張明，李濤

(華陸工程科技有限責(zé)任公司 電控室，西安 710065)

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特殊熱電偶在甲醇合成裝置中的應(yīng)用

張明，李濤

(華陸工程科技有限責(zé)任公司 電控室，西安 710065)

根據(jù)甲醇工藝裝置中天然氣轉(zhuǎn)化合成工況和介質(zhì)的特殊性，對(duì)溫度測(cè)量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化合成工段中幾種特殊溫度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)和使用方法，針對(duì)天然氣轉(zhuǎn)化合成裝置的特殊設(shè)備預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器、轉(zhuǎn)化爐和甲醇合成反應(yīng)器的溫度測(cè)量提出了較好的方案，并在現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。

甲醇 天然氣 轉(zhuǎn)化爐 反應(yīng)器 特殊熱電偶

甲醇是多種有機(jī)產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機(jī)合成、染料、醫(yī)藥、涂料和國(guó)防等工業(yè)。國(guó)內(nèi)某大型煤化工項(xiàng)目利用當(dāng)?shù)刎S富的煤炭、油田氣資源和就近可得的常壓渣油，采用國(guó)際先進(jìn)的、符合環(huán)保要求的工藝技術(shù)，建設(shè)煤氣化和油田氣轉(zhuǎn)化制甲醇、甲醇制烯烴、渣油催化裂解制烯烴、聚乙烯、聚丙烯等上下游關(guān)聯(lián)的工藝裝置，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的“一體化”和“系列化”，體現(xiàn)了“減量化、再循環(huán)、再利用”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

1 工藝技術(shù)特點(diǎn)

該甲醇裝置為5.5kt/d(以100%甲醇計(jì))甲醇制烯烴(MTO)級(jí)甲醇生產(chǎn)裝置，使用1個(gè)催化富氣預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器和1個(gè)常規(guī)的蒸汽轉(zhuǎn)化爐用于原料天然氣生產(chǎn)合成氣。天然氣制合成氣與煤制合成氣和DCC富氫氣混合作為原料進(jìn)入甲醇合成回路。

該甲醇工藝主要包括原料準(zhǔn)備、天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化、甲醇合成、精制和蒸汽系統(tǒng)五大部分，工藝流程如圖1所示。

脫硫后的天然氣與蒸汽混合，經(jīng)加熱進(jìn)入轉(zhuǎn)化管內(nèi)與催化劑接觸，產(chǎn)生如下催化反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

影響轉(zhuǎn)化的因素主要有溫度、水碳比、壓力、空速、催化劑、蒸汽含鹽、氣體含硫等，其中對(duì)溫度的控制是轉(zhuǎn)化過(guò)程中的重中之重，提高溫度有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，可以降低殘余甲烷體積分?jǐn)?shù)。但如果溫度過(guò)高將會(huì)造成催化劑觸媒(鎳)的活性降低，影響轉(zhuǎn)化反應(yīng)效率，還會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)化爐爐管的壽命。

2 天然氣轉(zhuǎn)化合成工段中特殊溫度計(jì)的應(yīng)用

2.1 安裝在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器頂部的多點(diǎn)熱電偶

預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器是一道低溫轉(zhuǎn)化工藝，通過(guò)天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應(yīng)，將天然氣給料中重質(zhì)烴裂解成輕質(zhì)組分(主要為甲烷)，同時(shí)生成一些氫氣、一氧化碳及二氧化碳，整個(gè)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器各床層溫度應(yīng)保持在465～550℃，并且溫度不應(yīng)低于300℃。如果催化劑床層溫度過(guò)高，會(huì)破壞催化劑結(jié)構(gòu)，發(fā)生燒結(jié)，使催化劑活性降低；催化劑床層內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度若低于300℃，會(huì)使飽和蒸汽冷凝，附著在催化劑上，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)浸泡催化劑，使催化劑失去活性。根據(jù)此特點(diǎn)，在預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器圓周內(nèi)按120°角方向分別設(shè)置了3個(gè)14點(diǎn)的雙支K型熱電偶。根據(jù)床層的高度，確定每支熱電偶的插入深度。如圖2所示，該熱電偶分為三大部分，分別是熱電偶保護(hù)管、與設(shè)備連接部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分。為了與DCS信號(hào)統(tǒng)一，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電纜不采用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線。多點(diǎn)熱電偶頂部帶溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換接線箱，將雙支熱電偶的信號(hào)引至接線箱，接線箱中裝14個(gè)溫度變送器，將雙支熱電偶其中1組的14個(gè)檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA信號(hào)送至DCS，剩下1組的14個(gè)熱電偶信號(hào)接至接線箱空余端子排上，便于隨時(shí)替換使用。多點(diǎn)熱電偶的接線箱依靠1片DN100法蘭與多點(diǎn)熱電偶連接在一起。多點(diǎn)熱電偶與設(shè)備之間采用DN150的法蘭連接，法蘭材質(zhì)和壓力等級(jí)與設(shè)備一致。

