氣化爐爐壁溫度檢測(cè)方法分析

鄧麗君

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315000)

氣化爐爐壁溫度檢測(cè)方法分析

鄧麗君

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315000)

傳統(tǒng)的表面熱電偶以測(cè)溫點(diǎn)的形式分布在氣化爐爐壁周圍，氣化爐爐壁上只需預(yù)焊熱電偶的固定件，但表面熱電偶不能完全覆蓋爐壁周圍，無法對(duì)爐壁溫度進(jìn)行全測(cè)量。表面測(cè)溫電纜沿氣化爐爐壁進(jìn)行盤繞，在氣化爐爐壁上需預(yù)焊測(cè)溫電纜固定螺栓，僅能測(cè)量出其路徑上的溫度，也無法對(duì)氣化爐爐壁溫度進(jìn)行全測(cè)量。紅外熱像儀不直接接觸爐壁，而是分布在氣化爐四周并在爐壁周圍固定安裝，能對(duì)爐壁散發(fā)的紅外射線進(jìn)行全面掃描，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐壁溫度的全面測(cè)量。通過對(duì)三種測(cè)溫方式工作原理的介紹，供同行在氣化爐爐壁溫度檢測(cè)選用過程中借鑒。

表面熱電偶 電纜測(cè)溫系統(tǒng) 紅外熱像儀

氣化爐是水煤漿氣化裝置中的重要反應(yīng)設(shè)備，氣化爐主要分為上部燃燒室和下部激冷室兩個(gè)部分。燃燒室氣化壓力在2.7～8.5MPa，預(yù)熱時(shí)溫度高達(dá)1300℃，操作時(shí)溫度在1000～1700℃。燃燒室爐內(nèi)襯耐火磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，受熱氣體和融渣的沖刷，使耐火磚不斷變薄。在某些情況下，由于砌磚的缺陷，耐火磚會(huì)脫落，熾熱氣體通過磚縫侵入使氣化爐爐壁表面溫度升高，使受壓的氣化爐金屬外殼強(qiáng)度降低，氣化爐爐壁就會(huì)受力變形。因此，為了保證氣化爐正常、安全、有效地運(yùn)行，需要對(duì)爐殼表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在溫度升高時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

由于局部耐火磚脫落的位置是隨機(jī)的，因而必須對(duì)爐殼表面每一點(diǎn)的溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)。每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)反應(yīng)的是爐壁一點(diǎn)的溫度情況，據(jù)此可判斷耐火磚的實(shí)際厚薄及更換狀態(tài)。但是，氣化爐直徑約為 3m， 表面積太大，爐壁溫度在200～500℃。目前氣化爐爐壁的表面測(cè)溫主要有三種測(cè)量方式： 傳統(tǒng)的表面熱電偶，氣化爐表面電纜測(cè)溫和紅外熱像儀。

1 傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫

氣化爐燃燒室外壁用表面熱電偶測(cè)溫。將氣化爐燃燒室表面根據(jù)要求分成若干個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上設(shè)置表面熱電偶。由于這些表面熱電偶無法全覆蓋燃燒室表面，在氣化爐燃燒室表面還要均勻刷一層感溫涂料或由現(xiàn)場(chǎng)人員采用便攜式紅外測(cè)溫儀器定時(shí)對(duì)燃燒室爐壁進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)熱電偶價(jià)格低廉，但無法全面測(cè)量燃燒室表面溫度，致使操作人員無法從某個(gè)熱電偶的超溫報(bào)警來判斷出究竟是燃燒室爐殼哪個(gè)部位溫度超溫。

2 氣化爐表面電纜測(cè)溫

氣化爐表面電纜測(cè)溫是將測(cè)溫電纜纏繞在氣化爐爐殼外表面上。測(cè)溫電纜能夠連續(xù)產(chǎn)生與其長(zhǎng)度涉及范圍內(nèi)的最高溫度相對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)，該信號(hào)被傳送到DCS以監(jiān)控最高溫度出現(xiàn)的位置。根據(jù)測(cè)溫要求設(shè)計(jì)氣化爐爐殼上的布線密度，要求使每只測(cè)溫電纜所測(cè)區(qū)域的溫度分布基本均勻。一般氣化爐的布線間矩在100～150mm，這樣就能保證每一塊耐火磚上都有1只測(cè)溫電纜經(jīng)過。

