第27卷  第8期2020年8月仪器仪表用户INSTRUMENTATION
Vol.272020  No.8
高压加氢反应器床层柔性热电偶升级改造
赵 宽
（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086）
摘    要：
高压加氢反应器的床层温度是非常重要的参数，此参数直接参与反应器床层的温度控制和反应器超温紧急停车联锁。床层温度采用的温度测量方式多为柔性热电偶，柔性热电偶运行情况的好坏直接影响装置的安全平稳运行。该热偶直接与工艺介质接触，无热电偶套管进行保护，容易发生热偶折断，外铠皮损坏等情况。传统柔性热电偶设计结构无法满足苛刻工况条件，必修进行必要改造，提高柔性热电偶运行的可靠性。此次改造，首先研究原柔性热电偶压力腔泄漏的原因，并到对应的解决措施；然后，对原柔性热电偶结构进行升级改造，并改善柔性热电偶偶芯与压力盘的焊接工艺。通过此次改造，成功解决了惠州石化高压加氢装置反应器热电偶压力腔泄漏的问题。关键词：高压加氢；床层温度；柔性热电偶；压力腔泄漏
中图分类号：TH811                文献标志码：A
Upgrading of Bed Flexible Thermocouple in High Pressure
Hydrogenation Reactor
Zhao Kuan
（CNOOC Huizhou Petrochemical Co., Ltd., Guangdong, Huizhou, 516086,China）
Abstract：Bed temperature of high pressure hydrogenation reactor is a very important parameter, which is directly involved in the temperature control of reactor bed and the emergency stop interlock of reactor overtemperature. The temperature of bed is measured by flexible thermocouple. The operation of flexible thermocouple directly affects the safe and smooth operation of the device. The thermocouple is directly in contact with the process medium, and the thermocouple casing is not protected, so it is easy to break the thermocouple and damage the outer armour. The traditional flexible thermocouple design structure can not meet the harsh working conditions, and the necessary transformation is required to improve the reliability of the flexible thermocouple operation. Firstly, the reason of the leakage of the original flexible thermocouple pressure cavity is studied, and the correspond-ing solution is found. Then, the structure of the original flexible thermocouple is modified. The leakage of thermocouple pressure chamber in the reactor of high pressure hydrogenation unit of
Huizhou Petrochemical Company was solved successfully. Key words：high pressure hydrogenation；bed temperature；flexible thermocouple；pressure chamber leakage
0  引言
惠州石化的高压加氢裂化装置反应器的床层热电偶采用的是E+H 公司的柔性热电偶，共24组，其中6点的18
收稿日期：2020-05-27
作者简介：赵宽（1987-），男，广东惠州人，本科，仪表工程师，从事炼化企业加氢和制氢装置的现场仪表管理工作。
DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2020.08.013
文章编号：1671-1041(2020)08-0045-03
组，10点的6组。自2009年投产后，所有热电偶先后均出现压力腔泄漏现象（据调查海南等其它炼化企业，不管是哪家公司的柔性热电偶产品均存在该泄漏问题），此泄
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漏直接影响了装置的安全平稳运行。本文通过理论与实践相结合的方式，首先研究原柔性热电偶压力腔泄漏的原因，并提出了对应的解决措施；然后，对原柔性热电偶进行结构上的升级改造，并改善柔性热电偶偶芯与压力盘的焊接工艺，通过以上方法对原柔性热电偶的结构和制作工艺进行了全面的升级改造。此次改造达到了预期效果，柔性热电偶压力腔泄漏的问题得到了彻底的解决，E+H公司也根据此结构研发了新一代柔性热电偶产品，并得到了广泛应用。