圖1 甲醇工藝流程示意

圖2 預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶裝配示意

每個(gè)14點(diǎn)雙支熱電偶的檢測(cè)點(diǎn)分內(nèi)圈和外圈均勻分布在DN150法蘭上：外圈8個(gè)、內(nèi)圈6個(gè)；熱電偶每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的外護(hù)套管外徑為φ6.4mm，在法蘭的中心開(kāi)φ6.4mm的孔，焊接1根φ6.4mm的鋼柱，用于增加熱電偶的支撐力度。

預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)雙支多點(diǎn)熱電偶的測(cè)量元件長(zhǎng)度應(yīng)與每一層催化劑床層的高度保持一致，每個(gè)測(cè)量元件的護(hù)套外徑為φ3mm，測(cè)量元件前端彎曲并緊貼保護(hù)管內(nèi)壁，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，此外導(dǎo)向管的兩邊和終端分隔板焊接，緊密包裹著測(cè)量元件，防止熱電偶在振動(dòng)的過(guò)程中測(cè)量元件與終端分隔板產(chǎn)生摩擦而影響使用壽命。多點(diǎn)熱電偶的14個(gè)測(cè)量端在圖3中分別用字母A～N表示。

圖3 預(yù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2.2 轉(zhuǎn)化爐下集合管吹掃熱電偶

位于轉(zhuǎn)化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測(cè)點(diǎn)對(duì)于轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行十分重要，它是整個(gè)轉(zhuǎn)化爐科學(xué)合理操作的基礎(chǔ)，在轉(zhuǎn)化爐燃燒控制系統(tǒng)中，其作為燃燒控制和聯(lián)鎖的輸入條件之一，配合轉(zhuǎn)化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參數(shù)，共同決定了轉(zhuǎn)化爐燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷。該處溫度指示為轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的溫度，工藝的操作溫度控制在890℃，以保證合成氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)不大于3%。

轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的主要成分是氫氣和一氧化碳，溫度890℃，壓力2.1MPa，氫氣在高溫、高壓下具有較高還原性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期滲漏腐蝕，可以穿透普通的熱電偶保護(hù)管，腐蝕檢測(cè)元件，有時(shí)甚至反漏出管道，給生產(chǎn)帶來(lái)危害。因此，安裝在轉(zhuǎn)化爐底部下集合管的2個(gè)K型雙支熱電偶必須采用特殊的測(cè)量方法。

筆者選用的是1個(gè)帶DN50法蘭的K型熱電偶，熱電偶測(cè)量元件外護(hù)套材質(zhì)采用inconel 600，熱電偶保護(hù)管采用特殊的材質(zhì)incoloy 800H，同時(shí)法蘭以下與介質(zhì)接觸的部分噴涂一層厚度50～100μm的鋁涂層，以防止氫氣的滲漏，并在熱電偶法蘭上部的保護(hù)管上螺紋連接1個(gè)“Y”型接頭，側(cè)面連接氮?dú)夤芫€，直管上連接1根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉(zhuǎn)換模塊接線盒。同時(shí)碳鋼管上帶1個(gè)φ4mm的排氣孔，以排放出氮?dú)饣驓錃狻＝尤氲牡獨(dú)饬髁恳欢ㄊ俏⒘康目烧{(diào)節(jié)的(0～0.08m3/h)。因此，應(yīng)加入1個(gè)吹氣裝置調(diào)節(jié)流量。氮?dú)庥?根φ3mm材質(zhì)為inconel Alloy 690的導(dǎo)管通入熱電偶保護(hù)管，以便將可能滲入保護(hù)管內(nèi)的氫氣吹出。在保護(hù)管內(nèi)氣體流速應(yīng)不大于45m/s。采用這種特殊結(jié)構(gòu)、特殊材質(zhì)才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發(fā)生。