2.1電纜測(cè)溫原理

測(cè)溫電纜又稱“連續(xù)”熱電偶或“尋熱”熱電偶，當(dāng)線纜上任何一點(diǎn)的溫度高于其他部分的溫度時(shí)，該處的熱電偶導(dǎo)線之間的絕緣電阻降低，導(dǎo)致“臨時(shí)”熱電偶接頭出現(xiàn)，其作用與常規(guī)單接點(diǎn)熱電偶接頭相同，當(dāng)線纜上另外一點(diǎn)的溫度高于該點(diǎn)時(shí)，該處的熱電偶導(dǎo)線之間的絕緣電阻低于該點(diǎn)的電阻，導(dǎo)致新的“臨時(shí)”熱電偶接頭出現(xiàn)。

2.2電纜測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用

測(cè)溫電纜可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐表面各區(qū)域的溫度，甚至能探測(cè)到小區(qū)域的溫度過熱，避免氣化爐因局部過熱而損壞。測(cè)溫電纜自動(dòng)產(chǎn)生毫伏信號(hào)，無需外加電源。以直徑為3m的氣化爐為例，整個(gè)氣化爐燃燒室分22個(gè)溫區(qū)，其中爐拱頂外弧分6個(gè)溫區(qū)，爐子直筒段分16個(gè)溫區(qū)(上下部分各按8個(gè)方位等分為8個(gè)區(qū))。氣化爐拱頂外弧測(cè)溫電纜旋轉(zhuǎn)盤繞，間距和固定點(diǎn)控制約200mm。測(cè)溫電纜在氣化爐直筒段盤繞測(cè)溫，垂直間距為 150mm， 水平每隔200mm設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)。從頂部到底部，可水平、垂直鋪設(shè)，全方位覆蓋氣化爐表面。測(cè)溫電纜一端通過成套陶瓷接插件與測(cè)溫電纜連接，另一端通過補(bǔ)償導(dǎo)線接入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。氣化爐爐體在設(shè)計(jì)時(shí)須按要求布置爐壁表面溫度檢測(cè)點(diǎn)，并畫出固定預(yù)焊件螺母的位置，制造廠在壓力容器制造時(shí)將預(yù)焊件螺母焊接在爐壁上。每臺(tái)氣化爐約2000個(gè)固定螺母，螺釘規(guī)格是M6。安裝時(shí)壓板上涂填料，使之與熱點(diǎn)探測(cè)器之間的聯(lián)結(jié)更好，易于元件貼近爐壁。

2.3電纜測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

測(cè)溫電纜與普通熱電偶的不同之處在于熱接點(diǎn)不固定，始終與電纜上的最高溫度相對(duì)應(yīng)，能夠及時(shí)對(duì)氣化爐爐壁超溫進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

測(cè)溫電纜需要用螺絲固定在氣化爐表面上，彎曲過度時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫電纜與氣化爐爐壁貼合不緊密，從而導(dǎo)致測(cè)量溫度的不準(zhǔn)確。測(cè)溫電纜僅能反映測(cè)溫電纜所敷設(shè)路徑中的最高溫度，并不能反映出敷設(shè)路徑中的具體位置，因而無法確定準(zhǔn)確的超溫報(bào)警點(diǎn)。

3 紅外熱像儀

紅外熱像儀是用紅外輻射測(cè)量?jī)x器測(cè)量氣化爐爐壁向周圍空間發(fā)出的紅外輻射能量，根據(jù)所測(cè)能量的高低來確定氣化爐爐殼的表面溫度。紅外熱像儀由紅外熱像儀、廣角鏡頭、防爆倉(cāng)、服務(wù)器和成像軟件組成。

紅外熱像儀的測(cè)溫范圍一般在-40～2000℃， 測(cè)量精度一般為2%，如果有更高的測(cè)溫精度要求，建議使用帶制冷型FPA探測(cè)器的熱像儀。

3.1安裝

紅外熱像儀屬于非接觸式測(cè)溫設(shè)備，布置位置靈活，可以安裝在氣化框架的鋼梁上，不用直接接觸氣化爐爐殼。

3.1.1角度要求

由于紅外熱像儀有檢測(cè)角度要求，通常為30°，如果需要擴(kuò)大檢測(cè)范圍，可以增加廣角鏡頭擴(kuò)展紅外熱像儀的測(cè)量范圍；紅外熱像儀與測(cè)量爐壁之間不能有遮擋，熱像儀與被測(cè)物距離越遠(yuǎn)對(duì)環(huán)境要求也越高。氣化爐是圓柱形的，即使紅外熱像儀拉的再遠(yuǎn)也無法全測(cè)量，因此測(cè)量1臺(tái)氣化爐燃燒室全面積爐壁溫度，至少需要3臺(tái)紅外熱像儀，且紅外熱像儀距離氣化爐越近越好。如果儀器距離目標(biāo)過遠(yuǎn)，目標(biāo)將會(huì)很小，測(cè)溫結(jié)果將無法準(zhǔn)確反映目標(biāo)物體的真實(shí)溫度。為了得到精確的測(cè)量讀數(shù)，與目標(biāo)的距離不要小于熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的最小焦距，否則不能聚焦成清晰的圖像。

