热电偶外套管(实现可靠的温度测量——新型热电偶传感器诞生不再漂移和迁移)

Posted 2023-06-02

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热电偶外套管(实现可靠的温度测量——新型热电偶传感器诞生不再漂移和迁移)

炼油厂需要可靠的温度测量来优化运营。图片来源：Endress+Hauser

作者 | Mark Thomas

“

先进的温度测量技术可实现更清洁、更安全和更高回报率的运营。

”

在炼油行业，催化加氢处理设施（如加氢处理器、加氢脱硫和加氢裂化装置），需要依靠高性能催化剂技术来最大限度地提高产品转化率。有效的反应控制有助于最大限度地减少空间需求和成本。对于这些密集填充的反应器而言，催化剂床精确而可靠的温度曲线，是稳定和有利可图的装置运营所必需的。

在工业领域，带有热电偶传感器的多点温度仪表，被广泛应用于监测最佳热量分布，并防止在高温、高压和腐蚀条件下出现过热点或导致催化剂过早失活。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：在极端工艺条件下，硫化氢(H2S)污染会影响传统氧化镁(氧化镁)电缆。硫化氢污染会改变测量精度，甚至导致反应失控。

• 尺寸：它们是内置式的，占据催化剂床中的宝贵空间，这会导致不希望的压降和沟道效应。

一种新型的、坚固的多点热电偶探头设计，通过将热电偶套管和热电偶传感器集成在单个探头中（可以节省空间）来解决这些问题，在解决故障漏洞的同时提供更高效的催化反应。专利技术帮助自动化系统，提供更可靠、精确的过程控制，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会遇到恶劣的环境，这对过程仪表提出了巨大的挑战。虽然所有热电偶探头都会随着时间而漂移，但在指定设计限值和选择仪器供应商时，通常不会考虑机械应力、磨损和硫化氢污染。不幸的是，这些问题会导致数据完全丢失，从而威胁过程安全、反应控制和效率。

在这些类型的应用中，行业对多点温度仪器接触液体部件的可用寿命的期望通常是一个或两个单位的运营周期或周转时间，或36至48个月。随着行业需求的变化，人们希望有更长的寿命周期（例如，5至7年），这促使人们对更长的仪器和设备寿命周期的需求增加。

在很多工业应用中都发现了有缺陷的热电偶探头，并且正在系统地影响所有仪器制造商。在对这种情况进行科学检查之后，发现这两种现象会降低热电偶测量的性能，它们可以单独发生也可能同时发生：

1热电偶漂移

氧化镁粉末的化学污染，会导致构成热电偶导线的两种不同金属成分发生变化，塞贝克效应或热电效应就会导致电位差发生变化。虽然局部热接点仍然保持完整，但一种或两种金属的电导率变化会改变测量电压，从而对测量精度产生负面影响。

2热接点迁移

如果硫化氢渗透到氧化镁粉末中，会在热电偶引线之间远离热接点的位置形成新的导电键（电短路）。热电偶仍然工作，仍能显示数值，但这些数值是错误的。

如果已识别出一个或多个有缺陷的热电偶传感器，运营人员可能会决定在下一次计划设备维护期间解决该问题。根据故障的严重程度及其安全关键性，判断是否需要对传感器进行特殊维护，这可能会导致设备计划外停机。

传感器漂移

传感器漂移或损坏会导致错误的读数，运营和过程控制人员可能无法检测到这些读数。这种情况特别危险，因为测量链中的错误信息或信息缺乏，会导致运营决策具有较低的甚至更糟的反应效率。

根据技术调查和相关科学文献，受污染的热电偶传感器的测量精度（漂移）偏差通常为负值。因此，显示值将低于实际温度，实际过程温度可能比预期的更热。除了主要的成本问题之外，这种状态还对安全构成了相当大的威胁。

传统设计假定受单一氧化镁绝缘保护的传感器，能提供足够的测量准确度和精度。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可能会失效。

测量准确度降低

标准做法是在反应器内弯曲和敷设传感器电缆探头，以匹配所需的布局，因为这种灵活的安装方法可确保测量点分布均匀。然而，金属弯曲会引起膨胀和压缩应力，造成薄弱点，特别是在急弯处。

