神華包頭甲醇合成反應器溫度故障處理

劉子云

（中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京市東城區，100011）

我國甲醇工業開始于1957年，我國甲醇生產原料以煤為主。甲醇是重要的基本有機化工原料，是煤炭轉化為其他化工產品的最佳途徑。

神華包頭煤制烯烴項目是世界首套、全球最大的以煤為原料，通過煤氣化生產甲醇、甲醇轉化制烯烴、烯烴聚合工藝路線，生產聚乙烯和聚丙烯的特大型煤化工項目。神華包頭煤制烯烴項目的煤制合成氣制甲醇裝置是引進英國Johnson Matthey／Davy公司的大規模甲醇技術裝備，生產的甲醇制烯烴 （MTO，Methanol To Olefins）級甲醇作為下游MTO 裝置原料，生產能力為180 萬t／a，可根據需要抽出部分粗甲醇生產精甲醇，精甲醇生產能力為60萬t／a。該生產裝置于2010年7月投產使用。

1 甲醇合成反應簡介

1.1 合成甲醇反應原理

甲醇合成反應分為主反應和副反應。合成甲醇的反應系統中，進行的化學反應有：

主反應：

主要的副反應：

甲醇合成反應是在合成反應器中進行的，甲醇合成反應器是甲醇裝置的核心設備，包頭煤制烯烴項目甲醇裝置的合成反應器是由韓國斗山集團（DOOSAN）加工制造。甲醇合成反應是可逆、放熱反應。

圖1 甲醇反應器示意圖

1.2 甲醇合成反應器簡介

Davy公司的甲醇合成反應器為蒸汽上升式合成塔，如圖1所示。蒸汽上升式合成塔是一個徑向流反應器，催化劑裝填在反應器的殼側，管內產生中壓蒸汽。新鮮的合成氣從反應器底部的中心管進入，中心管管壁上有分配孔，以保證氣體分布均勻；氣體沿徑向從內到外通過反應器的催化劑床層。從氣包來的鍋爐水進入反應器的底部，然后向上流動并部分氣化，帶走甲醇合成反應所產生的反應熱。反應溫度通過控制管內蒸汽的壓力調節。

1.3 甲醇合成反應的影響因素

甲醇合成反應是一個氣固相催化過程，其特點是合成反應主要在催化劑內表面進行。甲醇合成反應可分為以下5個步驟：

（1）擴散：氣體自氣相主體擴散到氣體-催化劑表面。

（2）吸附：各種氣體組分在催化劑活性表面上進行化學吸附。

（3）表面反應：化學吸附的氣體，按照不同的動力學機理進行反應，生成產物。

（4）解吸：反應產物的脫附。

（5）擴散：反應產物自氣體-催化劑界面擴散到氣相中。

影響甲醇合成速率的因素很多，有壓力、溫度、空速、催化劑粒度等。其中，最主要因素是反應物料的壓力和反應溫度，二者引起的效應分別被稱為壓力效應和溫度效應。

1.4 溫度對甲醇合成反應的影響

反應物分子間相互接觸碰撞是化學反應發生的前提，但是只有已被 “激發”的反應物分子，即活化分子之間的碰撞，才有可能發生反應。使反應物分子 “激發”所需的能量，稱為反應活化能。反應活化能的大小是表征化學反應進行難易程度的標志：活化能高，反應難于進行；活化能低，則容易進行。催化劑具有降低反應活化能、加速化學反應速率的作用，對于不同的催化劑，活化能降低的量不同。此外，活化能也表示反應速率對溫度變化的敏感度，活化能越大，溫度對反應速度的影響越大，所以提高溫度，可加快反應速度。

從甲醇合成反應的化學平衡方程來看，溫度低對于提高甲醇的產率是有利的；但從反應速度來看，提高反應溫度能提高反應速度。操作溫度的選擇取決于所選用的催化劑性能，溫度過低達不到催化劑的活性溫度，則反應不能進行；溫度太高，不僅增加了副反應，消耗了原料氣，而且反應過分劇烈，溫度難以控制，容易使催化劑失活，影響催化劑的使用壽命。同時，副產物的增加，也將增加甲醇精餾部分的能量消耗；溫度過高，影響設備的使用壽命。甲醇合成反應溫度的選擇要兼顧催化劑使用的初期、中期、末期，以及催化劑的組成和壓力變化等因素，應制定盡可能沿最佳溫度分布的操作溫度。在實際生產中，為了防止催化劑迅速老化，在催化劑使用初期，反應溫度宜維持在較低的數值，隨著使用時間的增長，逐步提高反應溫度。