2.3 安裝在甲醇合成反應(yīng)器上的多點(diǎn)熱電偶

甲醇合成反應(yīng)器為管式徑向流反應(yīng)器，殼側(cè)裝有銅基催化劑，合成氣體進(jìn)入催化劑床層后，在溫度約為250℃的條件下氫氣與一氧化碳、二氧化碳反應(yīng)生成甲醇和水，同時(shí)還有微量的有機(jī)雜質(zhì)生成。甲醇合成反應(yīng)：

使用催化劑生成甲醇的效率取決于壓力、催化劑溫度、循環(huán)速率、合成氣組成及催化劑使用年限和狀況。其中溫度控制尤為重要，直接影響到甲醇的合成率。如果溫度過(guò)低，反應(yīng)器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生蠟，這將增加過(guò)濾器的更換頻率，所形成的部分蠟也將永久地粘附在催化劑上，從而污損活化區(qū)，影響甲醇合成率；如果溫度過(guò)高將造成甲醇催化劑受熱燒結(jié)，很快失去活性。由于催化劑在合成反應(yīng)中至關(guān)重要而且價(jià)格昂貴，在確保甲醇產(chǎn)量和操作穩(wěn)定性的情況下，應(yīng)盡量將溫度維持在合理的低溫區(qū)間內(nèi)。

每個(gè)甲醇合成反應(yīng)器頂部有4個(gè)溫度檢測(cè)口，每個(gè)溫度檢測(cè)口安裝1個(gè)組合式雙支K型多點(diǎn)熱電偶，每支多點(diǎn)熱電偶從上到下分布10個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，雙支熱電偶共用熱電偶保護(hù)套管，用于檢測(cè)合成反應(yīng)器內(nèi)部在不同高度催化劑床層的溫度。多點(diǎn)熱電偶分為上、中、下三個(gè)部分，頂部接線盒用于將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬量信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，中間部分用1片DN100法蘭與合成反應(yīng)器相連，法蘭根部至反應(yīng)器上部切線位置用1根DN100保護(hù)管固定，進(jìn)入催化劑床層部分，保護(hù)管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應(yīng)器內(nèi)部極易發(fā)生副反應(yīng)即甲烷化反應(yīng)，甲烷化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)后的高溫會(huì)使催化劑老化，損壞反應(yīng)器內(nèi)件，必須通過(guò)溫度報(bào)警和聯(lián)鎖對(duì)合成反應(yīng)器進(jìn)行溫度監(jiān)控。筆者選用的雙支多點(diǎn)熱電偶其中1支的10個(gè)溫度檢測(cè)信號(hào)全部進(jìn)入DCS，在另1支多點(diǎn)熱電偶的上、下位置各設(shè)置3個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，信號(hào)進(jìn)入DCS，中間位置的4個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)入SIS，合成反應(yīng)器的進(jìn)料口在中間位置，主要的反應(yīng)熱量都集中在中間區(qū)域，所以反應(yīng)器的中間位置的反應(yīng)熱最為集中。進(jìn)DCS和SIS中間位置的4個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)分別做“2oo16”的溫度高限聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動(dòng)作會(huì)觸發(fā)上游合成壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制將其轉(zhuǎn)速調(diào)至最低，泄放合成回路壓力，降低壓力會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)的冷卻增強(qiáng)，通過(guò)循環(huán)氣帶走熱量，給甲醇合成反應(yīng)器床層降溫；如果DCS中的溫度高高限(TAHH)聯(lián)鎖沒(méi)有被激活或者DCS聯(lián)鎖觸發(fā)后降溫效果不明顯，使得溫度繼續(xù)升高，此時(shí)設(shè)置在SIS中的溫度高高高限(TSHHH)將觸發(fā)聯(lián)鎖跳車動(dòng)作。聯(lián)鎖觸發(fā)的結(jié)果將會(huì)切斷整個(gè)甲醇合成回路合成氣進(jìn)氣，包括煤基合成氣和天然氣轉(zhuǎn)化合成氣，這樣就大幅減少了反應(yīng)熱，使床層溫度得到控制，不再繼續(xù)升高，有效地保護(hù)了催化劑。此外每支多點(diǎn)熱電偶由上到下選取第2點(diǎn)～第8點(diǎn)做中值選擇，其值在DCS上做顯示，防止催化劑鈍化不完全，溫度升高造成燒結(jié)堵塞催化劑卸料孔。

