摘要：根據甲醇工藝裝置中天然氣轉化合成工況和介質(zhì)的特殊性，對溫度測量提出了苛刻的要求。介紹了天然氣蒸汽轉化合成工段中幾種特殊溫度計的技術(shù)特點(diǎn)和使用方法，針對天然氣轉化合成裝置的特殊設備預轉化反應器、轉化爐和甲醇合成反應器的溫度測量提出了較好的方案，并在現場(chǎng)裝置實(shí)際運行中取得了良好的效果。
甲醇是多種有機產(chǎn)品的基本原料和重要溶劑，廣泛用于有機合成、染料、醫藥、涂料和國防等工業(yè)。國內某大型煤化工項目利用當地豐富的煤炭、油田氣資源和就近可得的常壓渣油，采用國際先金的、符合環(huán)保要求的工藝技術(shù)，建設煤氣化和油田氣轉化制甲醇、甲醇制烯烴、渣油催化裂解制烯烴、聚乙烯、聚丙烯等上下游關(guān)聯(lián)的工藝裝置，實(shí)現了產(chǎn)品的“一體化”和“系列化”，體現了“減量化、再循環(huán)、再利用”的循環(huán)經(jīng)濟理念，具有較強的市場(chǎng)競爭能力。
１ 工藝技術(shù)特點(diǎn)
該甲醇裝置為５．５ｋｔ／ｄ（以１００％甲醇計）甲醇制烯烴（ＭＴＯ）級甲醇生產(chǎn)裝置，使用１個(gè)催化富氣預轉化反應器和１個(gè)常規的蒸汽轉化爐用于原料天然氣生產(chǎn)合成氣。天然氣制合成氣與煤制合成氣和ＤＣＣ富氫氣混合作為原料進(jìn)入甲醇合成回路。
該甲醇工藝主要包括原料準備、天然氣蒸氣轉化、甲醇合成、精制和蒸汽系統五大部分，工藝流程如圖１所示。
脫硫后的天然氣與蒸汽混合，經(jīng)加熱進(jìn)入轉化管內與催化劑接觸，產(chǎn)生如下催化反應：
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ===ＣＯ＋３Ｈ２ （１）
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ===ＣＯ２＋４Ｈ２ （２）
ＣＨ４＋ＣＯ２ ===２ＣＯ＋２Ｈ２ （３）
影響轉化的因素主要有溫度、水碳比、壓力、空速、催化劑、蒸汽含鹽、氣體含硫等，其中對溫度的控制是轉化過(guò)程中的重中之重，提高溫度有利于轉化反應的進(jìn)行，可以降低殘余甲烷體積分數。但如果溫度過(guò)高將會(huì )造成催化劑觸媒（鎳）的活性降低，影響轉化反應效率，還會(huì )嚴重影響轉化爐爐管的壽命。
２ 天然氣轉化合成工段中特殊溫度計的應用
２．１ 安裝在預轉化反應器頂部的多點(diǎn)熱電偶
預轉化反應器是一道低溫轉化工藝，通過(guò)天然氣與蒸汽在絕熱催化劑床上反應，將天然氣給料中重質(zhì)烴裂解成輕謘hou櫸鄭ㄖ饕淄椋�，同时生成一些丘Q�、抑e躉技岸躉跡齜從ξ確從�。预转化窂摩器各床掺b露扔Ρ３衷冢矗叮怠擔擔啊媯⑶椅露炔揮Φ陀冢常埃啊�。染J呋鏈膊鬮露裙擼崞蘋(píng)蕩呋兩峁�，发生蓱疳，使催化剂活性綑n�；催化兼湶层闹R我庖壞愕奈露熱艫陀冢常埃啊媯崾貢ズ駝羝淠�，鸽A旁詿呋遼�，长时间后粛泡催化剂，使催化剂失去活性。根据错炟点，宰暏转化窂摩器詡}苣詘矗保玻?deg;角方向分別設置了３個(gè)１４點(diǎn)的雙支Ｋ型熱電偶。根據床層的高度，確定每支熱電偶的插入深度。