由此可見，反應器的溫度是影響甲醇合成反應最重要的因素之一，反應器的溫度測量是十分重要的。

1.5 反應器溫度控制

圖2 是甲醇合成反應器溫度控制與測量示意圖。由圖2 可知，反應器溫度的中間值由TY-105計算反應器上的14支熱電偶的測量溫度得出。取14支熱電偶測得的平均溫度作為TIC-105的測量值，TIC-105的輸出作為TIC-121 的設定值，TIC-121是R101入口溫度調節回路。TIC-121通過控制TV-121調節閥，調節E102旁路的工藝氣量，以控制R101入口工藝氣溫度。

在每一個反應器上有4 組、共8 支K 型多點熱電偶，每支熱電偶可測量反應器從底部到頂部的10點溫度。即每個反應器上有80 個溫度測量點。每一組有4 點溫度共16 點 （TI-104D～TI-104G／TI-106D～TI-106G／TI-108D～TI-108G／TI-110D～TI-110G）進入SIS 系統中。這16點溫度任意2 點溫度均超過310℃時，甲醇裝置停車。除這16點溫度進入SIS系統外，其余溫度進入DCS中，進行顯示與運算。在DCS 中，TY-105選出TI-104B～TI-104H 與TI-105B～TI-105H 共14點溫度的中間溫度，此中間溫度作為TIC-105 的測量值。TIC105 通過控制換熱器旁路的工藝氣量，以控制反應器入口工藝氣溫度。

2 甲醇合成反應器溫度測量

每一組甲醇合成反應的溫度測量元件采用K 型多點熱電偶，每一熱電偶可測量10點溫度。熱電偶的測溫原理：將兩種不同材料的導體或半導體焊接起來，構成一個閉合回路，當兩個連接點間存在溫度差時，兩者之間便產生電動勢，因而在閉合回路中會形成一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶正是利用熱電效應來工作的。當被測介質溫度發生變化時，熱電偶的工作端與自由端的熱電勢也隨之發生變化。將熱電勢的變化值傳送到顯示儀表進行指示或記錄，或傳送到DCS系統、SIS系統等進行數字處理，即可得到被測介質的溫度。

圖2 甲醇合成反應器溫度控制與測量示意圖

在甲醇反應器熱電偶安裝前，利用標準熱電偶及電加熱器進行校驗。從熱電偶出廠檢定報告及安裝前的實際校驗來看，德國E+H 公司為甲醇合成反應器制造的熱電偶的材質及檢定的數據均合格，滿足實際生產的需要。

3 甲醇合成反應器溫度故障情況

2010年5 月1 日，甲醇裝置中的合成反應器安裝完畢，具備安裝反應器熱電偶的條件。從2010年5月3日開始，用了2d的時間，將兩個反應器的8組熱電偶安裝完畢。2010年5 月5 日至2010年5月7日，用了3d的時間，將兩個反應器的160點溫度信號全部與接線箱連接完畢。2010年5月8日，包頭煤制烯烴甲醇裝置DCS系統與SIS送電。從DCS操作站上發現甲醇反應器的160點溫度中有80點溫度出現波動，從該現象看，這些溫度的波動完全是隨機的，波動的幅度忽大忽小，波動的頻率忽快忽慢，毫無規律可循。由于溫度波動速度極快，DCS 操作站根本無法記錄。顯然，這些顯示的溫度是完全錯誤的。在熱電偶接線的同時，反應器的內件已安裝完畢，并已裝填部分催化劑。排除溫度顯示波動故障的最好方法是，拆除反應器熱電偶，重新檢查熱電偶是否出現故障。而要拆除熱電偶，必須先拆除反應器的內件，并將催化劑全部卸掉。若實施此方法，必然會嚴重影響甲醇裝置的工程建設進度。

4 甲醇合成反應器溫度故障查找

甲醇合成反應器溫度無規則波動，是一個十分罕見、極為特殊的異常現象，要排除故障，首先要查清產生這一故障的具體原因。將其中一組反應器溫度信號 （TE104A～TE104J），一個溫度點、一個溫度點的斷開與DCS 系統及SIS 系統的連接，即拆除一個信號，觀察一下DCS上的溫度指示是否還有波動。先拆除與DCS系統連接的TE104A，再拆除TE104B、TE104C，發現DCS系統中的溫度信號仍然波動。當將既與DCS 系統相連，同時又 與 SIS 系 統 相 連 的 TE104D、TE104E、TE104F、TE104G 斷開后，發現這組溫度信號中仍與DCS系統相連的TE104H、TE104I、TE104J這3點信號在DCS上顯示正常。將拆除的信號一個溫度點、一個溫度點的重新接入，先連接TE104A，再連接TE104B，之后再連接TE104C，依此類推。當連接TE104D 后，發現TE104A～TE104D 及TE104H～TE104J這些信號又開始波動；再接入TE104E 后，發現TE104A～TE104E及TE104H～TE104J這些信號波動得更為嚴重。經反復試驗，發現只要將進入SIS系統的TE104D～TE104G 任意一個溫度信號連接，DCS上的溫度顯示就開始波動。TE104D～TE104G 這4 個溫度信號既與DCS系統相連接，同時，又與SIS 系統相連接。這說明DCS系統中的反應器溫度信號無規則波動這一異常現象，一定與SIS系統相連的溫度信號有關。反應器溫度故障，可分別從儀表回路接線圖、安全柵、熱電偶結構方面，進行查找分析。

