炼油厂加氢反应器床层温度检测技术

金哲

(中石化广州工程有限公司，广东广州510620)

随着中国加工重质及高含硫原油比例的不断提高，特别是清洁油品需求的迅速增加，石油化工企业中加氢装置得到飞速发展。加氢反应器是加氢装置的核心设备，而温度又是反应器运行中重要的参数之一，控制反应器温度可保证进料达到要求的转化率，避免“飞温”等异常情况发生。生产操作过程中，催化剂失活、进料质量变差、氮质量分数增大、生产操作方案的变化及液体径向分布不均匀等现象，都需要通过监测和控制反应温度来处理解决。为了测量催化剂床层的温度，需要在催化剂床层的不同高度上安装多点式热电偶，其测量场合为高温、高压且为临氢危险环境，对热电偶安全、可靠、快速的检测技术要求很高。

1 加氢反应器床层温度测量目标

加氢反应是放热反应，反应器床层温度的操作目标是保证床层径向温差小和床层轴向温升平稳。床层径向温差是指反应器同一床层水平高度横截面上不同位置测点间的温度之差；床层轴向温升可简单地表示为该床层进口和出口的平均温度差。床层同一截面的径向温度分布反映了反应器内流体的分布均匀程度，也是对反应器内构件和催化剂装填好坏最灵敏、最直接的反映。轴向温度分布则表明该床层中发生了多少反应，如果同一径向方位上通过垂直平面时的温差过低或过高，则表明原料在穿过催化剂床层时可能发生了流动方面的问题。

根据温度测点的测量需求，为利于比较温度分布情况，测温点在同一高度截面上应均匀分布，在不同高度上的测点宜在同一方向和位置布置。测温点越多，越能详细地反映反应器内床层温度的变化情况，但测温点数量的选择需根据加氢反应的类型、反应器的直径大小、工程投资等情况综合考虑。

2 加氢反应器床层温度测量形式

根据加氢反应器类型的不同，反应器床层温度的测量形式有不同的选择。根据工艺需要，测量点一般最少为3点，多的能达到几十点；一般分为在同一直径上均匀分布和在同一圆周或多个圆周上均匀分布；插入方向一般可以分为径向插入和顶底插入。几种典型的测量形式如图1所示。

图1 反应器床层温度典型测量形式示意

1)A形式为采用多支单点高压热电偶测量方式，安装简单方便，但设备开口数量多，悬臂结构使根部承受的剪应力较大，容易弯曲或断裂，一般不能深入反应器内壁太长。该种形式仅适用于反应器直径较小，测量点数量较少的场合。

2)B形式为采用一支多点热电偶测量方式，设备开口数量少，一般采用刚性外套管加外部支撑能较好地克服剪应力影响，该种形式测量点较少，一般为3点或4点，且测量点必须在同一直线上。

3)C形式为采用多点柔性热电偶方式，设备开口数量少，柔性铠装套管直接承压，可以弯曲不受直线限制便于敷设到反应器内不同位置，适用于测点数量要求较多且非直线分布的应用场合，但路由设计和支撑设计工作量大，现场安装工作复杂。

4)D形式为采用顶部插入式多点热电偶方式，可将不同床层高度的测量点在1根刚性套管内布置，设备开口数量少、测量点数多，但不适用于有气液分配盘、冷氢箱等内构件的反应器。

3 加氢反应器床层温度检测技术

随着加氢技术的推陈出新和加氢装置大型化的飞速发展，加氢反应器的床层温度测量要求不断提高和变化，其检测技术也取得了突飞猛进的发展，伴随着热电偶产品制造能力的提高，用于加氢反应器床层温度测量的热电偶产品在测量准确性、快速性、安全性等方面均取得了快速发展，检测技术和产品趋于多样化，目前在炼油厂各类加氢装置的设计中，加氢反应器床层温度测量主要的检测技术方案有： 设备带大套管3点式热电偶方案、整体套管3点式热电偶方案，设备带独立套管3点式热电偶方案，独立套管T型梁3点式热电偶方案，多点柔性热电偶方案，顶装式整体套管多点式热电偶方案。

3.1 设备带大套管3点式热电偶方案(方案1)

设备带大套管3点式热电偶方案测温元件采用3点式铠装热电偶，热电偶保护套管作为反应器内构件提供，该方案安装简单，热电偶不承压，但热电偶与承压外套管间的空隙较大，热电偶很难与承压外套管内壁良好接触，温度测量存在较大滞后和偏差，响应时间也较慢。设备带大套管3点式热电偶结构如图2所示。