如圖２所示，該熱電偶分為三大部分，分別是熱電偶保護管、與設備連接部分和信號轉換部分。為了與ＤＣＳ信號統一，現場(chǎng)信號電纜不采用熱電偶補償導線(xiàn)。多點(diǎn)熱電偶頂部帶溫度信號轉換接線(xiàn)箱，將雙支熱電偶的信號引至接線(xiàn)箱，接線(xiàn)箱中裝１４個(gè)溫度變送器，將雙支熱電偶其中１組的１４個(gè)檢測點(diǎn)信號轉換為４～２０ｍＡ 信號送至ＤＣＳ，剩下１組的１４個(gè)熱電偶信號接至接線(xiàn)箱空余端子排上，便于隨時(shí)替換使用。多點(diǎn)熱電偶的接線(xiàn)箱依靠１片ＤＮ１００法蘭與多點(diǎn)熱電偶連接在一起。多點(diǎn)熱電偶與設備之間采用ＤＮ１５０的法蘭連接，法蘭材質(zhì)和壓力等級與設備一致。
每個(gè)１４點(diǎn)雙支熱電偶的檢測點(diǎn)分內圈和外圈均勻分布在ＤＮ１５０法蘭上：外圈８個(gè)、內圈６個(gè)；熱電偶每個(gè)檢測點(diǎn)的外護套管外徑為６．４ｍｍ，在法蘭的中心開(kāi)６．４ｍｍ的孔，焊接１根６．４ｍｍ的鋼柱，用于增加熱電偶的支撐力度。預轉化反應器多點(diǎn)熱電偶內部結構如圖３所示，每個(gè)雙支多點(diǎn)熱電偶的測量元件長(cháng)度應與每一層催化劑床層的高度保持一致，每個(gè)測量元件的護套外徑為３ｍｍ，測量元件前端彎曲并緊貼保護管內壁，保證測量的準確性和實(shí)時(shí)性，此外導向管的兩邊和終端分隔板焊接，緊密包裹著(zhù)測量元件，防止熱電偶在振動(dòng)的過(guò)程中測量元件與終端分隔板產(chǎn)生摩擦而影響使用壽命。多點(diǎn)熱電偶的１４個(gè)測量端在圖３中分別用字母Ａ～Ｎ表示。
２．２ 轉化爐下集合管吹掃熱電偶
位于轉化爐底部出口輸氣總管上的溫度檢測點(diǎn)對于轉化爐運行十分重要，它是整個(gè)轉化爐科學(xué)合理操作的基礎，在轉化爐燃燒控制系統中，其作為燃燒控制和聯(lián)鎖的輸入條件之一，配合轉化原料氣的流量、混合燃料氣熱值和總水碳比等重要參數，共同決定了轉化爐燃燒系統的負荷。該處溫度指示為轉化爐出口合成氣的溫度，工藝的操作溫度控制在８９０℃，以保證合成氣中的甲烷體積分數不大于３％。
轉化爐出口合成氣的主要成分是氫氣和一氧化碳，溫度８９０℃，壓力２．１ＭＰａ，氫氣在高溫、高壓下具有較高還原性，經(jīng)過(guò)長(cháng)期滲漏腐蝕，可以穿透普通的熱電偶保護管，腐蝕檢測元件，有時(shí)甚至反漏出管道，給生產(chǎn)帶來(lái)危害。因此，安裝在轉化爐底部下集合管的２個(gè)Ｋ型雙支熱電偶必須采用特殊的測量方法。
筆者選用的是１個(gè)帶ＤＮ５０法蘭的Ｋ型熱電偶，熱電偶測量元件外護套材質(zhì)采用ｉｎｃｏｎｅｌ�。叮埃�，熱電偶保護管采用特殊的材質(zhì)ｉｎｃｏｌｏｙ�。福埃埃�，同時(shí)法蘭以下與介質(zhì)接觸的部分噴涂一層厚度５０～１００μｍ的鋁涂層，以防止氫氣的滲漏，并在熱電偶法蘭上部的保護管上螺紋連接１個(gè)“Ｙ”型接頭，側面連接氮氣管線(xiàn)，直管上連接１根碳鋼管。碳鋼管頂部帶熱電偶轉換模塊接線(xiàn)盒。同時(shí)碳鋼管上帶１個(gè)４ｍｍ的排氣孔，以排放出氮氣或氫氣。接入的氮氣流量一定是微量的可調節的（０～０．０８ｍ３／ｈ）。因此，應加入１個(gè)吹氣裝置調節流量。氮氣由１根