4.1 從儀表回路接線圖上分析

圖3為TE104A～TE104C與DCS系統相連接的儀表回路接線圖。TE104A～TE104C 熱電偶經過接線箱、K 型補償導線及MTL5081 安全柵與DCS的FTA （TAMT04）相連，再經DCS的多點低電平模擬輸入卡，轉換成可在DCS操作站上看到的溫度，TE104H～TE104J的接線也是如此。

圖3 TE104A～TE104C與DCS系統相連接的儀表回路接線圖

圖4為TE104D 與DCS系統相連接的儀表回路接線圖，TE104D～TE104G 這4 個溫度信號，既需要在DCS系統中參與溫度調節運算，又需要在SIS系統中參與聯鎖邏輯運算。因此，TE104D～TE104G 這4 個溫度信號，既要與DCS 系統相連，同時，又要與SIS系統相連。TE104D 熱電偶經過接線箱、K 型補償導線及MTL4073安全柵。MTL4073型安全柵實際上是一個帶有安全柵功能的溫度變送器，該安全柵溫度變送器將現場傳來的熱電偶mV 信號轉換為4～20mA 的標準信號。安全柵溫度變送器輸出的4～20mA 的標準信號，再經ICC312型信號分配器（一路4～20 mA 輸入，兩路4～20mA 輸出）一路送入SIS系統作為聯鎖信號，另一路送入DCS的高電平模擬輸入卡 （AI-HL），在DCS 操作站上能看見這一溫度信號，TE104E～TE104G 也是如此。

圖4 TE104D 與DCS系統相連接的儀表回路接線圖

從以上兩個回路接線圖可以看出，TE104A～TE104C及TE104H～TE104J是經過MTL5081型安全柵隔離后，再與DCS 的低電平輸入卡 （mV輸入卡）件相連；TE104D ～TE104G 是經過MTL4073型安全柵隔離后，再經過ICC312 信號分配器，同時與DCS系統和SIS系統相連。

4.2 從安全柵上分析

圖5為MTL5081型安全柵結構圖。從圖5中可以看出，MTL5081型安全柵，將現場熱電偶的mV 信號與DCS 低電平模擬輸入卡件的輸入mV信號進行隔離，即MTL5081型安全柵僅僅起到現場熱電偶與DCS系統之間隔離的作用。

圖5 MTL5081型安全柵結構圖

圖6為MTL4073型安全柵結構圖。從圖6中可以看出，MTL4073型安全柵是將現場熱電偶的mV 信號轉換為SIS或DCS系統能夠接收的標準4～20 mA 信號，即MTL4073 型安全柵不僅起到DCS系統、SIS系統與現場相隔離的作用，同時，它還具有溫度變送器的功能。此外，MTL4073型安全柵不僅具有冷端補償功能，同時還具有輸入開路檢測功能。

圖6 MTL4073型安全柵結構圖

4.3 從熱電偶結構上分析

選取TE104這一組多支熱電偶，用萬用表測量各組之間的正、負極間的電阻值，表1 是TE104A～TE104E 各點熱電偶線間電阻值。從表1中可以清楚看出，每支熱電偶的正、負極與另外一支熱電偶的正、負極都有一定的電阻值，即同一組多支熱電偶中的每一組單支熱電偶與另外單支熱電偶是互相連接的。由此可以推斷出該類型的甲醇裝置反應器多支熱電偶結構，具體如圖7所示。從圖7中可以看出，該類型的每一點熱電偶的測量頂點都與熱電偶的套管相連接，這就使每一點熱電偶的正、負極與本組的其他點熱電偶的正、負極都是相連的。這種熱電偶一般稱為 “快速接地型熱電偶”，它能快速測量被測介質的溫度，大大縮短了溫度測量滯后時間。

