煉油廠加氫反應器床層溫度檢測技術

金哲

(中石化廣州工程有限公司，廣東廣州510620)

隨著中國加工重質及高含硫原油比例的不斷提高，特別是清潔油品需求的迅速增加，石油化工企業中加氫裝置得到飛速發展。加氫反應器是加氫裝置的核心設備，而溫度又是反應器運行中重要的參數之一，控制反應器溫度可保證進料達到要求的轉化率，避免“飛溫”等異常情況發生。生產操作過程中，催化劑失活、進料質量變差、氮質量分數增大、生產操作方案的變化及液體徑向分布不均勻等現象，都需要通過監測和控制反應溫度來處理解決。為了測量催化劑床層的溫度，需要在催化劑床層的不同高度上安裝多點式熱電偶，其測量場合為高溫、高壓且為臨氫危險環境，對熱電偶安全、可靠、快速的檢測技術要求很高。

1 加氫反應器床層溫度測量目標

加氫反應是放熱反應，反應器床層溫度的操作目標是保證床層徑向溫差小和床層軸向溫升平穩。床層徑向溫差是指反應器同一床層水平高度橫截面上不同位置測點間的溫度之差；床層軸向溫升可簡單地表示為該床層進口和出口的平均溫度差。床層同一截面的徑向溫度分布反映了反應器內流體的分布均勻程度，也是對反應器內構件和催化劑裝填好壞最靈敏、最直接的反映。軸向溫度分布則表明該床層中發生了多少反應，如果同一徑向方位上通過垂直平面時的溫差過低或過高，則表明原料在穿過催化劑床層時可能發生了流動方面的問題。

根據溫度測點的測量需求，為利于比較溫度分布情況，測溫點在同一高度截面上應均勻分布，在不同高度上的測點宜在同一方向和位置布置。測溫點越多，越能詳細地反映反應器內床層溫度的變化情況，但測溫點數量的選擇需根據加氫反應的類型、反應器的直徑大小、工程投資等情況綜合考慮。

2 加氫反應器床層溫度測量形式

根據加氫反應器類型的不同，反應器床層溫度的測量形式有不同的選擇。根據工藝需要，測量點一般最少為3點，多的能達到幾十點；一般分為在同一直徑上均勻分布和在同一圓周或多個圓周上均勻分布；插入方向一般可以分為徑向插入和頂底插入。幾種典型的測量形式如圖1所示。

圖1 反應器床層溫度典型測量形式示意

1)A形式為采用多支單點高壓熱電偶測量方式，安裝簡單方便，但設備開口數量多，懸臂結構使根部承受的剪應力較大，容易彎曲或斷裂，一般不能深入反應器內壁太長。該種形式僅適用于反應器直徑較小，測量點數量較少的場合。

2)B形式為采用一支多點熱電偶測量方式，設備開口數量少，一般采用剛性外套管加外部支撐能較好地克服剪應力影響，該種形式測量點較少，一般為3點或4點，且測量點必須在同一直線上。

3)C形式為采用多點柔性熱電偶方式，設備開口數量少，柔性鎧裝套管直接承壓，可以彎曲不受直線限制便于敷設到反應器內不同位置，適用于測點數量要求較多且非直線分布的應用場合，但路由設計和支撐設計工作量大，現場安裝工作復雜。

4)D形式為采用頂部插入式多點熱電偶方式，可將不同床層高度的測量點在1根剛性套管內布置，設備開口數量少、測量點數多，但不適用于有氣液分配盤、冷氫箱等內構件的反應器。

3 加氫反應器床層溫度檢測技術

隨著加氫技術的推陳出新和加氫裝置大型化的飛速發展，加氫反應器的床層溫度測量要求不斷提高和變化，其檢測技術也取得了突飛猛進的發展，伴隨著熱電偶產品制造能力的提高，用于加氫反應器床層溫度測量的熱電偶產品在測量準確性、快速性、安全性等方面均取得了快速發展，檢測技術和產品趨于多樣化，目前在煉油廠各類加氫裝置的設計中，加氫反應器床層溫度測量主要的檢測技術方案有： 設備帶大套管3點式熱電偶方案、整體套管3點式熱電偶方案，設備帶獨立套管3點式熱電偶方案，獨立套管T型梁3點式熱電偶方案，多點柔性熱電偶方案，頂裝式整體套管多點式熱電偶方案。

3.1 設備帶大套管3點式熱電偶方案(方案1)

設備帶大套管3點式熱電偶方案測溫元件采用3點式鎧裝熱電偶，熱電偶保護套管作為反應器內構件提供，該方案安裝簡單，熱電偶不承壓，但熱電偶與承壓外套管間的空隙較大，熱電偶很難與承壓外套管內壁良好接觸，溫度測量存在較大滯后和偏差，響應時間也較慢。設備帶大套管3點式熱電偶結構如圖2所示。

圖2 設備帶大套管3點式熱電偶結構示意

3.2 整體套管3點式熱電偶方案(方案2)

