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微差压变送器的主要特点

来源:$article_from_name$ 2019/2/28 9:58:23      点击:

摘 要:乙烯裂解炉炉膛出口温度(简称COT)的测量准确性直接关系到乙烯的收率,所以测量COT的精确度十分重要。对比现场使用的表面式和插入式热电偶,发现表面式热电偶较插入式热电偶测量温度偏低30℃以上,不适合大批量使用表面式热电偶作为COT的测温。而分析不同结构的插入式COT热电偶,包括早期的进口产品和之后的国产改造产品,插入式热电偶的套管结构形式对热电偶的测量精度影响较大,对比了5种插入式热电偶,选出一种测量精度高且使用寿命长的插入式热电偶。

0 引言
         随着中国石油化工规模的不断扩大,乙烯装置的规模也逐步加大,自 60 年代引入乙烯装置以来,从原来的 7×10 4 t、1×10 5 t, 到 3×10 5 t, 再 到 如 今 的 8×10 5 t 和1×10 6 t,包括中石化镇海炼化、中石化天津石化、中石化上海石化、上海赛科石化、中石化武汉石化、中石化茂名石化、中石油抚顺石化等大乙烯装置。乙烯的原料主要为天然加工厂的轻烃和炼油厂加工的各种油,如何提高乙烯的收率是各生产商和设计单位需解决的问题。其中,裂解炉是乙烯装置的能耗大户,其能耗占装置总能耗的50% ~ 60%  ,降低裂解炉的能耗是降低乙烯生产成本的重要途径之一,而提高乙烯收率是决定乙烯装置能耗的最基本因素。

         乙烯裂解炉炉膛出口温度(以下简称 COT),其测量的准确性直接关系到乙烯的收率,当温度在 830℃~ 860℃之间,每提高 1℃,乙烯收率可提高 0.1% 以上 [1] 。每台炉为 40kt/a,至少可增加 12 万元 (40kt/a×0.1%×3000 元 /t),一般产量在 300kt/a 的工厂,每年可增收 90 万元。从以上数据中可以看出,准确地测温对乙烯收率的提高起到关键作用。当温度未达到设定温度时,控制仪给出信号指令,依靠控制阀加大投料来加温;当温度达到设定温度时,控制仪给出信号指令输出燃料控制阀进行限流控制来降低能耗。可见,准确地温度控制,能使乙烯裂解深度和能耗之间达到最优化配合。而乙烯裂解炉出口段的工况十分复杂,在裂解过程中,介质含有焦油、硫、氢等许多腐蚀的成分,温度可达 850℃左右 [2] ,且流速很快,所以能保证热电偶长期有效精确地测量 COT 温度是工作中重点和难点。

1 表面 COT 热电偶利弊与测量温度分析
         一般的热电偶测温分为插入式测温和表面式(贴壁式)测温,绝大部分热电偶都是采取插入式的测量方法,插入式的优点是测温精确,反应灵敏,缺点是制造成本高。而表面式测温是在一些设备管道不能开口或其他特殊原因发生时才选用的方法,表面式的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,所以测的温度一般要比实际温度要低 10℃以上,优点是使用寿命较长和低成本。

         测量 COT 温度的热电偶,也分为插入式和表面式 2 种。现在通常的表面式 COT 热电偶,其结构是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。如图 1 所示。

         根据热电偶测量原理,热电偶测量点是一个点,而非一条线或者是一个面。当热电偶外部温度过高会使热电势分流,导致测得的温度降低;又因为热电偶外面还有一层保护套管使得反应更慢,测量的温度数值更低。而现在国内很多大乙烯装置的部分裂解炉 COT 温度采用的是这种表面式测温的方法,包括最近几年新上的几个大乙烯装置。这种表面测温方法最早来自于国外某公司的成套裂解炉的技术,该方法忽视了测温特性与原理,目的是因为外商怕插入式的热电偶套管不能长期使用在这种恶劣的工况下,而选用表面式的热电偶,虽然不容易损坏,但是不能实时测得精确温度。这种表面测温测得的数据一般比插入式热的低了 30℃以上,而且对炉管保温要求十分严格,当保温棉脱落后,造成炉管表面温度散发,使测得的温度更低,极端情况下测量的数据可能比实际温度低了 100℃以上。当大部分表面式热电偶测得的温度都较低时,由于不能实时地把测得数据传递给 DCS 系统进行调控,工厂往往会放弃该热电偶的测量数据为生产依据,从而改用分析仪来分析裂解气的各种气体成分,进而来判断裂解深度。这样热电偶测得的数据只能成为参考数据,而不能成为控制的关键,也就失去了测量的作用,反而增加了能耗 , 根本达不到节能减排的目的。

