乙烯裂解炉COT的测温方法探讨

陈方斌，魏剑萍，吴方立

(中国石油化工股份有限公司 镇海炼化分公司，浙江 宁波 315207)

裂解炉是乙烯装置的关键设备，其运行状态的好坏直接影响整套装置的总体经济效益，而裂解炉炉管出口温度(COT)是裂解炉的关键指标，不仅影响工艺人员对裂解炉运行状态的判断，而且与裂解炉主要产品乙烯的收率息息相关，当温度在830～860 ℃时，每提高1 ℃，乙烯收率可提高0.1%以上[1]。一般的热电偶测温方式分为插入式和表面式(贴壁式)，国内裂解炉采用插入式的比较普遍。裂解气在炉管内温度高、流速快，对插入式COT套管的冲刷比较严重，因此需要考虑套管的耐磨性。与此同时，对比某公司液相裂解炉与气相裂解炉发现，气相炉的运行时间相对比较短，究其原因是因为气相炉的炉管容易结焦，严重时甚至只能更换炉管，而插入式COT热电偶的结构及插入深度对炉管结焦有较大的影响。

1 插入式COT热电偶结构分析

插入式COT热电偶结构具有多样性，国内不同的乙烯项目选用不同的裂解炉技术，包括Stone & Webster，Linde和lummus等知名厂商技术，其中COT热电偶都是从进口开始，而后逐渐改进结构并国产化。目前国内用得较多的类型是头部为圆锥形和棱形面的COT套管，两种类型结构如图1 所示。

图1 插入式COT热电偶结构示意

两种形式的COT套管都需要插入到炉管处，棱形面结构的COT套管安装示意如图2所示。与圆锥形COT套管相比，棱形面结构的COT套管由于其感温元件处套管壁很薄[2]，使温度测量更真实且响应更快。

图2 棱形面COT套管安装示意

COT热电偶除了测温要精准外，国产的套管材质的耐磨性也已满足要求，但是由于整支套管只需插入到炉管内的一段耐磨即可，故整支套管是由两种不同材质的套管焊接而成。某公司的乙烯裂解炉共安装了700多支COT热电偶，在4 a的运行时间内出现了不同程度的损坏，存在问题如下：

1)套管变形。共有23支套管发生变形，部位是迎向介质流动方向的位置，套管变形导致热电偶卡在套管内部无法拔出。究其原因，是裂解气在炉管内流速快，温度高达800 ℃以上，对套管的冲刷引起的。

2)套管内漏。共有16支套管内漏，从套管拆检情况来看，内漏原因是头部焊缝开裂，介质通过套管内部从法兰盖上的观察孔漏出。导致套管焊缝开裂因素有： 焊缝距离炉管较近，介质对焊缝不断冲刷造成了焊缝开裂；耐磨头与套管本体之间的焊接质量问题也可能导致开裂，严重的焊缝开裂会导致耐磨头脱落无法取出，堵住基管。

3)套管气蚀。有4支套管表面产生气蚀，在拆检过程中发现部分套管表面有气蚀现象，类似于控制阀气蚀对阀内件造成的冲刷现象，套管表面呈现孔洞状。

解决COT套管焊缝开裂问题，处理方式有： 通过加长耐磨头长度，使焊缝避开介质的冲刷；改进焊接工艺，选用抗氢的焊丝，提高焊缝抗冲刷腐蚀能力。为了解决套管在使用后产生的形变，通过增加保护管壁厚，材质改为铬含量和镍含量较高的耐高温腐蚀合金Incoloy800H，增强套管在高温下耐变形的强度。

COT套管改型后经连续运行8 a，停炉拆检后采取着色检查等手段进行检测，除个别存在加工缺陷外，未发现异常。

2 气相炉COT热电偶套管改型

裂解炉尤其是气相炉在运行中后期，各COT指示值逐渐下降同时出现偏差大的问题，造成裂解深度先进控制(APC)无法投用，因此亟需解决因仪表测量不准导致的温度指示偏差问题。

2.1 各组炉管平均COT相关性分析

本文以某公司双炉膛裂解炉A炉膛为分析对象，A炉膛各组炉管用A，B，C，D标识，则各组炉管的平均温度之间(气相进料)的相关系数见表1所列，各组炉管平均温度曲线如图3所示，由表1和图3分析如下：