1  温度检测在高压加氢反应中的关键作用
反应是物料在反应器内，一定温度、一定氢分压、有催化剂的条件下，经原料油反应生成所需要的产物，并在高低分分离系统中使循环氢与生成油分离。反应温度是高压加氢反应系统的主要操作条件，加氢反应的平均反应温度较高，反应器内的加氢脱硫、加氢脱氮以及芳烃加氢饱和及裂化段的加氢裂化，都是强放热反应。因此，有限控制床层温升是十分重要的。高压加氢反应器每个床层的入口温度和出口温度是通过热电偶进行测量的，大型反应器的床层温度测量点多，1个反应器从上到下至少有3个以上的床层，每个床层最少有5～10个测温点[1]。由于加氢反应器为高压容器，不宜开口太多，否则影响整个反应器的强度。所有常规测量方式已经不适用，目前普遍采用反应器柔性热电偶的测量方式来测量催化剂床层温升。此测量方式开孔少，测量点多，测温反应时间短，精度高，完全满足高压加氢反应对温度测点的要求，所以这种测量方案得到普遍应用。
本文以惠州石化高压加氢裂化，E+H公司的热电偶为例，简单介绍反应器柔性热电偶，其中柔性多点热电偶主要有单点单支、单点多支两种[2]。本装置使用的是单点单支结构。
2  传统结构反应器柔性热电偶简介
柔性热电偶主要特点如下：
1）响应时间快（在3s～8s），测量精度高（0.375%以内），性能稳定可靠，使用寿命长，可连续工作8～10年以上。
2） 采用特殊的焊接和密封工艺，确保柔性热电偶在高温高压条件下的安全性与可靠性。
3）一般都配有压力腔泄漏监测系统，能实时掌握热电偶运行状态。如果发生泄漏，能第一时间进行处置，避免事情扩大化。
4）热电偶一般从反应器顶部或者侧面开口进入，热电偶固定在安装支架上，不与反应器内壁相接处，不会降低反应器强度。
5）热电偶无套管结构，可以随意弯曲，铠管最小弯曲半径为2cm。
3  传统结构反应器柔性热电偶常见问题
1）DCS显示数值异常
主要因柔性热电偶一般在现场不安装变送器，需要敷设相应的补偿导线到机柜间内。补偿导线选型错误或者接线不符合规范是造成此故障的主要原因，此外组态错误，接线盒内端子短路等也会造成显示异常。
2）同床层温度显示数值偏差大
排除工艺设备方面问题后，主要问题为各分支热电偶安装不规范，测量端部不在一个水平面上，或者热电偶端部固定装置脱落。此类问题只能在下次检修换剂时解决。部分分支热电偶开路，排除线路和组态方面的问题后，主要原因为热电偶末端开裂，导致测量回路出于开路状态。
3）热电偶压力腔压力异常
排除仪表故障后，应判断为热电偶压力腔泄漏，氢气（H2）等介质通过泄漏的热电偶芯进入反应器外面的压力腔。这是柔性热电偶最常见，也是最难解决的问题，因为反应器内介质已经进入反应器外的压力腔，一旦压力腔密封失效，将会导致非常严重的后果，装置将被迫停工。
4  柔性热电偶升级改造方案
惠州石化蜡油加氢裂化氢反应器共有24支柔性热电偶，其中6点热电偶18支，10点热电偶6支。该热电偶与反应器的法兰接口为3" 2500lb，自2009年投产后所有热电偶先后均出现压力腔泄漏现象（据调查海南等其它炼化企业，不管是哪家公司的柔性热电偶产品均存在该泄漏问题）。2011年检修期间更换了E+H重新提供的2支热电偶，结果刚换上不久又发生了泄漏，现在部分热电偶压力腔最高泄漏压力已超过11MPa，个别热电偶还存在有微量气体外漏现象。今后一旦发生大量工艺介质外漏，将会导致重大安全生产事故，加上大部分热电偶的使用期限已经到了
图1  柔性热电偶结构
Fig.1  Structure of flexible thermocouple
赵 宽·高压加氢反应器床层柔性热电偶升级改造
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寿命末期，更需要对加氢反应器柔性热电偶进行升级改造。
经过分析原热电偶的加工工艺，发现其结构有以下缺陷：①每个分支铠装热电偶与法兰焊接端面处于与反应器介质直接接触的外表面，当热电偶运输、吊装时容易因焊接处松动脱焊而造成反应器内介质窜进压力腔而产生泄漏风险；②由于法兰端面面积小，当多支热电偶集中在很小面积内进行焊接时会相互影响，造成金属晶体发生不良改变而降低焊接强度。
原生产厂家E+H，针对上述原因根据相关建议进行了如下改进：
1）将热电偶铠管焊接面往后退，离开法兰端面150mm 左右。
2）扩大焊接面积，改进焊接工艺。
3）在法兰端面加固支撑，防止搬运过程造成外焊接处因摇摆出现松脱。
2014年E+H 向本公司免费提供了5支按上述方法改进后的新型热电偶，使用至今运行情况良好，没有发生泄漏。
5  升级改造方案的项目关键点
1）热电偶芯子不再焊接在法兰上，而是焊接在法兰后端的安全腔室焊接盘上。此作用是为保护芯子免受应力弯曲。芯子焊接部位的温度低于反应器温度，降低氢气渗透程度，延长使用寿命。
2）热电偶芯子末端加固封盖，免受介质流体冲击，延长使用寿命。
3）热电偶芯子采用8mm 外径加强型（壁厚1.5mm 以上)，增加强度；材质升级为321或者347。
4）热电偶芯子在安全腔室内不再使用“断开”设计，避免一旦氢气渗透对热电偶导线丝产生污染。
图2  改造后柔性热电偶结构
Fig.2  Structure of flexible thermocouple after modification
图3  改造后压力腔泄漏情况
Fig.3  Leakage of pressure chamber after transformation
