高温加热炉柔性热电偶稳定性分析

摘要:柔性热电偶测温是加热炉等高温设备运行工况的主要监控方式,完好性和正确性是热电偶的重要性能指标,关系到设备的安全稳定运行。该文分析了引起加热炉测温的柔性热电偶故障原因,提出了升级材质、增加保护套管及改进安装方式的预防措施,并对改进后效果进行跟踪分析和验证。结果表明,该改进措施有效，可为同类工况热电偶安装提供参考与借鉴。
0引言
　　温度传感器是温度测量仪表的核心部件,能感受物体温度变化并转化为4~20mA模拟电信号输出的电子元件,根据测量方式可分为接触式和非接触式。按照传感器材质和电子元件特性分为热电阻和热电偶2大类。热电阻一般用于测量低温物体,而热电偶一般测量高温高压物体,热电偶时间常数是衡量热电偶动态性能优劣的重要指标,其值越小，越能及时反映周围环境温度的变化。笔者单位甲醇制丙烯装置°2(简称MTP装置)原料气加热炉FH-260124用于给MTP反应器提供温度为460℃、压力为0.89MPa的热物料,确保单级绝热固定床反应器恒温恒压反应,提高丙烯收率。为此,加热炉对流段和辐射段温度是非常关键的参数。温度测量关乎加热炉和反应器安全稳定运行,否则高温可能会引发设备损坏造成不必要的事故。
1原料气加热炉工艺流程
　　原料气加热炉的加热升温设备,其负荷大小通过调节天然气进气量和主烧嘴开度及数量,将加热炉出口温度控制在440~460℃,保证MTP反应器--级床层人口温度在460℃左右,MTP反应器各床层温度稳定使得催化剂活性达到最佳,活性较高时,人口温度可适当调低,活性较低时，温度则应相应提高。由图1原料气加热炉工艺流程可知,来自界区外的甲醇缓存在离子交换器,在氧化铝基催化剂作用下在二甲醚反应器(简称DME反应器)中生成二甲醚。DME反应器出口产物分为3路,第1路热DME经原料气加热炉对流段过热的工艺蒸汽混合,混合物料加热至460℃后从顶部进人MTP反应器(R-260151AB/C)第1床层。第2路热DME气体从侧线进人MTP反应器的第2~第6床层。第3路热DME物料首先通过DME反应器流出物冷却器经循环烃冷却至260C,然后进一步在工艺水预热器中经工艺水冷却至180℃,最后进人DME分离罐(D-260112)后分离出气液两相物进人反应器侧线。由工艺流程可知,原料气加热炉FH-260124是MTP反应器物料反应调温的核心设备,具有十分重要的作用
 
2柔性热电偶故障现象及原因分析
2.1柔性热电偶故障现象
　　原料气加热炉对流段和辐射段共计安装柔性热电偶37支,自2014年9月装置开车以来多次出现测量值超量程现象(量程为0~800℃),通过更换不同制造商提供的热电偶,并未有效解决其频繁故障问题,图2为2021年11月加热炉停运后对流段和辐射段温度DCS监控画面示意图,由监控画面可知有18支热偶测量值高于800℃,表明该热偶故障,图3为辐射段温度测量值历史趋势示意图,正常测温为530℃左右,由历史趋势图可知温度测量值波动频繁,说明该温度测点存在故障现象。
 
 
2.2柔性热电偶基本信息
　　查阅原料气加热炉柔性热电偶设计规格书,详细信息如表1所示，表中2601-TT-6101/6102A-L和2601-TT-6104A-M共计37支热电偶量程为0~800℃、K型热电偶、插深6m、材质316L、热偶直径为中6mm,故障数量18支，故障率占比48.65%,由此可知，无论热电偶完好率还是准确率都无法满足化工装置设备使用要求，为此,消除该隐患是仪表技术人员要解决的重大技术问题
表1热偶基本信息表

序号	位号	量程/℃	分度号	插深/mm	材质	直径/mm	故障数/支
1	2601-TT-6101A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	6
2	2601-TT-6102A-L	0~800	K	6000	316L	Φ6	10
3	2601-TT-6104A-M	0~800	K	6000	316L	Φ6	2

 
2.3柔性热电偶故障原因分析.
　　原料气加热炉内部结构主要由三排管径为DN100盘管构成,被加热的介质DME先后经过加热炉对流段和辐射段盘管最后运输至MTP反应器。由于盘管受火焰直接加热,热电偶无法插人盘管内直接测量其内介质温度,为此采用柔性热电偶可弯曲的优点，将热电偶芯贴在盘管外壁间接测量DME介质温度,柔性热电偶安装方式如图4所示。用2"150#法兰将柔性热电偶接线盒和尾线部分固定在加热炉炉壁,热电偶另外一端穿人炉膛后固定于焊接在盘管外壁的集热块上,并用304不锈钢扎带通过捆扎的方式将热偶芯固定在盘管上。
 