COT 表面热电偶结构图

         对比下表面式和插入式 COT 热电偶测量数据的差别,见表 1、表 2。表 1 是茂名石化 2007 年 5 月份的 22 支表面式 COT 热电偶和插入式 COT 热电偶分别测量的温度;表 2是茂名石化 2010 年 5 月份的 48 支表面式 COT 热电偶和插入式 COT 热电偶分别测量的温度。从 2 个表中可以看出表面式 COT 热电偶测得的温度普遍比插入式 COT 热电偶测得的温度要低,最多温差大于 100℃。可见表面式 COT 热电偶不能真实有效地反映出 COT 的实际温度,工厂在大范围的 COT 温度测量应慎用表面式热电偶,否则可能会带来严重的经济后果。

表面式与插入式COT的测温数据

表面式与插入式 COT 的测温数据

2 插入式 COT 热电偶结构与测量温度分析
         插入式 COT 热电偶的结构特点和测量误差,其结构具有多样性,国内不同的乙烯项目选用不同的裂解炉技术,包括 Stone&Webster(斯通 • 韦伯斯特)、Linde(林德)和lummus(鲁姆斯)等知名厂商技术,其中 COT 热电偶也都是从进口开始,而后逐渐改进结构,并开始国产化。各种不同的结构使用寿命和测量误差也各不相同。如图 2、图 3、图 4 和图 5 所示。

早期进口和进口改进插入式 COT 热电偶

国产改进插入式 COT 热电偶国产改进插入式 COT 热电偶 2

         上述 4 种热电偶的共同缺点就是,其元件与介质之间隔了很厚的套管,导致测量温度比实际温度过低。如果要让测量更准确,则必须让套管变薄,则会使使用寿命变短,甚至不能在一个检修周期内使用。因此,必须改变整支热电偶的结构,设计一种能在高温、高流速、有腐蚀性介质的环境下长期、精确、有效测温,还需克服因结焦导致难拆卸问题的结构。这种结构必须具有下列特点:
         1)感温元件处套管应该壁薄,能精确测温。
         2)能防止测量端结焦而影响测温。
         3)套管能有效抵抗高流速介质的冲刷。
         4)能耐氢、硫等有害成分的腐蚀。
         5)当结焦后能方便拆卸。
         要同时满足上述要求,保护套管需做成棱形面,棱形面直接面对高流速介质的冲刷,为能长期使用且防止头部结焦,棱形面选用高镍合金并堆焊耐磨合金。经研磨后,棱形面粗糙度应≤ 0.8μm。热电偶还需设置偏心结构并处于棱形面后端,热电偶外的套管壁厚很薄,使测量更精确。大套管略作锥形状,并配合法兰上的 4 个多加的螺纹孔,能使拆卸更容易。其结构图如图6所示,安装铠装热电偶图如图7所示。

COT热电偶的结构图和安装<a href=http://www.tiankane.com target=_blank><span style=color:#008899;font-size:16px;>铠装热电偶</span></a>图

         在广州石化引入这种插入式 COT 热电偶之后,来对比下这种插入式 COT 热电偶和之前热电偶测得数据的对比,见表 3、表 4。表 3 是上海赛科 2008 年 5 月份更换后与更换前的 COT 热电偶测得数据对比,其中绿色线为更换后的热电偶测得数据,其余 3 条线为老结构的热电偶测量数据;表 4 是广州石化 2007 年 1 月份更换后与更换前的 COT 热电偶测得数据对比。通过这 2 张表,可以清楚地看到更换后的 COT 热电偶测得的温度值更高,更贴近实际值的 850℃,能有效的为乙烯生产提供精确的控制数据。

         据了解,这种结构的插入式 COT 热电偶已广泛使用在茂名石化、抚顺石化、广州石化、上海赛科、上海石化等乙烯装置中,使用寿命长达四年 , 得到了各使用单位的好评。

3 结束语
         综合上述表面式和插入式 COT 热电偶的结构和测量数据分析,可得出表面式热电偶不适合用于 COT 测温,其测温高误差会给工艺投料带来很大的不稳定性,难以控制成本和能耗。而插入式 COT 热电偶结构多样性,经过国内各乙烯厂的多年使用,最终改进为这种棱形面套管结构的COT 热电偶。该热电偶能精确的测量 COT 的实际温度,平均误差约为 6℃,达到了各业主厂家预想的目标。