整體套管3點式熱電偶方案為將方案1采用的3支3點式鎧裝熱電偶與熱電偶保護管由制造廠整體制造，保護套管內采用彈簧壓片使熱電偶感溫元件良好接觸保護套管的內壁，增加了測量的準確性，提高了測量的響應速度。整體套管3點式熱電偶結構如圖3所示。

圖3 整體套管3點式熱電偶結構示意

3.3 設備帶獨立套管3點式熱電偶方案(方案3)

設備帶獨立套管3點式熱電偶方案測溫元件采用3支鎧裝熱電偶，熱電偶保護套管作為反應器內構件提供，每只熱電偶的保護套管獨立設置，3根承壓外套管采用三角型支撐板固定在一起，組成正三角形行架式結構。熱電偶的端部用堵頭封堵，減少了空氣間隙。該方案熱電偶不承壓，保護管內部間隙遠小于方案1，溫度響應時間大幅提高。設備帶獨立套管3點式熱電偶結構如圖4所示。

圖4 設備帶獨立套管3點式熱電偶結構示意

3.4 獨立套管T型梁3點式熱電偶方案(方案4)

獨立套管T型梁3點式熱電偶方案與方案3在形式上類似，只是熱電偶的保護套管、鎧裝套管整體供貨以及橫跨反應器的T型梁均由熱電偶制造廠加工供貨，保護套管端部設置有熱傳導塊，能與熱電偶端部良好接觸。由于熱電偶保護套管在端部稍微外彎，脫離T型梁，直接和床層介質接觸，所以溫度響應更加快速準確，保護套管和鎧管雙道密封，提高了產品的安全性。獨立套管T型梁3點式熱電偶結構如圖5所示。

圖5 獨立套管T型梁3點式熱電偶結構示意

3.5 多點柔性熱電偶方案(方案5)

多點柔性熱電偶方案是解決更多測點溫度檢測的測量方法，與傳統的3點式熱電偶相比，該測量方法可根據檢測位置的需要任意確定測量點數，熱電偶鎧管能柔性彎曲，測溫點可設在反應器內任何位置。柔性熱電偶設置了雙道密封腔和測漏壓力表，進一步提高了防泄漏的安全性能。該種熱電偶安裝較為復雜，對于安裝高度距離催化劑支撐梁或氣液分配盤較近的床層柔性熱電偶，可利用上述設備內件作為支撐，對于無法借用支撐的其他高度上的床層柔性熱電偶需要熱電偶供貨商提供支撐盤，將支撐盤安裝在反應器內壁上的預埋件上，然后再利用支撐盤安裝柔性熱電偶。多點柔性熱電偶結構如圖6所示。

圖6 多點柔性熱電偶結構示意

3.6 頂裝式整體套管多點式熱電偶方案(方案6)

頂裝式整體套管多點式熱電偶方案采用1根剛性套管，大量熱電偶鎧管在保護套管內自上而下插入不同高度的測溫點，測溫端通過雙金屬片使溫度升高時熱電偶端部貼緊套管內壁，保證了良好的測溫精度和快速響應。保護套管和鎧管雙道密封，提高了防泄漏的能力，同時在保護管內設計了氮氣反吹系統，防止潮氣或空氣中的物質對保護套管造成腐蝕開裂。該方案一般用于沸騰床加氫反應器這類“空桶”式反應器，由于測點多且床層處于不同的高度，當該種多點熱電偶長度較長時，受運輸限制通常無法整體供貨，需采用外保護套管分段供貨，現場組焊或反應器制造廠組焊，先將保護套管插入反應器后再進行熱電偶鎧管的插入，現場施工難度較大。頂裝式整體套管多點式熱電偶結構如圖7所示。

圖7 頂裝式整體套管多點式熱電偶結構示意

4 床層溫度檢測技術對比和選擇

加氫反應器床層溫度檢測技術和產品多樣性的發展給廣大設計人員在技術選擇上提供了廣泛的支撐，也對設計人員在產品選擇的適用性、先進性、經濟性方面提出了更高的要求。

在設計中，加氫反應器床層溫度檢測技術主要根據測點分布、反應器的結構、工藝過程對測量溫度準確性和快速性的需要、生產安全性要求、工程建設投資等方面進行選擇，文中介紹的六種檢測技術的對比見表1所列，設計人員可以根據各類加氫裝置的特點和反應器的形式選擇不同的反應器床層溫度檢測方案。

表1 不同檢測技術對比

5 結束語

加氫反應器床層溫度的檢測技術在不斷地發展和進步，隨著床層熱電偶產品制造能力的提高，使熱電偶檢測技術在自身整體承壓、測點靈活布置、響應快速準確、安全性保障等方面不斷創新，形成了更多的新技術、新產品的應用，通過本文的分析和闡述，希望對設計人員合理地選擇不同類型加氫反應器床層溫度的檢測技術方案有所幫助。