３ｍｍ材質(zhì)為ｉｎｃｏｎｅｌ�。粒欤欤铮。叮梗暗膶Ч芡ㄈ霟犭娕急Ｗo管，以便將可能滲入保護管內的氫氣吹出。在保護管內氣體流速應不大于４５ｍ／ｓ。采用這種特殊結構、特殊材質(zhì)才能有效防止氫氣腐蝕以及氫脆的發(fā)生。
２．３ 安裝在甲醇合成反應器上的多點(diǎn)熱電偶
甲醇合成反應器為管式徑向流反應器，殼側裝有銅基催化劑，合成氣體進(jìn)入催化劑床層后，在溫度約為２５０℃的條件下氫氣與一氧化碳、二氧化碳反應生成甲醇和水，同時(shí)還有微量的有機雜質(zhì)生成。甲醇合成反應：
ＣＯ＋２Ｈ２==ＣＨ３ＯＨ
ＣＯ２＋３Ｈ２==ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
使用催化劑生成甲醇的效率取決于壓力、催化劑溫度、循環(huán)速率、合成氣組成及催化劑使用年限和狀況。其中溫度控制尤為重要，直接影響到甲醇的合成率。如果溫度過(guò)低，反應器內會(huì )產(chǎn)生蠟，這將增加過(guò)濾器的更換頻率，所形成的部分蠟也將永久地粘附在催化劑上，從而污損活化區，影響甲醇合成率；如果溫度過(guò)高將造成甲醇催化劑受熱燒結，很快失去活性。由于催化劑在合成反應中至關(guān)重要而且價(jià)格昂貴，在確保甲醇產(chǎn)量和操作穩定性的情況下，應盡量將溫度維持在合理的低溫區間內。
每個(gè)甲醇合成反應器頂部有４個(gè)溫度檢測口，每個(gè)溫度檢測口安裝１個(gè)組合式雙支Ｋ型多點(diǎn)熱電偶，每支多點(diǎn)熱電偶從上到下分布１０個(gè)溫度檢測點(diǎn)，雙支熱電偶共用熱電偶保護套管，用于檢測合成反應器內部在不同高度催化劑床層的溫度。多點(diǎn)熱電偶分為上、中、下三個(gè)部分，頂部接線(xiàn)盒用于將熱電偶信號轉化為４～２０ｍＡ 模擬量信號送至現場(chǎng)機柜間，中間部分用１片ＤＮ１００法蘭與合成反應器相連，法蘭根部至反應器上部切線(xiàn)位置用１根ＤＮ１００保護管固定，進(jìn)入催化劑床層部分，保護管縮徑后一直延伸至催化劑床層底部。合成反應器內部極易發(fā)生副反應即甲烷化反應，甲烷化反應為強放熱反應，反應后的高溫會(huì )使催化劑老化，損壞反應器內件，必須通過(guò)溫度報警和聯(lián)鎖對合成
反應器進(jìn)行溫度監控。筆者選用的雙支多點(diǎn)熱電偶其中１支的１０個(gè)溫度檢測信號全部進(jìn)入ＤＣＳ，在另１支多點(diǎn)熱電偶的上、下位置各設置３個(gè)溫度檢測點(diǎn)，信號進(jìn)入ＤＣＳ，中間位置的４個(gè)溫度檢測點(diǎn)的信號進(jìn)入ＳＩＳ，合成反應器的進(jìn)料口在中間位置，主要的反應熱量都集中在中間區域，所以反應器的中間位置的反應熱#為集中。