合成反應(yīng)器床層多點(diǎn)熱電偶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝難度大，為確保使用性和安全性，該多點(diǎn)熱電偶應(yīng)專利商要求而選用E+H產(chǎn)品，并隨專利商提供的合成反應(yīng)器設(shè)備成套提供。由于每支多點(diǎn)熱電偶的10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)陽(yáng)極共用，為避免現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器模塊的輸出信號(hào)發(fā)生漂移現(xiàn)象，應(yīng)特別注意選用電氣隔離性能較高(大于2000V)的溫度變送器模塊。

3 選擇溫度測(cè)量?jī)x表的要素

1) 對(duì)于溫度計(jì)，不僅要對(duì)保護(hù)管的材質(zhì)提出設(shè)計(jì)要求，考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等，還應(yīng)該對(duì)起固定作用的法蘭、螺栓螺母墊片、卡套密封圈和接線盒等連接件嚴(yán)格要求，在阻漏方面也應(yīng)有明確的規(guī)定。

2) 化工裝置的現(xiàn)場(chǎng)屬于高危區(qū)域，在溫度計(jì)的設(shè)計(jì)上不僅要選擇合適的防爆類型和防護(hù)等級(jí)，特別是現(xiàn)場(chǎng)接線箱也應(yīng)滿足所在區(qū)域的防爆要求。

3) 溫度計(jì)通常都是插入到設(shè)備或者管道本體內(nèi)部來(lái)測(cè)量溫度，尤其是插入設(shè)備內(nèi)部的溫度計(jì)，要從選型上對(duì)插入深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細(xì)研究設(shè)備圖，確認(rèn)溫度計(jì)口內(nèi)部是否有溢流板或擋板影響溫度計(jì)的插入。

4) 為了避免開(kāi)停車對(duì)業(yè)主造成經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，同時(shí)降低維修成本和安裝難度，特殊場(chǎng)合的溫度計(jì)可選用雙支型熱電阻或熱電偶；在重要設(shè)備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，溫度是指導(dǎo)工藝流程正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的指標(biāo)，快速、準(zhǔn)確、安全是溫度測(cè)量的目標(biāo)。溫度測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)，筆者結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項(xiàng)，期望能給相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒和參考。

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Application of Special Thermocouple in Methanol Synthesis Installation

Zhang Ming, Li Tao

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

s：According to characteristics of medium and working condition in nature gas conversion and synthetic in methanol installation, stringent requirement for temperature measurement is required. The technical features and application of some special thermometer are introduced in natural gas and steam reforming section of synthesis. A better solution of temperature measurement for special device of natural gas synthesis conversion including pre-reforming converter, reformer, and methanol synthesis reactor is proposed. Better effect has been obtained for in-site installation with practical operation.

methanol; natural gas; converter；reactor; special thermocouple

張明(1983—)，男，2006年畢業(yè)于重慶通信學(xué)院電子信息工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責(zé)任公司電控室，從事自動(dòng)化控制及儀表專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，任工程師。

TQ056.1+1

B

1007-7324(2016)05-0018-04

稿件收到日期：2016-06-04，修改稿收到日期：2016-07-30。