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)的保護管(保護管端部和設(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)備制作的保護管內(nèi)。為保證熱電偶能完全插入至保護管端部，熱電偶的長度宜為保護管長度+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