在富氢环境中，这些薄弱点可能会发生由氢应力而引起的开裂，随着时间的推移，这些开裂可能会使金属护套破裂。这种完整性的丧失会导致较大的工艺流体分子（例如硫化氢）渗透并污染绝缘的氧化镁粉末。

氧化镁粉末会与某些化学品发生反应，包括硫和镍。现在受污染的氧化镁粉末，将来自热电偶导体引线和金属护套的镍与过程中产生的硫结合，促进了高导电性Ni3S2的形成。

随着污染区域的扩大，暴露的电线会短路，对传感器精度产生负面影响，或移动热电偶热结的位置。整个探头有可能对过程温度变化视而不见。

E+H iTHERM ProfileSens TS901缆式多点热电偶温度计

通过传感器设计解决问题

Endress+Hauser公司推出的iTHERM ProfileSens TS901多点电缆探头，由两个或多个嵌入到通用外金属护套的独立温度传感器组成。外护套充当集成式热电偶套管，而传感器之间的空间填充有高度压实的绝缘氧化镁矿物粉末（见图2）。

▎图2：iTHERM Profile-Sens探头使用氧化镁、高纯度压实粉末来隔离每个温度传感器。

由于两个传感器彼此完全独立，因此外部氧化镁粉末的污染不会影响内部传感器的电路及其运行。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其自己的氧化镁床内，提供完全的传感器独立性。这种双重保护层，可实现极高的传感器可靠性，类似于单独的热电偶套管，同时保持可弯曲电缆探头的柔韧性。

多个热电偶传感器可以组合在一个探头中，每个传感器都提供所需的测量性能。探头布局和布线、长度和传感器数量，分别根据工艺规范进行调整。这种类型的设计，在使用中被证明可以显著降低传感器过早漂移、腐蚀和短路的风险。

减少在内置式反应器中仪器所占用的空间，是提高转化率和生产力的重要方法。必要硬件的数量，直接影响催化剂填充密度。影响空间的三个关键因素是：探头设计、传感器布线和安装硬件。

1探头设计

长期以来，标准多点热电偶探头被认为是一种成熟的技术，但最近的研究工作重新评估了机械设计。这样，利用先进的制造工艺就可以增加安全层并显著减少氧化镁电缆，而不影响其现有质量。坚固性和空间体积的增加，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的热电偶电缆数量，减少了负面影响，提高了催化剂的反应性和盈利能力。

2传感器布线

通过智能传感器布线，测量点可以以最有效的方式分布，同时降低了对整体空间的占用。经验丰富的工程师，使用最先进的CAD建模软件和布线计算，运用多年的反应床布局经验来获得最佳结果。

3安装硬件

在反应床中，布置多点热电偶探头通常需要安装硬件，这会增加仪器的整体占用空间。然而，新的电缆探头技术考虑到了这一要求，并减少了支架和安装夹的数量。坚固的探头机械结构，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，同时保持可弯曲性。这可以减少仪器的占地面积，同时减少了总体硬件成本和安装时间。提高了产品的转化率、产量和工艺效率，可以更快的收回初始投资。

除了提高过程安全性、控制性和可靠性外，这项新技术还通过以下方式释放了盈利潜力：

• 为更高的催化剂填充密度节省空间；

• 防止因仪器故障而导致的过早停机或维护；

• 使设备运行更接近其最佳性能。

通过新的设计，将可用的催化剂床体积增加了50%，并将安装时间缩短了75%。增加的体积可用于增加催化剂负载，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36-48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（见图3）。

▎图3：CAPEX是仪器和安装成本。典型成本增量示例，实际成本可能因产品规格、配置和服务而异。

使用iTHERM ProfileSens，初始资本支出（左y轴，基数100：标准多点安装）虽然略高，但会通过更高的产量（右y轴，基数100：标准多点安装）和成本节约而迅速抵消。带来这种快速投资回报的主要因素包括：

•更高的装置性能和转换；

•更高的效率；

•更快的安装和周转；

•降低运营成本。

随着测量点数量的增加，节约效应逐步增加，直至初始投资与增加的回报相比变得可以忽略不计的程度。新技术的稳健性、可靠性和更长的运行寿命，使其成为苛刻工艺条件下令人信服的选择。