摘 要：乙烯裂解爐爐膛出口溫度（簡稱COT）的測量準確性直接關系到乙烯的收率，所以測量COT的精確度十分重要。對比現場使用的表面式和插入式熱電偶，發現表面式熱電偶較插入式熱電偶測量溫度偏低30℃以上，不適合大批量使用表面式熱電偶作為COT的測溫。而分析不同結構的插入式COT熱電偶，包括早期的進口產品和之后的國產改造產品，插入式熱電偶的套管結構形式對熱電偶的測量精度影響較大，對比了5種插入式熱電偶，選出一種測量精度高且使用壽命長的插入式熱電偶。

0 引言
         隨著中國石油化工規模的不斷擴大，乙烯裝置的規模也逐步加大，自 60 年代引入乙烯裝置以來，從原來的 7×10 4 t、1×10 5 t， 到 3×10 5 t， 再 到 如 今 的 8×10 5 t 和1×10 6 t，包括中石化鎮海煉化、中石化天津石化、中石化上海石化、上海賽科石化、中石化武漢石化、中石化茂名石化、中石油撫順石化等大乙烯裝置。乙烯的原料主要為天然加工廠的輕烴和煉油廠加工的各種油，如何提高乙烯的收率是各生產商和設計單位需解決的問題。其中，裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗占裝置總能耗的50% ～ 60%  ，降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產成本的重要途徑之一，而提高乙烯收率是決定乙烯裝置能耗的最基本因素。

         乙烯裂解爐爐膛出口溫度（以下簡稱 COT），其測量的準確性直接關系到乙烯的收率，當溫度在 830℃～ 860℃之間，每提高 1℃，乙烯收率可提高 0.1% 以上 ［1］ 。每臺爐為 40kt/a，至少可增加 12 萬元 (40kt/a×0.1%×3000 元 /t)，一般產量在 300kt/a 的工廠，每年可增收 90 萬元。從以上數據中可以看出，準確地測溫對乙烯收率的提高起到關鍵作用。當溫度未達到設定溫度時，控制儀給出信號指令，依靠控制閥加大投料來加溫；當溫度達到設定溫度時，控制儀給出信號指令輸出燃料控制閥進行限流控制來降低能耗?？梢?，準確地溫度控制，能使乙烯裂解深度和能耗之間達到最優化配合。而乙烯裂解爐出口段的工況十分復雜，在裂解過程中，介質含有焦油、硫、氫等許多腐蝕的成分，溫度可達 850℃左右 ［2］ ，且流速很快，所以能保證熱電偶長期有效精確地測量 COT 溫度是工作中重點和難點。

1 表面 COT 熱電偶利弊與測量溫度分析
         一般的熱電偶測溫分為插入式測溫和表面式（貼壁式）測溫，絕大部分熱電偶都是采取插入式的測量方法，插入式的優點是測溫精確，反應靈敏，缺點是制造成本高。而表面式測溫是在一些設備管道不能開口或其他特殊原因發生時才選用的方法，表面式的熱電偶避免了與介質的直接接觸，而是與被測介質的管道外壁貼合，所以測的溫度一般要比實際溫度要低 10℃以上，優點是使用壽命較長和低成本。

         測量 COT 溫度的熱電偶，也分為插入式和表面式 2 種?，F在通常的表面式 COT 熱電偶，其結構是外套管焊接或捆綁在管道上，熱電偶穿在外套管內，外套管外設有保溫棉，熱電偶測量點及后面一段長度都采取與管道貼平的方式。如圖 1 所示。

         根據熱電偶測量原理，熱電偶測量點是一個點，而非一條線或者是一個面。當熱電偶外部溫度過高會使熱電勢分流，導致測得的溫度降低；又因為熱電偶外面還有一層保護套管使得反應更慢，測量的溫度數值更低。而現在國內很多大乙烯裝置的部分裂解爐 COT 溫度采用的是這種表面式測溫的方法，包括最近幾年新上的幾個大乙烯裝置。這種表面測溫方法最早來自于國外某公司的成套裂解爐的技術，該方法忽視了測溫特性與原理，目的是因為外商怕插入式的熱電偶套管不能長期使用在這種惡劣的工況下，而選用表面式的熱電偶，雖然不容易損壞，但是不能實時測得精確溫度。這種表面測溫測得的數據一般比插入式熱的低了 30℃以上，而且對爐管保溫要求十分嚴格，當保溫棉脫落后，造成爐管表面溫度散發，使測得的溫度更低，極端情況下測量的數據可能比實際溫度低了 100℃以上。當大部分表面式熱電偶測得的溫度都較低時，由于不能實時地把測得數據傳遞給 DCS 系統進行調控，工廠往往會放棄該熱電偶的測量數據為生產依據，從而改用分析儀來分析裂解氣的各種氣體成分，進而來判斷裂解深度。這樣熱電偶測得的數據只能成為參考數據，而不能成為控制的關鍵，也就失去了測量的作用，反而增加了能耗 , 根本達不到節能減排的目的。