　　为了分析热电偶故障原因,利用加热炉停炉机会,仪表技术人员进入炉膛内查看热偶完好性,发现热偶芯存在两处断裂现象,一是热偶芯在穿过加热炉内壁处断裂,二是集热块固定处断裂,如图4中红色叉处为热偶芯断裂处。除了断裂问题外,还有一个问题是热偶芯表面集碳,轻轻拽拉或者拧热电偶会导致热偶芯表面开裂无机绝缘填充物物氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)外漏。
　　综合上述故障现象,经过分析认为,一是热偶穿过炉内壁至集热块固定处间距1.8m,中间没有保护支撑物,因受热偶芯自身重力和炉膛火焰喷射冲击辐射和气流作用力导致热偶芯断裂;二是由于原料气加热炉燃烧物为天然气,其燃烧的主要产物为二氧化碳和水,此外含有少量硫化氢、二氧化硫和一-氧化碳等腐蚀性气体,由文献[7]的研究可知,因为炉膛内存在大量C,S和Cl等元素,热偶芯受这些元素的腐蚀，产生腐蚀疲劳,促进热电偶开裂,因此热偶芯材质316L不能满足炉膛使用条件。
3柔性热电偶升级改造
　　2019年6月，利用检修停炉机会对原料气加热.炉对流段和辐射段37支柔性热电偶更换为天津某制造商加工制造的备件。由于原料气加热炉运行周期比较长,截止2021年11月先后共计18支热电偶存在故障现象,温度测量值超量程。针对上述热偶缺陷,利用2021年11月停炉机会对热偶进行了如下改进:
(1)联合江苏某仪表制造商对热偶芯材质进行.了升级,新制造热偶芯材质为GH3039合金。并用便携式光谱分析仪定性分析热偶芯元素组成如表2所示，热偶材料化学成分符合GB/T14992-2005执行规范对GH3039的要求
 
(2)热电偶安装前采用着色探伤的无损检测方法对热偶芯及其与法兰连接处进行检查,确认焊接口及热偶芯表面无开口、裂纹等缺陷。
(3)热电势测试法。热电偶安装前采用不同温度的水,用万用表mV档分别在20℃,50℃和100℃三个点测量被测热偶芯的热电势,并和标准热电偶热电势比较,记录它们的差值,允差等级满足工况要求。
(4)改进热电偶的安装方式。由于受腐蚀和热偶芯自身重力等因素影响,采用符合ASTMG93A级和CGA4.1标准的管径为φ12mm套管作为热偶芯保护套管,并将原来的集热块改进为圆弧半径可调式对称固定卡具，实现热偶芯受火部位全方位保护,如图5所示。
 
4改造后实施效果
　　利用2021年11月MTP装置检修机会,对原料气加热炉对流段和辐射段共计37支柔性热电偶全部进行材质升级和安装方式改进,更换完成上述改造后的柔性热偶芯。热电偶安装过程较原来最大区别是新增不锈钢套管作为热偶芯保护套管，并对盘管处热偶芯的集热块进行升级改造,改造为圆弧半径可调式对称卡具,其主要作用对贴在盘管表面的热偶芯进行固定保护,增大热偶芯保护部位防止由于受自身重力断裂。改造后由于保护套管和可调式固定卡具对热偶芯的全部防护,热偶芯安装稳固、抗腐蚀能力强,预防火焰喷射抗冲击力增强。自改造实施以来,原料气加热炉运行至今柔性热电偶运行良好,测量值正确稳定无波的,未出现开路超量程等故障现象,图6所示为热偶改造后的温度监控画面,消除了原料气加热炉因热偶芯故障失去监控可能超温的安全隐患,为MTP装置安全稳定运行奠定了基础。
 
5结语
　　原料气加热炉本体温度是监测加热炉燃烧过程.的关键参数,针对柔性热电偶频繁故障问题进行了分析,提出了升级热电偶材料.增加保护套管及改进安装方式的优化方案,解决了热偶芯因受自身重力和炉膛火焰喷射冲击力的影响导致断裂的问题,同时,提升了热电偶抗腐蚀能力,从而达到保护热电偶的目的。工业应用表明方案可行,可为同行业、同工况高温设备温度监测提供借鉴和指导。