5） 防破裂封堵装置能够有效避免工艺介质沿着铠装热电偶芯子里面的氧化镁（MgO）粉泄漏到外界。
6）热电偶芯子束在法兰面有保护盘，避免芯子在安装运输时受到应力损坏。
6  改造后实施效果
本次改造共更换5组有故障的柔性热电偶，均为压力腔严重泄漏，最高的泄漏压力10MPa，最小的泄漏压力9MPa，严重影响装置的平稳运行。此次利用2014年换剂大检修的机会对这5组柔性热电偶进行升级改造，更换成上述改造后的柔性热电偶。在更换热电偶的过程中，修复了安装支架，确保所有温度点均在工艺要求的水平面内，确保测量的准确性和稳定性。改造后的柔性热电偶结构更加合理，抗氢腐蚀能力、预防压力腔泄漏能力得到非常大的提升。自改造实施以来，柔性热电偶运行情况良好，压力腔无泄漏，未出现热电偶开路等故障，消除了装置的安全隐患，确保了装置的安全平稳运行。
7  结束语
在高压加氢装置中，反应器各床层的温度是监测反应过程的关键参数，柔性多点热电偶以其测点数量多，安装开口少，响应速度快，可靠性好等特点实现了反应器床层
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数设置；电石炉变压器一次电流、电石炉总功率设置，电极的二次电流上限和接触原件水温为安全保护性限制；三相电极带相调电极平衡电流时，把电极对地弧电压作为辅助控制参数，把电极对地电弧电压平均值作为变压器档位调档控制，按自然功率因数控制电极的平均入料深度[3]。3.2  三相电极调节控制逻辑
点动调节电极升降，单次动作电极10mm左右，两次动作时间间隔10s以上，防止电极大幅度升降。
上提电极控制条件：当电极电流大于设定值的1.02倍，延时10s带相上提电极；当上提受限时，三相档位同步降压；当电极电流大于设定值延时60s带相上提电极；当一次电流大于上限值延时10s带相上提电极；当二次电流大于上限值延时10s带相上提电极。
下插电极控制条件：当电极电流均低于设定上限值0.95倍，延时20s下插三相电极；下插电极后，一次和二次电流不超上限值；当某相电极电流低于设定下限值时，延时20s，带相下插电极，所下电极对地弧压不是最小以及操作电阻不是最小；下插电极后，一次和二次电流不超上限值。
3.3  电极调节限制条件
功率因数：电极功率因数最大相不能上提；电极功率因数最小相不能下插；平均功率因数>上限值，电流不超下插三相电极；平均功率因数<；下限值，上提三相电极。
操作电阻：操作电阻最大相不能上提；操作电阻最小相不能下插；平均操作电阻>上限值，电流不超下插三相电极；平均操作电阻<；下限值，上提三相电极。
把持器位置：把持器位置大于设定上限值不能上提电极；把持器位置小于设定下限值不能下插电极。
入料深度：入料深度最浅的电极不能上提；入料深度最深的电极不能下插。
reactor pressure中文
熔池电压：熔池电压大于设定上限值不能上提电极；熔池电压小于设定下限值不能下插电极。
3.4  档位调节
档位动作保护措施：进线有功大于设定有功功率上限时，降压；进线有功小于设定有功功率下限时，升压；电流超过区间设定值上限且电极受限不能上提时，降压。
3.5  档位调节限制条件
升档降档受档位设定区间限制；塌料期间不动档位（上提电极受限需保护，降压除外）。
3.6  电流调平衡
电流调平衡：当电流最小、操作电阻大、熔池电压最大，延时1min下插此项电极；当电流最大、操作电阻小、熔池电压最小，延时1min上提此相电极；当电极电流偏差超过1.05倍时，延时1min，带相调平衡电极电流。注意当电流大、塌料期间、出炉阶段不进行调平衡控制。
3.7  自动压放
程序中有两种压放方式供选择（建议选择按统计的把持器位置平均值压放）。
按设定的时间压放，人工确定每相电极压放时间间隔，系统开始倒计时，时间到后，开始自动压放本相电极。
按统计的把持器位置平均值压放，每2h统计1次三相电极的把持器工作位置平均值，按照位移平均值不同区间的位移，自动调整压放时间（本2h区间内的压放时间是由上2h统计的位移平均值确定的）。为防止压入瞬间电极电流过大，在即将压放时，系统自动检测电极电流大小。如果大于设定值，电极会上提后再压放。
4  结论
电石炉内电气参数的测量技术通过实验电路分析和在电石炉生产中实际验证，并在电石炉全自动控制运行中，完整地体现了电石炉电极电流、极对地弧电压、极对地电压、操作电阻等测量参数控炉的准确性和科学性。炉内电气参数真实性比以往只依靠变压器一次电气参数的换算结果值控制更精准，炉况控制更稳定。电石炉根据准确的电气参数投入全自动化控制方案中，更方便工艺操作人员对炉况进行准确判断，在生产过程中完全实现电石炉全自动控制方式。
参考文献：
叶晓荣.操作电阻的特性与电炉参数[J].铁合金,1985(05):1-10.
张宗有.矿热炉内部电气参数测量技术与工艺[C].2019中国·乌兰察布合金新材料产业大会论文集,2019.
张传伟，王洁，石小利，等.基于PC/104的电石炉炉台控制系统设计[J].化工自动化及仪表,2012(12).
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温度的安全、准确测量。通过制造工艺的技术攻关，对柔性多点热电偶进行升级改造，解决了铠管泄漏问题，大大增加了其使用寿命，同时增加了设备运行的可靠性和安全性。参考文献：
刘炜，丁锡端, 裴炳安.加氢反应器高温高压多点热电偶国产化研制[J].石油化工自动化,2018(01).
徐得森.柔性多点热电偶在再生器测温中的应用[J].电工技术,2019(02).
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