方案產(chǎn)品)。應(yīng)在固定裝置連接處安裝不銹鋼保險密封卡套。當(dāng)熱電偶保護(hù)套管端部磨穿時，不銹鋼保險密封卡套能自動隔斷外溢通道，避免事故的發(fā)生。保護(hù)管插入深度=外套管長度(外套管長度為設(shè)備法蘭面到器內(nèi)保護(hù)管端部的距離)+100mm~150mm。部分傳統(tǒng)的用戶也要求在法蘭和表頭間增加切斷閥，實際與采用不銹鋼保險密封卡套的效果是一致的。
表1 鎧裝耐磨熱電偶材質(zhì)選用一覽表
方案一 方案二 方案三
法蘭材質(zhì) 316 316 316
保護(hù)管本體材質(zhì) 316 316+3YC52 316
鎧裝套管材質(zhì) 316 316 316
耐磨層材質(zhì)及硬度 堆焊斯泰萊+噴涂斯泰萊硬度＞52 碳化鎢基陶瓷堆焊3.5mm硬度57-62 雙層噴涂斯泰萊硬度不低于60
使用溫度 0-950℃ 0-1250℃ 0-950℃
3、柔性鎧裝熱電偶
在某些甲醇制烯烴工藝包中，有時只能用彎曲的辦法才能將熱電偶插入兩器內(nèi)某些部位時，可以不采用耐磨熱電偶，而采用Φ6mm的柔性鎧裝熱電偶[6]。此時，設(shè)備法蘭以內(nèi)的保護(hù)管(保護(hù)管端部和設(shè)備隔離)由設(shè)備專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計并隨兩器一起試壓，鎧裝熱電偶則插到設(shè)備制作的保護(hù)管內(nèi)。為保證熱電偶能完全插入至保護(hù)管端部，熱電偶的長度宜為保護(hù)管長度+1000mm，熱電偶采用如圖2方式安裝，要求熱電偶配帶雙密封卡套及鎖緊螺母，保證熱電偶保護(hù)管被磨穿時介質(zhì)不至于外漏。
4、輔助燃燒室熱電偶
甲醇制烯烴裝置的輔助燃燒室內(nèi)雖然沒有催化劑，但由于開工時短期最高操作溫度可能超過1200℃，并且流速高(可達(dá)50m/s)，有輕微振動，比較容易損壞。一般情況下，輔助燃燒室的測溫?zé)犭娕疾捎媚透邷啬湍犭娕迹瑹犭娕级丝s入爐膛耐火磚表面5-10mm，這種方式對熱電偶的要求相對不高，投資相對較低，但這種不伸出的方式測量不準(zhǔn)，尤其是在高溫下，溫降大，極易引起爐膛溫度顯示的滯后，造成爐子襯里燒塌。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出不必縮入爐膛耐火磚的特殊熱偶產(chǎn)品，采用這種熱偶時可伸入爐膛100mm左右，能及時準(zhǔn)確顯示爐膛溫度。針對不同項目，可以選擇上述兩方案之一。這兩種方案的對比如表2所示。
表2 兩種輔助燃燒室耐磨熱電偶方案對比表
類型 普通耐高溫耐磨熱電偶 專用耐高溫耐磨熱電偶
法蘭材質(zhì) 316 316
保護(hù)管本體材質(zhì) 310 復(fù)合套管(外層高溫難熔金屬+內(nèi)襯碳化硅管)
鎧裝套管材質(zhì) 310 裝配式
耐磨層材質(zhì)及硬度 端部硬化處理 端部硬化處理
分度號 S B
使用溫度 0-1200℃ 0-1400℃
是否需要縮入耐火磚 是 否
價格 低 高
催化裂化裝置的輔助燃燒室在運行時會有輕微振動，雖然純陶瓷套管或純金屬陶瓷套管能耐高溫(1600℃)和耐磨(硬度超過60)，但是這兩種材質(zhì)比較脆，與堅硬的物體碰撞容易碎。因此，不建議選用純陶瓷套管或純金屬陶瓷套管的熱電偶。
5、耐磨熱電偶的安裝
耐磨熱電偶的插入深度愈大，安裝所需的外部空間也愈大。在委托設(shè)備開口的標(biāo)高和方位時應(yīng)當(dāng)注意。安裝形式以向內(nèi)下斜45°為好(不易殘留催化劑)，如果為適應(yīng)安裝維護(hù)的需要，個別部位也可采取水平或其他安裝形式。
標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)耐磨熱電偶在再生器、沉降器等稀、密相床內(nèi)的使用壽命一般都在5年以上，而在提升管反應(yīng)器等高線速部位的使用壽命較短。因此，對于安裝在提升管反應(yīng)器等部位的耐磨熱電偶還必須采取如下保護(hù)措施：
①在耐磨熱電偶前設(shè)置防沖蝕擋板(硬質(zhì)合金的或是剛玉襯里的，委托設(shè)備專業(yè)設(shè)計)。
②采用雙套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)套管可更換(設(shè)備開口改大至DN80)。
③延長設(shè)備外套管使之稍超過熱電偶端部，將外套管端部背向氣流部分割去半圓，割去長度約為100-150mm(委托設(shè)備專業(yè)設(shè)計)。
在只能用彎曲的辦法才能將熱電偶插入兩器內(nèi)某些部位時(即第2節(jié)所述的柔性鎧裝熱電偶)，委托設(shè)備專業(yè)制作的保護(hù)管在拐彎時彎曲半徑應(yīng)至少大于300mm。即使加大彎曲半徑，采用這種方式時安裝和檢修難度均很大，在進(jìn)行設(shè)備委托時應(yīng)同工藝專業(yè)協(xié)商，盡量避免此種測量方式。
甲醇制烯烴裝置熱電偶和雙金屬溫度計選型、安裝還是有許多需要注意的地方，只有認(rèn)真研究工藝流程和工況，選用合理經(jīng)濟的溫度儀表，才能達(dá)到預(yù)計的效果和目的。昌暉儀表制造有限公司結(jié)合本單位過去幾年多個項目中積累的工程建設(shè)經(jīng)驗對甲醇制烯烴裝置的溫度儀表選型各個方面進(jìn)行了簡要論述和分析，希望通過文章的相關(guān)闡述，能給甲醇制烯烴裝置自控工程設(shè)計人員提供一點啟示，通過大家的努力，使甲醇制烯烴裝置更好的長周期穩(wěn)定運行。
作者：李鵬、劉健、馬濤
