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浅析热电偶在MTO装置中的设计选型及相关要点

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2017-10-26 16:59:41

 摘 要:最近几年,国内新建了多套甲醇制烯烃(MTO)装置,温度仪表作为最基础的仪表之一,在MTO装置的长周期稳定运行过程中发挥着重要作用。笔者总结了几个项目的工程经验,调研了已投产MTO装置的运行情况,简要介绍了MTO装置温度仪表的设计选型原则,重点介绍了反应再生部分的特殊热电偶的选型及相关要点。笔者旨在通过本文的相关论述和探讨,为工程人员对MTO装置温度仪表的合理应用和设计选型提供一点启示。

 
0 引言
        最近几年,随着甲醇制烯烃(MTO)装置工业化技术的成熟以及良好的经济性,国内新建投产了一批以甲醇制烯烃装置为核心装置的新型煤化工企业。在这种新型煤化工工厂中,MTO 装置起着承上启下的重要作用,要保证这些工厂整个的长周期稳定运行,就要首先保证 MTO 装置的长周期稳定运行,这就需要选择合适的仪表进行监控和操作。温度仪表是最基础的仪表,广泛应用于各类炼油化工企业,对炼油化工装置的安全运行、联锁保护起着非常重要的作用,同样温度仪表在 MTO 装置的安全稳定长期运行中也发挥了重要的作用。经过最近几年新建项目的工程设计以及已投产项目的调研,笔者在 MTO 装置温度仪表设计选型方面积累了一定经验。在文章中,笔者就 MTO 装置中温度仪表的设计选型原则、特殊工位热电偶的结构及选型思路等进行论述,供广大工程设计人员参考与探讨。
 
1 基本选型原则
        MTO装置是液相甲醇经换热汽化后进入流化床反应器,在反应器内甲醇与反应器内床层475℃的催化剂直接接触,在催化剂作用下迅速进行放热反应,生产出乙烯和丙烯为主的混合气相产品气,经急冷、水洗后送入烯烃分离装置。MTO 装置的介质主要是反再系统的甲醇、产品气和烟气,急冷水洗部分的急冷水和水洗水以及热工部分的蒸汽和凝结水等。其中反再部分的产品气和烟气均为气相、流速较快,且含有大量催化剂;急冷水中含催化剂较多,但流速低;水洗水中含有杂油和少量催化剂。针对 MTO 装置的上述介质特点,温度仪表的选型原则可按下述要求执行:
        1)就地温度指示仪表选用万向型双金属温度计,配带铠装外套管。双金属温度计刻度盘直径一般选用 100mm。安装位置较高或观察距离较远的场合,刻度盘直径可选用150mm。外套管为整体钻孔式锥形,材质不应低于相应设备或管道材质。
        2)测温元件一般选用单支防内漏铠装热电偶,两器及有催化剂场合选用耐磨铠装热电偶;在满足应用精度要求的前提下,一般采用 IEC 标准、分度号 K 的热电偶;对被测温度低且精度要求高的场合选用 Pt100 热电阻。普通测温元件采用绝缘型、防内漏式铠装芯结构,保护管材质应
满足工艺要求,不应低于相应设备或管道材质。普通保护管为整体钻孔式锥形。
 
        按照上述原则,MTO 装置涉及的测温元件基本上可以分为铠装双金属温度计、普通防内漏铠装热电偶、普通防内漏铠装热电阻普通防内漏铠装耐磨热电偶耐高温耐振耐磨热电偶、柔性铠装热电偶等。双金属温度计、普通防内漏铠装热电偶、普通防内漏铠装热电阻是石化厂最常规的温度仪表,文章不再详细说明,下面重点介绍一下其他几种热偶。
 
