随着炼化加氢反应器床层温度的精确测量和控制的更高需求，本文对比分析几种热电偶在加氢反应器床层温度测量的应用，着重介绍了多点铠装热电偶的优点、结构、分类及工程应用需要注意的方面。
在固定床加氢装置中，反应物流从反应器顶部进入，在催化剂的作用下物料间发生化学反应，放出热量，因此沿反应器轴向存在催化剂床层温升。当催化剂床层入口分配器设计不好、催化剂部分床层结构损坏、有大的工艺条件变动等情况下，床层的某一横断面上不同位置的温度也有可能不同，即催化剂床层径向温升。当反应温升过高而不加以控制时,可能导致如下后果：
①反应器内形成高温反应区
反应物流在高温区内激烈反应，放出更多的反应热，使反应温度更高，如此恶性循环，可能损坏催化剂，甚至可能引起催化剂床层"飞温"，引发事故。
②催化剂随着运转时间的推移逐渐失活
当提高反应温度加以弥补时，将使靠近反应器下部高温区的催化剂过早地达到设计的最高操作温度，而被迫停工。而处于反应器上部低温区的催化剂仍有较高的活性，没有得到利用,因而影响装置经济效益。
③对产品质量和选择性不利
在加氢处理反应中，当反应温度提高到某一数值后，平衡转化率下降，使脱氮率、芳烃饱和率下降，产品质量下降。在加氢裂化反应中，过高的反应温度会加速二次裂解反应，导致馏分选择性下降，气体产量增加。
因此对反应器的轴向温度和径向温度都要进行检测，测温点数分布越均匀、越详细越能全面地反映反应器内床层温度的变化。
1、反应温度的控制方案
反应温升主要通过催化剂床层间注入的冷氢量进行控制，把催化剂床层分成几段，控制每段入口温度，就会控制好每段出口温度，这样最后一段入口温度达到给定值，出口温度就能满足要求。尽量保持各段催化剂床层的入口温度相同，每段床层温升不大于10-20℃(根据工艺过程确定)，保证反应器的正常运行。为保证反应器床层温度控制的平稳可靠，温度控制方式为切换方式操作。正常操作时采用床层入口处热电偶平均温度值或选较高温度值进行控制。
2、床层温度测量点的设置
准确测量反应器床层的温度是控制的关键。由于反应器既存在轴向温差又存在径向温差，为了全面准确地反映反应器的温度变化，同一高度床层测温点平均分布，按设备直径大小及工艺要求，一般反应器床层入口为3-4点或6-10点，出口为6-10点或12-24点，测温点越多反应的床层温度越全面。测量热电偶在每个催化剂床层按上下两层或上中下三层设置。通过测量不同高度但同一圆周方位的床层温度，了解床层中反应的程度。通过观察在同一高度但不同圆周方位的床层温度，了解反应物流分布均匀程度。反应器物流分布不均可通过观察反应器同一截面温差来判别。
3、床层温度测量热电偶形式比较
反应器床层温度的测量形式多样，如图1所示。按安装方式分为径向安装和轴向安装；按热电偶形式分为单点电偶和多点电偶。多点电偶安装方式有温度套管安装和直接安装。
图1 反应器床层温度测量热电偶形式
①单点热电偶径向安装
单支悬臂式铠装热电偶横向插入设备内的承压保护套管中，测量床层直径15%-30%处温度。如图2所示。结构简单,价格便宜，安装固定方便，但每个测温点都要在反应器上设置开口，设备开口多，泄漏点也相应增加。悬臂结构在催化剂下沉或装卸催化剂的时候，由于作用于热电偶的保护套管的压力很大，保护套管容易弯曲或断裂。此种方式无法测量靠近反应器中间部位的温度。为防止承压保护套管破裂时泄露,热电偶连接可带满足承压要求的卡套接头：一端1/2″NPT(M)，另一端6mm卡套。1/2″NPT(M)侧与设备法兰盖上的1/2″NPT螺纹相连接密封,热电偶铠套从6mm侧插入反应器。
图2 单点热电偶径向安装示意
②带套管多点热电偶轴向安装
反应器顶端设有测温元件的安装法兰接口,热电偶从反应器顶端竖直插入至底部。热电偶的保护套管比较长,套管内的3-5支热电偶分别测量不同高度的床层温度。热电偶安装、固定、维护都比较困难。装卸催化剂的时候也要特别注意。特点是设备开口少,一般只开3-4个热电偶嘴子，因此泄漏点少。而且设备顶部封头的壁厚比筒体的壁厚相对薄些，因此焊接和开口相对容易。由于反应器顶部空间有限,每个床层一般只能测量3-4个点的温度。此种方式多见于只有一个床层的反应器,反应器内构件不多，热电偶套管安装也相对简单。
图3 反应器床层温度测量带套管多点热电偶轴向安装
③专用套管多点热电偶径向安装
