使用热电偶技术实现可靠的多点温度分析

在炼油行业，催化加氢处理装置，如加氢处理装置、加氢脱硫装置和加氢裂化装置，依靠高性能的催化剂技术来最大限度地提高产品转化率(见图1)。同时，高效的反应控制寻求最大限度地减少环境足迹和成本。这些密集的反应器催化剂床的精确和可靠的温度映射是稳定和有利可图的单元操作所必需的。带有热电偶传感器的多点温度仪表在工业中广泛用于监测最佳热分布，并防止高温、高压和腐蚀性条件下的热点和催化剂过早失活。

然而，大多数传统的多点热电偶探头设计有两个主要弱点:

•可靠性:硫化氢(H₂S)污染在极端工艺条件下影响传统氧化镁(MgO)电缆。H₂S污染可以改变测量精度，甚至导致对反应失去控制。

尺寸:相对而言，它们具有侵入性，占用催化剂床层的宝贵空间，导致不希望的压降和通道效应。

一种新的多点热电偶探头设计解决了这些问题，通过将热电偶和热电偶传感器结合在一个节省空间的探头中，解决了故障漏洞，同时提供了更有效的催化反应。这项专利技术有助于自动化系统提供更可靠、精确和准确的过程控制，直接有助于提高安全性、盈利能力和正常运行时间。

热电偶漂移和迁移

催化加氢裂化装置通常遇到的恶劣环境对过程仪表提出了困难的挑战。众所周知，所有的热电偶探头都会随时间漂移，机械应力、磨损和H₂在指定设计限制和选择仪器供应商时，通常不考虑S污染。不幸的是，这些问题可能导致数据完全丢失，威胁到过程安全、反应控制和效率。

在这些类型的应用中，行业对多点温度仪湿部件的使用寿命的期望通常是一个或两个单元的操作周期或周转，或36至48个月。随着行业的变化，人们渴望更长的生命周期(5到7年)，这促使对更长的仪器和设备生命周期的需求增加。

在整个行业的大量应用中发现了有缺陷的热电偶探头，并系统地影响了所有仪器制造商。这种情况已经经过科学研究，发现了两种降低热电偶测量性能的现象，每种现象分别发生或组合发生:

• 热电偶漂移。MgO粉末的化学污染会引起构成热电偶导线的两种不同金属成分的变化，导致由于塞贝克效应或热电效应而导致电位差的变化。当局部热结保持完整时，一种或两种金属电导率的变化将改变测量电压并对测量精度产生负面影响。
• 热结迁移。H的渗透₂S进入氧化镁粉末会导致新的导电键(电短路)在热电偶导线之间形成不希望的位置远离热结。热电偶仍然会工作，但会呈现不正确的值，似乎是正确的。

如果发现一个或几个有缺陷的热电偶传感器，流程所有者可能会决定在下一个计划的单元周转期间解决这个问题。根据故障的严重程度及其安全严重性，可能需要对传感器更换进行特殊维护，这可能会导致机组意外停机。

H₂S污染与热电偶技术

传感器漂移或损坏会导致操作和过程控制人员无法检测到的错误读数。这种情况特别危险，因为测量链中的错误信息或信息缺乏可能导致操作决策的结果不佳，影响反应效率，甚至更糟。

根据技术调查和相关科学文献，污染热电偶传感器的测量精度偏差(漂移)通常为负。因此，显示的值将低于实际温度，并且进程可能比预期运行温度高。除了主要的成本问题外，这种不规范的状态还构成了相当大的安全威胁。

传统设计假设由单一MgO绝缘保护的传感器提供足够的测量精度和精度。然而，这些标准的多点热电偶探头在更具挑战性的工艺条件下失效。

热电偶导体中氢应力引起的开裂

标准做法是在电抗器内弯曲和布线传感器电缆探头，以匹配所需的布局，因为这种灵活的安装方法可以确保测量点充分分布。然而，金属的弯曲会引起膨胀和压缩应力，造成薄弱点，特别是在急弯处。

在富氢的大气中，氢应力诱发的裂纹可能发生在这些薄弱点，随着时间的推移，裂纹会增加到足以完全突破金属护套。这种完整性的丧失导致工艺流体分子变大，如H₂S，渗透并污染绝缘MgO粉末。

氧化镁粉末与某些化学物质发生反应，包括硫和镍。现在污染的MgO粉末通过将热电偶导体引线中的镍和金属护套中的硫结合在一起，促进了高导电性Ni3S2的形成。

随着污染区域的增长，暴露的电气引线形成短路，对传感器精度产生负面影响或迁移热电偶热结的位置。完整的探针有可能对工艺温度变化视而不见。

温度传感器的设计解决了这个问题

微创性地址+Hauser iTHERM profiles TS901多点电缆探头由两个或多个独立的温度传感器嵌入一个共同的外部金属护套。外护套作为一个集成热电偶，而传感器之间的空间充满了高度压实的绝缘MgO矿物粉末(见图2)。

