Elastyczni kontrolerzy. Radialny system pomiaru temperatury

Po upływie dekady od kryzysu naftowego, w połowie lat 80., przemysł petrochemiczny znalazł się pod silnym naciskiem ekonomicznym. Operatorzy rafinerii mieli trudności z uzyskaniem optymalnej wydajności swoich instalacji. Wielu z nich podjęło uzasadnioną decyzję ulepszenia reaktorów za pomocą nowej generacji wysokoaktywnych katalizatorów. Katalizatory te zapewniają lepszą selektywność i prędkość przetwarzania, co zwiększa produktywność i rentowność. Jednak z drugiej strony stanowią źródło pewnych problemów dla operatorów rafinerii. W instalacjach do hydrokrakingu wysokoaktywne katalizatory mogą zwiększyć prędkość reakcji, a negatywną konsekwencją procesów egzotermicznych jest zjawisko zwane najczęściej niestabilnością cieplną. Niestabilność cieplna wykryta zbyt późno jest niebezpieczna, ponieważ nagły wzrost temperatury, który przekroczy limity metalurgiczne ścianek reaktora, może spowodować ich uszkodzenie i katastrofalną w skutkach utratę szczelności.

Przed prostymi termometrami wielopunktowymi z gniazdem rurowym, które były powszechnie używane w zastosowaniach przemysłowych 30 lat temu, stanęło wyzwanie monitorowania temperatury w reaktorach. Niestety, ich konwencjonalna budowa nie do końca nadawała się do sprawdzania temperatury w reaktorach wyposażonych w katalizatory nowej generacji. Powodem niedostosowania były trzy główne problemy:

• Czas reakcji: Gniazdo rurowe było przeznaczone do stosowania w warunkach wysokiego ciśnienia w instalacjach do hydrokrakingu i hydrorafinacji. Jednocześnie gruba metalowa ścianka rurki spowalniała czas reakcji termometru, co oznaczało, że jego reakcja na niestabilność termiczną reaktora była zbyt powolna.
• Kanałowanie: To negatywne zjawisko zostało zaobserwowane wzdłuż gniazd rurowych, które były zwykle montowane pionowo. Medium procesowe przepływało przez reaktor szybciej, niż przez kanał, przez co katalizator nie miał wystarczająco dużo czasu na przetworzenie produktu.
• Ograniczona możliwość rozmieszczenia punktów: Punkty detekcji były nieodpowiednio rozłożone – wyłącznie na liniowej geometrii gniazda rurowego, przez co znaczna część reaktora pozostawała bez możliwości pomiaru temperatury. Ryzyko braku wykrycia punktów o podwyższonej temperaturze prowadziło do zmniejszenia żywotności katalizatorów i/lub niestabilności cieplnej.

Układy z elastyczną termoparą

W odpowiedzi na te wymagania firma Gayesco (obecnie spółka Grupy WIKA) postanowiła opracować układy z elastyczną termoparą. Do dziś są one używane pod nazwą Flex-R, choć od tamtego czasu przeszły metamorfozę, dostosowując się do zmieniających się wymagań przemysłu petrochemicznego. Termopary Flex-R występują w różnorodnych zastosowaniach w reaktorach z pojedynczym złożem oraz wieloma złożami.

Opracowanie ich zasady działania było owocem bliskiej współpracy inżynierów procesowych, użytkowników i licencjodawców. Przykładowo specjalnie zaprojektowany kabel płaszczowy o izolacji mineralnej odznaczał się ogromną wytrzymałością i w związku z tym nie tylko wyparł gniazdo rurowe, ale też pozwolił na dowolną konfigurację punktów detekcji. W wyniku tej pracy powstał radialny system do pomiaru temperatury z bardzo szybkim czasem reakcji wynoszącym około 4–8 s (a nie 3 min, jak w przypadku konwencjonalnych gniazd rurowych). Dzięki temu operatorzy zyskali czas umożliwiający reagowanie na potencjalną niestabilność termiczną i pozwalający na podjęcie właściwych środków zaradczych. System ten pozwolił również na większe zagęszczenie punktów, co wcześniej nie było możliwe.

Termopary Flex-R z czułymi końcówkami są montowane w reaktorach za pomocą specjalnych systemów mocowania, co marginalnie wpływa na bieg procesu.

Termopary Flex-R są montowane do reaktora kołnierzowo lub, w przypadku braku wystarczającego miejsca, mocowane na złącze śrubowe wysokiego ciśnienia (gwint radialny). Po zainstalowaniu stają się integralną częścią reaktora i narzędziem wspierającym operatorów rafinerii w staraniach zmierzających do redukcji kosztów. Na przykład, gdy katalizator jest usuwany podczas wymiany, układ pomiarowy wciąż pozostaje wewnątrz zbiornika. Technicy serwisowi mogą kalibrować termoparę na miejscu lub naprawiać MI kabel, jeżeli płaszcz uległ uszkodzeniu przy usuwaniu katalizatora.