图2 设备带大套管3点式热电偶结构示意

3.2 整体套管3点式热电偶方案(方案2)

整体套管3点式热电偶方案为将方案1采用的3支3点式铠装热电偶与热电偶保护管由制造厂整体制造，保护套管内采用弹簧压片使热电偶感温元件良好接触保护套管的内壁，增加了测量的准确性，提高了测量的响应速度。整体套管3点式热电偶结构如图3所示。

图3 整体套管3点式热电偶结构示意

3.3 设备带独立套管3点式热电偶方案(方案3)

设备带独立套管3点式热电偶方案测温元件采用3支铠装热电偶，热电偶保护套管作为反应器内构件提供，每只热电偶的保护套管独立设置，3根承压外套管采用三角型支撑板固定在一起，组成正三角形行架式结构。热电偶的端部用堵头封堵，减少了空气间隙。该方案热电偶不承压，保护管内部间隙远小于方案1，温度响应时间大幅提高。设备带独立套管3点式热电偶结构如图4所示。

图4 设备带独立套管3点式热电偶结构示意

3.4 独立套管T型梁3点式热电偶方案(方案4)

独立套管T型梁3点式热电偶方案与方案3在形式上类似，只是热电偶的保护套管、铠装套管整体供货以及横跨反应器的T型梁均由热电偶制造厂加工供货，保护套管端部设置有热传导块，能与热电偶端部良好接触。由于热电偶保护套管在端部稍微外弯，脱离T型梁，直接和床层介质接触，所以温度响应更加快速准确，保护套管和铠管双道密封，提高了产品的安全性。独立套管T型梁3点式热电偶结构如图5所示。

图5 独立套管T型梁3点式热电偶结构示意

3.5 多点柔性热电偶方案(方案5)

多点柔性热电偶方案是解决更多测点温度检测的测量方法，与传统的3点式热电偶相比，该测量方法可根据检测位置的需要任意确定测量点数，热电偶铠管能柔性弯曲，测温点可设在反应器内任何位置。柔性热电偶设置了双道密封腔和测漏压力表，进一步提高了防泄漏的安全性能。该种热电偶安装较为复杂，对于安装高度距离催化剂支撑梁或气液分配盘较近的床层柔性热电偶，可利用上述设备内件作为支撑，对于无法借用支撑的其他高度上的床层柔性热电偶需要热电偶供货商提供支撑盘，将支撑盘安装在反应器内壁上的预埋件上，然后再利用支撑盘安装柔性热电偶。多点柔性热电偶结构如图6所示。

图6 多点柔性热电偶结构示意

3.6 顶装式整体套管多点式热电偶方案(方案6)

顶装式整体套管多点式热电偶方案采用1根刚性套管，大量热电偶铠管在保护套管内自上而下插入不同高度的测温点，测温端通过双金属片使温度升高时热电偶端部贴紧套管内壁，保证了良好的测温精度和快速响应。保护套管和铠管双道密封，提高了防泄漏的能力，同时在保护管内设计了氮气反吹系统，防止潮气或空气中的物质对保护套管造成腐蚀开裂。该方案一般用于沸腾床加氢反应器这类“空桶”式反应器，由于测点多且床层处于不同的高度，当该种多点热电偶长度较长时，受运输限制通常无法整体供货，需采用外保护套管分段供货，现场组焊或反应器制造厂组焊，先将保护套管插入反应器后再进行热电偶铠管的插入，现场施工难度较大。顶装式整体套管多点式热电偶结构如图7所示。

图7 顶装式整体套管多点式热电偶结构示意

4 床层温度检测技术对比和选择

加氢反应器床层温度检测技术和产品多样性的发展给广大设计人员在技术选择上提供了广泛的支撑，也对设计人员在产品选择的适用性、先进性、经济性方面提出了更高的要求。

在设计中，加氢反应器床层温度检测技术主要根据测点分布、反应器的结构、工艺过程对测量温度准确性和快速性的需要、生产安全性要求、工程建设投资等方面进行选择，文中介绍的六种检测技术的对比见表1所列，设计人员可以根据各类加氢装置的特点和反应器的形式选择不同的反应器床层温度检测方案。

表1 不同检测技术对比

5 结束语

加氢反应器床层温度的检测技术在不断地发展和进步，随着床层热电偶产品制造能力的提高，使热电偶检测技术在自身整体承压、测点灵活布置、响应快速准确、安全性保障等方面不断创新，形成了更多的新技术、新产品的应用，通过本文的分析和阐述，希望对设计人员合理地选择不同类型加氢反应器床层温度的检测技术方案有所帮助。