表1 各组炉管平均温度相关系数

图3 各组炉管平均温度曲线示意

1)各组炉管的平均温度随着裂解炉运行时间的延长而呈现下降趋势。

2)各组炉管的平均温度之间存在较为显著的正相关关系，说明各组炉管COT的变化特征具有较为明显的一致性。

3)各组炉管平均温度变化趋势相似性说明炉管COT受到共同因素的影响(结焦，燃料气或进料量)。

4)B组和D组炉管COT变化相关系数最大，说明二者COT变化特征最为相近。

5)A组炉管与B，C，D组炉管的相关系数低于B，C，D组炉管平均温度之间的相关系数，说明A组炉管COT的变化规律与其他三组炉管还是有一定差别，怀疑有结焦现象。

综上所述，裂解炉各组炉管COT受燃料气、进料量、结焦等共同因素影响，随裂解炉运行COT指示值逐渐下降(趋势一致)。裂解反应过程中会伴随着结焦过程，焦层会在裂解炉炉管表面、基管空腔内部逐渐累积[3-4]而影响热量传递，导致测量温度下降。在仪表测量方面，可从消除COT套管与基管空腔结焦入手，提高COT指示准确性。

2.2 炉管物料计算流体动力学(CFD)分析

COT套管插入到炉管流体区域，在靠近测温头套管壁面处流体有回流现象，且速度较小(速度随着插入深度的增加而增加)，故此处容易结焦。根据CFD分析可知，相同工况条件下不同插入深度下裂解气的回流速度有四种情况： 未插入炉管、插入25%炉管深度、插入33%炉管深度、插入50%炉管深度时回流速度分别为193 m/s，282 m/s，295 m/s，324 m/s。

由上述分析可知，菱形面套管由于未插入炉管，套管头部回流速度小，焦层在测温点头部空腔内慢慢累积，最终导致测温数据偏低。在相同工况下对乙烷和石脑油进行CFD模拟分析，发现以石脑油为原料的液体炉裂解气流速较以乙烷为原料的气相炉裂解气流速大，故判断气相炉的结焦比液体炉更为严重，这与气相炉炉管实际运行时间短的情况吻合。

2.3 COT套管结构改型

从结构上分析回流发生的机理： 一是基管和套管头部之间有空腔，裂解气在炉管内部附近流速低且存在回流现象导致结焦，由于各炉管结焦情况不一致，因此在裂解炉运行后期各组COT指示产生偏差；二是由于套管插入炉管内壁很短，测温点附近流体温度较炉管中心温度低。

针对上述问题，需要将基管与套管头部空腔填封，同时为使测量值更接近实际流体温度，适当延长了套管的插入深度，但插入深度过长，又会加剧裂解气对套管的冲刷[5]，同时也会加剧套管对裂解气的阻流现象，因此插入深度需综合计算考虑。某公司改型后的套管如图4所示，其插入深度较改型前增加了约5 mm(改型前为2 mm左右)，并将空腔封死以避免空腔内部结焦。

图4 改型后COT套管安装及外形示意

改型后的套管使用1年后，各组COT测量指示偏差小，炉管COT平均值最大偏差约为1 ℃，最大值偏差约为4 ℃。在停炉检修期间，对改型COT套管拆检，冲刷也不明显。

2.4 表面式COT热电偶结构分析

为了避免结焦，裂解炉还可以采用表面式COT热电偶，将外套管焊接或捆绑在管道上，热电偶穿在外套管内，外套管外设有保温棉，热电偶测量点及后面一段长度都采取与管道贴平的方式。表面式COT热电偶避免了与介质的直接接触，而是与被测介质的管道外壁贴合，所以测量的温度一般要比实际温度低10～100 ℃，优点是使用寿命较长和低成本，表面式COT热电偶在有参考基点、即有已知偏差的基础上，也是一种不错的选择。

2.5 COT热电偶丝材质改进

常用的COT热电偶丝是K型(镍铬-镍硅)热电偶，是一种性价比很高的廉金属热电偶，其正极是w(Cr)=10%的镍铬合金，负极为w(Si)=3%的镍硅合金，镍硅合金在裂解炉800 ℃以上的高温中长期使用后，会发生氧化导致热电势下降，使测温出现负偏差。为提高电偶丝材质的热稳定性，可以选用正极为铂铑13合金(w(Rh)为13%)，负极为纯铂的贵金属如R型热电偶，长期使用温度为1 300 ℃，考虑到R型热电偶价格昂贵，可以在每组炉管中选几支作为比对用。

3 结束语

表面式及插入式COT热电偶在温度测量准确性及使用寿命上各有优点，其中，表面式使用寿命长，但测温准确性较插入式低，但同时，插入式由于套管插入在炉管内，长期使用存在套管被冲刷的问题，且有可能造成炉管结焦。已经有公司采用两种结合的方法，即一组炉管中的大部分炉管使用表面式，且采用廉价K型热电偶，同时选择该组炉管中的2支使用插入式作为温度偏差基准，为提高热电偶稳定性，可以使用贵金属R型材质，为了避免因插入而导致的COT头部及炉管结焦，可以进一步在COT耐磨头部采用“原位涂层技术”[6]，该技术在裂解炉炉管上已有广泛应用，通过控制炉管内氧化程度，在裂解炉管内表面原位形成尖晶石结构的氧化膜，从而抑制结焦。