W ciągu kolejnych lat obok Flex-R na rynku pojawiło się więcej elastycznych termometrów wielopunktowych. Inni producenci próbowali naśladować funkcjonalność systemu opracowanego przez Gayesco, jednak większość z tych urządzeń miała geometrię liniową z wieloma punktami detekcji w pojedynczym płaszczu. Nadawały się jedynie, jako tanie rozwiązania, do rejestracji liniowych gradientów temperatury.

Ponadto, ze względu na skomplikowaną budowę wewnętrzną z wieloma punktami detekcji w jednym płaszczu, nie miały one żadnych zabezpieczeń, a ich naprawa na miejscu była niemożliwa. Jeżeli płaszcz zewnętrzny uległ uszkodzeniu, operator tracił wszystkie punkty detekcji jednocześnie.

Szeroki zakres zastosowań

Stabilność pracy systemu Flex-R najlepiej ilustruje pierwszy wielopunktowy termometr z tej serii, który został zamontowany przez Gayesco w reaktorze w rafinerii Shell w Woodriver (Illinois) w 1988 r. 260 punktów detekcji, umieszczonych na kilku poziomach złoża katalizatora, działa od 26 lat bez żadnych problemów i bez nawet jednej usterki, mimo że katalizator był usuwany wielokrotnie.

Korzyścią z radialnego pomiaru temperatury w reaktorze jest nie tylko możliwość wykrycia skoków temperatury, co było pierwotnym celem nowego systemu pomiarowego. Te same przyrządy dostarczają również dane na temat nieprawidłowego rozłożenia katalizatora wewnątrz zbiornika i pomagają w przewidywaniu jego żywotności. Elastycznych termometrów wielopunktowych można też użyć do oceny wydajności w górnej części złoża.

Szybko okazało się, że wielopunktowe rozwiązania opracowane przez Gayesco mają ogromną liczbę potencjalnych zastosowań w rafineriach. Mogą one zostać użyte m.in. do monitorowania katalizatora w procesach styrenowych i kolumnach destylacyjnych, do kontroli regeneracji katalizatora w urządzeniach do reformingu (FCR) lub do pomiaru temperatury w diplegach i cyklonach podczas fluidalnego krakingu katalitycznego (FCC).

Wprowadzone kilka lat temu przepisy znacznie zwiększyły wymagania dotyczące poziomu emisji, co wywarło ogromny wpływ na jakość i czystość paliwa, zwłaszcza zawartość siarki. W odpowiedzi nastąpił geometryczny wzrost liczby elastycznych termometrów wielopunktowych stosowanych w urządzeniach do hydrokrakingu i hydrorafinacji. Niestety, duże zagęszczenie punktów pomiarowych w reaktorach miało negatywny wpływ na natężenie przepływu i rozkład medium procesowego, a więc również na jakość produkowanego paliwa. W odpowiedzi na te problemy firma Gayesco opracowała specjalne niewielkie elementy mocujące dla swoich termopar, aby zredukować negatywne konsekwencje dla procesów reakcji do minimum.

Oprócz systemu wsporników istotna jest też wiedza praktyczna firmy na temat optymalnego utrzymania termopar w reaktorze. Wysiłki inżynierów w działach badań i rozwoju, zmierzające do ciągłego usprawniania termometrów wielopunktowych, nie ustają. Najnowocześniejsze termometry wielopunktowe wykorzystują główne oraz pomocnicze układy bezpieczeństwa. Są wyposażone w podwójną komorę uszczelniającą, która opcjonalnie może być monitorowana – na wypadek rozszczelnienia pierwszej strefy.

Standardem systemu Flex-R firmy Gayesco są także dodatkowe urządzenia uszczelniające dla przejść pomiędzy termoparami. Ponieważ rozmiar termopary może być różny w zależności od zastosowania, nadal istotny problem stanowi wytrzymałość. Dlatego Gayesco stawia na specjalnie zaprojektowane MI kable do termopar, a nie standardowe rozwiązania alternatywne. Bezpieczeństwo procesu jest dla firmy najważniejsze. 

WIKA POLSKA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością sp.k.

ul. Łęgska 29/35, 87-800 Włocławek
tel. 54 230 11 00, fax 54 230 11 01 
e-mail: info@wikapolska.pl
www.wikapolska.pl

źródło: Automatyka 3/2016