         對比下表面式和插入式 COT 熱電偶測量數據的差別，見表 1、表 2。表 1 是茂名石化 2007 年 5 月份的 22 支表面式 COT 熱電偶和插入式 COT 熱電偶分別測量的溫度；表 2是茂名石化 2010 年 5 月份的 48 支表面式 COT 熱電偶和插入式 COT 熱電偶分別測量的溫度。從 2 個表中可以看出表面式 COT 熱電偶測得的溫度普遍比插入式 COT 熱電偶測得的溫度要低，最多溫差大于 100℃?？梢姳砻媸?COT 熱電偶不能真實有效地反映出 COT 的實際溫度，工廠在大范圍的 COT 溫度測量應慎用表面式熱電偶，否則可能會帶來嚴重的經濟后果。

2 插入式 COT 熱電偶結構與測量溫度分析
         插入式 COT 熱電偶的結構特點和測量誤差，其結構具有多樣性，國內不同的乙烯項目選用不同的裂解爐技術，包括 Stone&Webster（斯通 • 韋伯斯特）、Linde（林德）和lummus（魯姆斯）等知名廠商技術，其中 COT 熱電偶也都是從進口開始，而后逐漸改進結構，并開始國產化。各種不同的結構使用壽命和測量誤差也各不相同。如圖 2、圖 3、圖 4 和圖 5 所示。

         上述 4 種熱電偶的共同缺點就是，其元件與介質之間隔了很厚的套管，導致測量溫度比實際溫度過低。如果要讓測量更準確，則必須讓套管變薄，則會使使用壽命變短，甚至不能在一個檢修周期內使用。因此，必須改變整支熱電偶的結構，設計一種能在高溫、高流速、有腐蝕性介質的環境下長期、精確、有效測溫，還需克服因結焦導致難拆卸問題的結構。這種結構必須具有下列特點：
         1）感溫元件處套管應該壁薄，能精確測溫。
         2）能防止測量端結焦而影響測溫。
         3）套管能有效抵抗高流速介質的沖刷。
         4）能耐氫、硫等有害成分的腐蝕。
         5）當結焦后能方便拆卸。
         要同時滿足上述要求，保護套管需做成棱形面，棱形面直接面對高流速介質的沖刷，為能長期使用且防止頭部結焦，棱形面選用高鎳合金并堆焊耐磨合金。經研磨后，棱形面粗糙度應≤ 0.8μm。熱電偶還需設置偏心結構并處于棱形面后端，熱電偶外的套管壁厚很薄，使測量更精確。大套管略作錐形狀，并配合法蘭上的 4 個多加的螺紋孔，能使拆卸更容易。其結構圖如圖6所示，安裝圖如圖7所示。

         在廣州石化引入這種插入式 COT 熱電偶之后，來對比下這種插入式 COT 熱電偶和之前熱電偶測得數據的對比，見表 3、表 4。表 3 是上海賽科 2008 年 5 月份更換后與更換前的 COT 熱電偶測得數據對比，其中綠色線為更換后的熱電偶測得數據，其余 3 條線為老結構的熱電偶測量數據；表 4 是廣州石化 2007 年 1 月份更換后與更換前的 COT 熱電偶測得數據對比。通過這 2 張表，可以清楚地看到更換后的 COT 熱電偶測得的溫度值更高，更貼近實際值的 850℃，能有效的為乙烯生產提供精確的控制數據。

         據了解，這種結構的插入式 COT 熱電偶已廣泛使用在茂名石化、撫順石化、廣州石化、上海賽科、上海石化等乙烯裝置中，使用壽命長達四年 , 得到了各使用單位的好評。

3 結束語
         綜合上述表面式和插入式 COT 熱電偶的結構和測量數據分析，可得出表面式熱電偶不適合用于 COT 測溫，其測溫高誤差會給工藝投料帶來很大的不穩定性，難以控制成本和能耗。而插入式 COT 熱電偶結構多樣性，經過國內各乙烯廠的多年使用，最終改進為這種棱形面套管結構的COT 熱電偶。該熱電偶能精確的測量 COT 的實際溫度，平均誤差約為 6℃，達到了各業主廠家預想的目標。