反应器设置专用于热电偶的保护套管,跨越整个反应器的截面,一端固定,另一端有支架或吊架,有一定的灵活度。特点是设备开口相对较少，一般一个测温层面只开一个开口，泄漏点少，由于另一端有支架或吊架支撑,因此克服剪应力有一定优势。但热电偶的套管横穿反应器中心，此种结构对于催化剂的装卸会造成一定难度，也会对人员在反应器内操作形成障碍。每个床层一般只能测量3-4个点的温度,如果需要测量更多部位的温度,则要再设置一个热电偶的保护套管，但为了保持一定维护空间，另一套需要在垂直距离1m以上设置,这样反应器内部的结构就会复杂。这种安装方式的热电偶可采用无保护式和铠装式两种。
图4 反应器床层温度测量专用套管多点铠装热电偶径向安装
④多点铠装热电偶径向安装方式
目前在国内外加氢装置中开始应用。采用多点铠装热电偶共用法兰方式，每套可测量至少2个点。由于铠装热电偶可以在一定范围内弯曲，可以按适当的路径敷设到需要测量温度的地方，不受外保护套管的路径限制，同一法兰可以通过多只热电偶。这样，在径向的每个测温处只要设一个温度开口，相对泄漏点少，法兰开口处还可以设置检测泄漏和二次封闭的措施，提高了防泄漏的安全性能。铠装热电偶虽然较细，但能承受比较高的压力,而且可以比较自由地弯曲，在反应器内的安装和路径分布较方便。虽然每层只开一个口，安装维护比较方便，但造价比较高。这种多点铠装热电偶有单管单点式和单管多点式两种，单管单点式在同一法兰上装数支为一套；单管多点式在同一法兰上装一支或数支为一套。两种方式都可实现多点测量。
图5 反应器床层温度测量整体铠装多点热电偶径向安装方式
高压反应器热电偶的形式中，图2、图3、图4适用于反应器直径不是很大，高度不高，催化剂床层不多的情况。图2的安装形式由于使用普通铠装热电偶而结构简单，造价便宜，在国内的加氢装置中比较常用。近年来随着加氢装置大型化的发展，图5形式的整体铠装多点热电偶的应用逐步多起来。
4、单支多点铠装热电偶和整体铠装多点热电偶
①结构和形式
多点铠装热电偶是一种可检测多个温度点的热电偶，不需在设备内部设置加厚的承压套管，单支多点铠装热电偶和整体铠装多点热电偶铠装护套能承受压力，并可在一定范围内进行弯曲，不会影响接头和内部的测量元件和线路，因此只需要一个开口就可以在反应器同一平面或不同平面的不同位置设置测温点，如图6所示。
图6 多点铠装热电偶安装示意
多点铠装热电偶也具有不同的型式，应用较广的主要有两种:
a、单支多点铠装热电偶
一套法兰上装有多支独立的铠管，每个铠管是一支单点铠装热电偶，分别测量各温度点，如图7所示。典型的规格为：外径可做到8mm，偶丝直径可以做到1.37mm，铠管厚度为1.57mm。
图7 单支多点铠装热电偶安装示意
b、整体铠装多点热电偶
整体铠装多点热电偶为一套法兰上装有一支或多支独立的铠管，每个铠管中包含不同长度的多点热电偶，可以测量同一平面或不同平面的多个温度点，如图8所示。典型的规格为：每支铠管有4-8点热电偶，铠管外径可做到9.5mm，偶丝直径可以做到0.81mm，铠管厚度为2mm。
图8 整体铠装多点铠装热电偶安装示意
②多点铠装热电偶特点
a、测温点数多，范围广
以往为了保证反应器内安全，一般能安装的热电偶套管数量有限，最多3-4根,这样测温点的数量和排列都会受到很大的限制，当反应器的直径很大时，传统的套管方式很难实现理想的测量需要。而多点铠装热电偶可以弯曲敷设，灵活分布，测量的点数也比较多，每个测温层可以达到10-32个温度点，可以更全面地反映反应器内部温度。可以检测反应器底部靠近出口或顶部靠近入口的温度，给温度测量带来方便。
b、响应时间快，测量精度高
带有加厚套管的热电偶对温度的传递有较大的滞后。多点铠装热电偶由于没有加厚的套管，自身铠管壁厚在1-2mm左右，热传导的效果要好得多，减少了温度测量的滞后。
c、安全性能好
高压、临氢的场合对于安全要求很高。反应器多点热电偶系统，安全问题主要有两种可能：热电偶铠管破裂；过程接口发生泄漏。大多数多点铠装热电偶都采用二次密封技术，截留可能从第一层密封逸出的气体并泄放出去；如果第一级密封泄漏，设备还可以继续运转；通过压力指示仪表可判断第一级密封是否完好。多点铠装热电偶本身具有很高的耐压性能和耐拉伸性能。
d、安装灵活
可从反应器顶部或底部进入安装，也可从反应器侧面安装，不需要加厚的承压保护套管。
③单支多点铠装热电偶和整体铠装多点热电偶的比较
除了具有上述共同的特点外，两种型式的热电偶由于结构差别，也有各自的特点：