由于两个传感器是完全独立的，所以外部氧化镁粉的污染不会影响内部传感器的电路和工作。新的专利技术引入了第二层保护。额外的金属屏障将每个测量电路隔离在自己的MgO床内，提供完全的传感器独立性。这种双重保护层使传感器具有高可靠性，类似于单独的热电偶，同时保持可弯曲电缆探头的灵活性特性。

多个热电偶传感器可以在单个探头内分组，每个探头都提供所需的测量性能。探头布局和路由，长度和传感器的数量是单独适应工艺规范。这种类型的设计在使用中被证明可以降低传感器过早漂移、腐蚀和短路的风险。

空间足迹影响产品转换

减少侵入式反应器仪表占用的空间是提高转化率和生产率的明显途径。必要硬件的数量直接影响催化剂的电荷密度。影响空间足迹的三个关键因素:

• 探针设计
• 传感器路由
• 安装硬件。

探测器的设计。标准的多点热电偶探针技术早已被认为是成熟的，但最近的研究工作重新评估了机械设计。这导致使用先进的制造工艺来增加安全层，并显着缩小MgO电缆，而不影响其现有质量。在稳健性和空间体积的增益转化为更好地利用催化剂床填料。通过简单地减少反应器床上热电偶电缆的数量，也减少了负面影响，提高了催化剂的反应性和盈利能力。

传感器路由。通过智能传感器路由，测量点可以以最有效的方式分布，同时降低整体侵入性。最先进的CAD建模软件和路由计算由经验丰富的工程师使用，应用多年的反应堆布局经验，以达到最佳效果。

安装硬件。在反应器床中放置多点热电偶探头通常需要安装硬件，增加了仪器的整体空间足迹。然而，新的电缆探头技术满足了这一要求，并减少了支架和安装夹的数量。探头机械结构为电缆提供了更高程度的自支撑，从而减少了所需的支撑元件，同时保持了可弯曲性。这减少了仪器占地面积，同时降低了整体硬件成本和安装时间。较高的产品转化率、成品率和工艺效率很快抵消了初期投资。

投资回报

除了提高过程安全性、控制和可靠性外，该技术还通过以下方式释放了盈利潜力:

• 为更高的催化剂电荷密度节省空间
• 防止因仪表故障而导致的非正常停机或必要的维护
• 允许操作单位更接近其性能最佳。

为了演示微创仪器对盈利能力的影响有多大，请考虑一个典型的带有三个催化剂床的加氢裂化反应器。每个床配有一个入口喷嘴和十二个测量点。

标准多点仪器将使用:

• 每床12个8毫米热电偶和探头
• 每根电缆一个热电偶传感器，总共12根电缆
• 平均长度8米。

新设计用途:

• 每床三个9.5毫米多点电缆探头，每个探头有四个热电偶传感器，共9根电缆
• 长度可达13米。

新的设计使可用的催化剂床体积增加了50%，安装时间缩短了75%。增加的体积可用于提高催化剂负载，节省的安装时间直接转化为更快的周转时间和更低的成本。

以平均每日单位盈利能力和36至48个月的连续运营来衡量，由此产生的额外收入完全抵消了资本支出(CapEx)(见图3)。

使用iTHERM ProfileSens，初始资本支出(左y轴，基数100:标准多点安装)虽然最低，但很快就会通过更高的产量(右y轴，基数100:标准多点安装)和节省来抵消。导致这种快速投资回报的主要因素是:

• 更高的机组性能和转化率
• 更高的效率
• 更快的安装和周转
• 降低运营支出(OPEX)。

随着测量点数量的增加，节省效果增长到初始投资与增加的回报相比变得可以忽略不计的程度。新技术的坚固性、可靠性和更长的使用寿命使其成为苛刻工艺条件下的引人注目的选择。

最终的想法

虽然漂移热电偶测量是一种已知的现象，但对于许多炼油厂运营商来说，传感器异常行为超出典型漂移的潜在原因仍然是广泛未知的。在大多数情况下，迁移的热结不会被检测到，这使得过程控制工程师没有意识到丢失的潜力。

大量的试验和科学研究表明，机械应力、磨损、腐蚀、氢应力诱发的开裂以及随后的H₂S污染是导致数据完全丢失的主要原因，降低了过程效率，同时对安全和反应控制构成风险。iTHERM ProfileSens解决了这些问题，提供了更好的过程安全性、控制和可靠性。它还释放了隐藏的盈利潜力，为炼油商提供了一个明智的选择，以最大限度地利用新的或现有的装置。

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