以一個(gè)燃燒室高8m，直徑3m的氣化爐為例，選用25°×18°(水平×垂直)的紅外熱像儀，配置廣角鏡頭使紅外熱像儀的測(cè)量角度增加至82°× 62.5°。氣化爐燃燒室在整個(gè)氣化框架中占兩層，每層4m。安裝時(shí)，紅外熱像儀距離氣化爐圓心應(yīng)不小于5m。紅外熱像儀配置方案如圖2所示。

3.1.2防爆倉(cāng)

氣化框架之上為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，要求使用的設(shè)備儀表應(yīng)滿足防爆要求，但目前還沒有防爆的紅外熱像儀，因而必須將紅外熱像儀放置在專門的防爆倉(cāng)內(nèi)，且防爆倉(cāng)鏡頭為特殊處理的紅外玻璃，這樣才能滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆及測(cè)量要求。

圖2 紅外熱像儀配置方案

3.1.3環(huán)境溫度

紅外熱像儀的環(huán)境溫度一般要求在-15～50℃， 而對(duì)于放置在氣化爐燃燒室周圍的紅外熱像儀來說，環(huán)境溫度可能會(huì)超過紅外熱像儀能耐受的極限環(huán)境溫度，因而需對(duì)紅外熱像儀采取冷卻措施，例如防爆倉(cāng)周圍增加冷卻水夾套、在防爆倉(cāng)周圍進(jìn)行冷水盤管或采用專門的高溫防爆倉(cāng)。

3.1.4與DCS連接

紅外熱像儀傳輸距離要求小于100m，超過100m會(huì)存在圖像滯后。因此，超過100m距離時(shí)采用光纖傳輸方式。紅外熱像儀服務(wù)器不建議與DCS共用，它會(huì)影響DCS穩(wěn)定性；可以與DCS采用Profibus/Modbus協(xié)議通信做數(shù)據(jù)交互(區(qū)域畫面最高溫度、報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)?，多臺(tái)氣化爐可以共用1臺(tái)服務(wù)器。

3.2紅外熱像儀的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

由于紅外熱像儀與氣化爐爐壁無接觸，氣化爐振動(dòng)不會(huì)影響紅外熱像儀的測(cè)量精度，而且操作工對(duì)紅外熱像儀的檢修和維護(hù)非常方便。熱像儀不僅能顯示氣化爐燃燒室爐壁任意一點(diǎn)的溫度，還能顯示爐殼表面整體溫度及變化情況。紅外熱像儀還可以形成物體溫度分布的熱圖像，便于操作員直觀、快速發(fā)現(xiàn)氣化爐爐壁隱患所在。

由于氣化爐為整體式圓柱形，如果要檢測(cè)氣化爐四周整體的溫度，至少需要3臺(tái)紅外熱像儀。如果燃燒室在氣化框架中分為兩層，至少需要6臺(tái)熱像儀，此外紅外熱像儀還需要防爆倉(cāng)，使成本大幅增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

表面電纜測(cè)溫系統(tǒng)成本適中，安全可靠，是目前國(guó)內(nèi)測(cè)量氣化爐爐壁表面溫度的主流方法。紅外熱像儀測(cè)量氣化爐爐殼的表面溫度目前在國(guó)外得到了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚未應(yīng)用，但紅外熱像儀的爐壁測(cè)溫方式將是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

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本刊啟事

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DiscussiononTemperatureMeasurementofGasifierWall

Deng Lijun

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd.， Ningbo， 315000， China)

Traditional shell thermocouple is installed around gasifier wall as measurement point with thermocouple fixation installed on gasifier wall. The shell thermocouple can’t cover the whole gasifier wall, and can’t measure the whole area of gasifier wall. The cables of temperature are coiled around gasifier wall, and connecting bolts need to be installed to fix cable. Because it only can measure temperature along cables, the cable of temperature can’t measure whole area of gasifier wall. Infrared thermometer doesn’t directly connect with gasifier wall, and is installed and distributed around wall with suit distance. Infrared thermometer scans infrared rays emitted by gasifier wall， and temperature around gasifier wall can be measured. Through the principles of three kinds of temperature measurement methods are introduced, it provides a reference for selection of temperature measurement of gasifier wall.

shell thermocouple； cable temperature measurement system； infrared thermometer

稿件收到日期： 2012-12-14,修改稿收到日期2013-02-04。

鄧麗君(1980—)，女，新疆伊犁人，畢業(yè)于四川大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)工作于中石化寧波工程有限公司。

TQ056.1+1

B

1007-7324(2013)03-0055-03