a、多点铠装热电偶
每支热电偶都是单支铠管的设计，单支铠管破损不会对其他点造成影响；每个温度点热电偶的安装不受其他热电偶影响，这样为检修停工时小范围修改反应器温度点的位置提供了可能。但由于每个测点都要分别固定，安装时间长，安装支架也比较复杂，在反应器内的分布面较大，形成一些障碍。此种单支多点铠装热电偶也可做成双式，但测量点是一个。单支多点铠装热电偶采用端点竖直安装形式。在安装时端点需要留有50-75mm的裸露长度以免受任何金属安装支架对温度的影响。
图8 单支多点铠装热电偶结构示意图
b、整体铠装多点热电偶
整体铠装多点热电偶每支铠管中有4-11个热电偶点，每套法兰可装配多支铠管，温度测量点更多，泄漏点更少，配置更灵活。通过特殊加工，铠管中间填充压缩的氧化镁，保证整体铠装多点热电偶的稳固和提高铠管的耐压和密封性能。这种结构安装简单，支架和紧固件用量少，因此节省安装时间和成本。对反应器内的空间影响小。
图9 整体铠装多点热电偶结构示意图
以上两种方式的多点铠装热电偶都在国内外加氢装置中得到了成功应用。单支多点铠装热电偶的方式应用时间较长，数量稍多。铠装整体多点热电偶结构比较新，制造技术更先进，能成产的厂家少，综合成本比独立单支多点铠装热电偶要高。昌晖仪表制造有限公司是多点铠装热电偶和整体铠装多点热电偶的专业制造厂，放心选购这两种热电偶。
④法兰开口数量的选择
多点铠装热电偶测量点数多，安装灵活，因此如何设置法兰开口也是使用的实际问题。如图8所示，在床层中间设置一个法兰口，几套热电偶从一个法兰口进入，分别测量床层上部、下部的温度，这样的设置可以节省很多投资,但当床层高于10m的时候，在反应器里进行竖向长距离的热电偶敷设会产生沟流。因此可以考虑床层上部和下部分别设置法兰开口。
图10 多点铠装热电偶安装示意
⑤安装注意事项
多点铠装热电偶不需要在反应器内部提供套管，但仍需要一些安装支架或支撑。有的多点热电偶的安装支架需要在反应器的器壁上固定或利用加氢反应器的分配盘固定，应由热电偶供货商提供详细的图纸和要求给反应器制造厂，并在制造厂里完成焊接工作。有些反应器制造厂不允许在反应器的器壁上进行焊接，因此这也是热电偶选择和安装需要考虑的问题。
多点热电偶的安装所需要的支撑一般可分为三种情况：反应器底部、床层上部、床层下部。在反应器底部时，由反应器制造商将支撑件焊接在内壁上，采用一些横梁或托架与预先焊在内壁上的支撑件相连接，用于支撑热电偶，如图11所示。如果内壁无法焊接，可以考虑将热电偶的安装支架固定在出口收集器上，位置尽量与测温点水平。在反应器床层下部时，位置尽量要靠近塔盘，由反应器制造商将基本安装支撑件焊接在反应器塔盘的支撑横梁上，采用螺栓连接的支撑件，将热电偶支撑在横梁的上方。反应器床层上部，由反应器制造商将支撑件焊接在反应器横梁下，采用一些吊架，将热电偶吊在横梁的下方。支撑件分两种：和反应器内壁及横梁焊接的支撑件，需要焊接；螺栓连接的安装热电偶的支撑件。
图11 多点铠装热电偶安装支撑件示意
多点铠装热电偶的安装是在所有反应器内件安装完毕、装填催化剂前要完成的最后一道工序，应该提前为安装多点铠装热电偶准备好梯子、平台、照明和通风等必要的安装条件。
5、选择床层温度测量热电偶的因素
反应器床层温度测量仪表的选择需要考虑适用性。根据装置情况，选择既能满足装置安全生产需要，经济成本又最合理的方案。如加氢处理反应不如加氢裂化剧烈，温升也不如加氢裂化快，温度控制要求也更宽泛些，对于加氢处理选择图2普通铠装热电偶径向安装也能达到控制要求。根据工艺情况和要求也可以采用几种方式的热电偶混合使用的方式。比如每个床层的底部是反应最剧烈的地方，温度也上升最快，直接关系到装置的安全，因此所测温度参与装置的联锁，温度一旦超出高限就报警联锁。此处可使用图5整体铠装多点铠装热电偶，测量这一平面6-24个点的温度，可比较全面地反应温度的变化。每个床层的上部即入口处，反应不是很剧烈，此处温度一般用于控制注入冷氢的流量，可采用图2(使用普通铠装热电偶)或图4(多点铠装热电偶或整体铠装多点热电偶均可)的方式，测量3-4点的温度。这样既节省了投资，又可以达到控制要求。
多点铠装热电偶和整体铠装多点热电偶已经在国内外的炼化装置中得到了应用,取得了好的应用效果，其测量点数多、响应快、安全可靠、灵活的特点为全面准确地反映反应器的温度提供了好的选择。
作者：中国石化工程建设公司 王京慧