進(jìn)ＤＣＳ和ＳＩＳ中間位置的４個(gè)溫度檢測點(diǎn)分別做“２ｏｏ１６”的溫度高限聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動(dòng)作會(huì )觸發(fā)上游合成壓縮機的轉速控制將其轉速調至#低，泄放合成回路壓力，降低壓力會(huì )使反應器內的冷卻增強，通過(guò)循環(huán)氣帶走熱量，給甲醇合成反應器床層降溫；如果ＤＣＳ中的溫度高高限（ＴＡＨＨ）聯(lián)鎖沒(méi)有被激活或者ＤＣＳ聯(lián)鎖觸發(fā)后降溫效果不明顯，使得溫度繼續升高，此時(shí)設置在ＳＩＳ中的溫度高高高限（ＴＳＨＨＨ）將觸發(fā)聯(lián)鎖跳車(chē)動(dòng)作。聯(lián)鎖觸發(fā)的結果將會(huì )切斷整個(gè)甲醇合成回路合成氣進(jìn)氣，包括煤基合成氣和天然氣轉化合成氣，這樣就大幅減少了反應熱，使床層溫度得到控制，不再繼續升高，有效地保護了催化劑。此外每支多點(diǎn)熱電偶由上到下選取第２點(diǎn)～第８點(diǎn)做中值選擇，其值在ＤＣＳ上做顯示，防止催化劑鈍化不完全，溫度升高造成燒結堵塞催化劑卸料孔。
合成反應器床層多點(diǎn)熱電偶結構復雜，安裝難度大，為確保使用性和安全性，該多點(diǎn)熱電偶應轉li商要求而選用Ｅ＋Ｈ 產(chǎn)品，并隨轉li商提供的合成反應器設備成套提供。由于每支多點(diǎn)熱電偶的１０個(gè)檢測點(diǎn)陽(yáng)極共用，為避免現場(chǎng)溫度變送器模塊的輸出信號發(fā)生漂移現象，應特別注意選用電氣隔離性能較高（大于２�。埃埃埃郑┑臏囟茸兯推髂K。
３ 選擇溫度測量?jì)x表的要素
１）對于溫度計，不僅要對保護管的材質(zhì)提出設計要求，考慮其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕和耐沖擊碰撞等，還應該對起固定作用的法蘭、螺栓螺母墊片、卡套密封圈和接線(xiàn)盒等連接件嚴格要求，在阻漏方面也應有明確的規定。
２）化工裝置的現場(chǎng)屬于高危區域，在溫度計的設計上不僅要選擇合適的防爆類(lèi)型和防護等級，特別是現場(chǎng)接線(xiàn)箱也應滿(mǎn)足所在區域的防爆要求。
３）溫度計通常都是插入到設備或者管道本體內部來(lái)測量溫度，尤其是插入設備內部的溫度計，要從選型上對插入深度和法蘭尺寸有明確的要求，需仔細研究設備圖，確認溫度計口內部是否有溢流板或擋板影響溫度計的插入。
４）為了避免開(kāi)停車(chē)對業(yè)主造成經(jīng)濟損失和安全隱患，同時(shí)降低維修成本和安裝難度，特殊場(chǎng)合的溫度計可選用雙支型熱電阻或熱電偶；在重要設備上的特殊熱電偶可選用利于安裝、便于拆卸的抽芯式結構。
４ 結束語(yǔ)
實(shí)踐證明，溫度是指導工藝流程正常穩定運轉的指標，快速、準確、安全是溫度測量的目標。溫度測量?jì)x表的應用十分廣泛，技術(shù)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)，筆者結合自身的工作經(jīng)驗，總結了甲醇裝置中特殊熱電偶的選型、安裝及注意事項，期望能給相關(guān)項目提供借鑒和參考。