2 普通防内漏铠装耐磨热电偶
        MTO 装置反应再生系统的产品气和烟气类似传统催化裂化装置,流速较快、温度较高(450℃~ 700℃)、且含有大量催化剂,磨蚀能力强,此工况下一般都应采用 K 型防内漏耐磨铠装热电偶,过程连接为法兰,结构一般如图1 所示。
 防内漏耐磨铠装热电偶结构图
        保护管材质应根据反应再生器的操作温度、设计温度选用。一般保护管端部的耐磨头长度为 200mm,采用整体棒料钻孔制成,其外面再喷焊或烧结复合耐磨层。保护管材质的具体使用原则可参照表 1(仅列出部分方案,国内有多家温度仪表制造商可提供其他方案产品)。应在固定装置连接处安装不锈钢保险密封卡套。当热电偶保护套管端部磨穿时,不锈钢保险密封卡套能自动隔断外溢通道,避免事故的发生。保护管插入深度=外套管长度(外套管长度为设备法兰面到器内保护管端部的距离)+100mm ~ 150mm。部分传统的用户也要求在法兰和表头间增加切断阀,实际与采用不锈钢保险密封卡套的效果是一致的。
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3 柔性铠装热电偶
        在某些 MTO 工艺包中,有时只能用弯曲的办法才能将热电偶插入两器内某些部位时,可以不采用耐磨热电偶,而采用 Φ6mm 的柔性铠装热电偶。此时,设备法兰以内的保护管(保护管端部和设备隔离)由设备专业负责设计并随两器一起试压,铠装热电偶则插到设备制作的保护管内。为保证热电偶能完全插入至保护管端部,热电偶的长度宜为保护管长度 +1000mm,热电偶采用如图 2 方式安装,要求热电偶配带双密封卡套及锁紧螺母,保证热电偶保护管被磨穿时介质不至于外漏。
 柔性铠装热电偶安装图
4 辅助燃烧室热电偶
        MTO 装置的辅助燃烧室内虽然没有催化剂,但由于开工时短期最高操作温度可能超过 1200℃,并且流速高(可达 50m/s),有轻微振动,比较容易损坏。一般情况下,辅助燃烧室的测温热电偶采用耐高温耐磨热电偶,热电偶端缩入炉膛耐火砖表面 5 mm ~ 10mm ,这种方式对热电偶的要求相对不高,投资相对较低,但这种不伸出的方式测量不准,尤其是在高温下,温降大,极易引起炉膛温度显示的滞后,造成炉子衬里烧塌。随着技术的发展,目前国内已经能够生产出不必缩入炉膛耐火砖的特殊热偶产品,采用这种热偶时可伸入炉膛 100 mm 左右,能及时准确显示炉膛温度。针对不同项目,可以选择上述两方案之一。这两种方案的对比如表 2 所示。
       两种辅助燃烧室耐磨热电偶方案对比表
        催化裂化装置的辅助燃烧室在运行时会有轻微振动,虽然纯陶瓷套管或纯金属陶瓷套管能耐高温(1600℃)和耐磨(硬度超过 60),但是这两种材质比较脆,与坚硬的物体碰撞容易碎。因此,不建议选用纯陶瓷套管或纯金属陶瓷套管的热电偶。
 
5 耐磨热电偶的安装
        耐磨热电偶的插入深度愈大,安装所需的外部空间也愈大。在委托设备开口的标高和方位时应当注意。安装形式以向内下斜 45°为好(不易残留催化剂),如果为适应安装维护的需要,个别部位也可采取水平或其他安装形式。标准结构耐磨热电偶在再生器、沉降器等稀、密相床内的使用寿命一般都在 5 年以上,而在提升管反应器等高线速部位的使用寿命较短。因此,对于安装在提升管反应器等部位的耐磨热电偶还必须采取如下保护措施:
        1)在耐磨热电偶前设置防冲蚀挡板(硬质合金的或是刚玉衬里的,委托设备专业设计)。
        2)采用双套管结构,内套管可更换(设备开口改大至DN80)。
        3)延长设备外套管使之稍超过热电偶端部,将外套管端部背向气流部分割去半圆,割去长度约为100mm ~ 150mm。(委托设备专业设计)
 
在只能用弯曲的办法才能将热电偶插入两器内某些部位时(即第 2 节所述的柔性铠装热电偶),委托设备专业制作的保护管在拐弯时弯曲半径应至少大于 300mm。即使加大弯曲半径,采用这种方式时安装和检修难度均很大,在进行设备委托时应同工艺专业协商,尽量避免此种测量方式。
 
6 结论
        MTO 装置的温度仪表选型、安装还是有许多需要注意的地方,只有认真研究工艺流程和工况,选用合理经济的温度仪表,才能达到预计的效果和目的。笔者结合本单位过去几年多个项目中积累的工程建设经验对 MTO 装置的温度仪表选型各个方面进行了简要论述和分析,希望通过文章的相关阐述,能给 MTO 装置自控工程设计人员提供一点启示,通过大家的努力,使 MTO 装置更好的长周期稳定运行。

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