表1 TE104A～TE104E各點熱電偶線間電阻值 Ω

圖7 甲醇裝置反應器多支熱電偶結構示意圖

5 甲醇合成反應器溫度故障原因分析

由4.1～4.3節可以看出，TE104A～TE104C和TE104H～TE104J熱電偶經接線箱、K 型補償導線及MTL5081 安全柵，與DCS 系統相連，再經DCS 的多點低電平模擬輸入卡，轉換成可在DCS操作站上看到的溫度。TE104D～TE104G 熱電偶經接線箱、K 型補償導線及MTL4073 安全柵，再經ICC312型信號分配器，一路送入SIS系統作為聯鎖信號，另一路送入DCS系統參與甲醇合成反應器溫度調節運算。MTL5081型安全柵只是將熱電偶的mV 信號轉換為DCS低電平卡件能夠接收的mV 信號；MTL4073型安全柵不僅具有將熱電偶的mV 信號轉換為4～20mA 信號的溫度變送器功能，同時還具有熱電偶回路的開路檢查功能。MTL4073型安全柵定時向熱電偶發送很微弱的檢測電流信號，當MTL4073型安全柵檢測不到電流時，則認為溫度測量回路開路 （即回路斷線）。由于甲醇裝置反應器的熱電偶采用的是“多點快速接地型”熱電偶，每一分支熱電偶的測量點都與熱電偶的套管連接，使每一分支熱電偶的正、負極與本組的其他熱電偶的任一接線端相連，這樣就使由TE104D～TE104G 的MTL4073 型安全柵發出的檢測電流到處亂竄，本組10 個分支的熱電偶的mV 電壓信號受到極大干擾，造成了在DCS 系統上所看到的甲醇合成反應器的溫度出現波動的現象。由于每一組熱電偶連接4個MTL4073型安全柵溫度變送器，每一個MTL4073型安全柵溫度變送器都發出開路檢測電流，有時這些開路檢測電流相互抵消，有時又相互疊加，這樣就使DCS 系統中所觀察到的溫度波動完全是隨機的，波動的幅度有大有小，波動的頻率有快有慢，毫無規律可循。分析其根本原因是由甲醇裝置采用的 “多點接地型”熱電偶，及與之相連的MTL4073型安全柵發出的檢測電流造成的。

6 甲醇合成反應器溫度故障排除

用安裝有MTL4073型安全柵組態軟件 （PCS-E01003）的筆記本電腦及專用的連接電纜與MTL安全柵相連，將MTL4073型安全柵的開路檢查 （Open Check）功能取消，甲醇合成反應器的溫度顯示隨即全部正常。

圖8是取消MTL4073型安全柵開路檢查功能后的合成反應器溫度測量曲線。從圖8中可以看出，故障排除后，甲醇裝置中的合成反應器的溫度信號在DCS系統顯示正常，這些溫度信號很好地發揮了監視甲醇裝置中的合成反應器的運行狀態作用。

圖8 取消MTL4073型安全柵開路檢查功能后的合成反應器溫度測量曲線

7 結語

神華包頭煤制烯烴項目中甲醇裝置的甲醇合成反應器溫度無規則的波動，是一個十分罕見、極為特殊的異常現象。若與MTL4073型安全柵相連的是單支 “接地或非接地”型熱電偶，則不會出現這種溫度波動的情況；若與MTL4073型安全柵相連的是多支相互隔離型熱電偶，也不會出現這種溫度波動的情況；若與 “多點接地”型熱電偶相連的僅是MTL5081型安全柵，也不會出現這種溫度波動的情況。其故障的產生是由于甲醇裝置采用的是“多點接地型”熱電偶及與之相連的MTL4073 型安全柵發出的檢測電流共同造成的。利用組態的手段，將MTL4073 型安全柵的開路檢查功能取消（對甲醇反應器的溫度檢測沒有任何影響），故障排除。

包頭煤制烯項目甲醇裝置中的甲醇合成反應器溫度無規則波動故障的及時排除保證了神華包頭煤制烯烴項目甲醇裝置工程按時完工，并按預定時間節點準時開車。

參考資料：

［1］ 劉衛平 .以煤為原料甲醇裝置凈化新工藝的探討［J］.氮肥技術，2006 （6）

［2］ 范翔.淺談煤制甲醇裝置安全設計 ［J］.廣東化工，2010 （208）

［3］ 劉子云.180萬t／a甲醇裝置進料系統聯鎖邏輯改進［J］.儀器儀表用戶，2012 （6）

［4］ 張明春，肖燕紅.熱電偶測溫原理及應用 ［J］.攀枝花科技與信息，2009 （4）

［5］ 劉敬榮，唐黎華.大型甲醇合成反應器的模擬［D］.上海：華東理工大學，2007

［6］ 王磊，豐中田.360t／a甲醇裝置運行中存在的問題及解決措施 ［J］.化工催化劑及甲醇技術，2011（4）

［7］ 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊 ［M］.北京：化學工業出版社，2000

［8］ 顏廷昭，白云平.甲醇生產工藝進展 ［J］.石化技術與應用，2000 （2）