氣化爐表面測(cè)溫系統(tǒng)在德士古氣化爐上的應(yīng)用

胡尊光

（山東聯(lián)億新能源科技股份有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

德士古氣化爐爐內(nèi)正常溫度在1300℃左右，最高可達(dá)1500℃。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，受熱氣體和融渣的沖刷，耐火磚會(huì)不斷變薄。在某些情況下，例如砌磚時(shí)的缺陷，導(dǎo)致爐磚會(huì)掉下或熾熱氣體通過磚縫侵入。爐內(nèi)耐火磚的減薄甚至脫落或熾熱氣體通過磚縫侵入，會(huì)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，許用應(yīng)力迅速下降，造成設(shè)備不安全，因此要求檢測(cè)氣化爐表面溫度并給予報(bào)警。另一個(gè)目的是，爐表面溫度反映了爐內(nèi)耐火磚減薄的程度，可根據(jù)爐表面溫度預(yù)先確定更換耐火磚的時(shí)間。

從目前國(guó)內(nèi)氣化爐情況來看，絕大部分在線運(yùn)行的氣化裝置金屬表面測(cè)溫都采用表面熱電偶實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，或者稱氣化爐表面熱點(diǎn)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

圖1 測(cè)溫原理Fig.1 Principle of temperature measurement

1 測(cè)溫原理

表面熱偶與普通熱電偶功能基本一致，是基于熱電效應(yīng)的原理，其特點(diǎn)是當(dāng)被測(cè)設(shè)備表面任一點(diǎn)溫度升高，即可測(cè)出該點(diǎn)的溫度值。其正負(fù)極偶絲相互之間被具有高負(fù)溫系數(shù)的材料隔離，即溫度升高時(shí)絕緣電阻急驟減少的材料隔離封裝，能在整個(gè)電纜長(zhǎng)度連續(xù)不斷地產(chǎn)生最熱的毫伏電勢(shì)值。

在表面熱偶上的任意一點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)超過該點(diǎn)溫度時(shí)，在該點(diǎn)熱電偶之間隔離材料的電阻就會(huì)減少，形成一個(gè)“臨時(shí)”熱接點(diǎn)（T1）。如果熱偶其它部分出現(xiàn)第二個(gè)更高的溫度點(diǎn)（T2）時(shí)，這樣該點(diǎn)之間的絕緣電阻將減少，形成一個(gè)新的“臨時(shí)”熱接點(diǎn)[1]。

-WRKK-A 表面熱偶特點(diǎn)：①外層護(hù)套采用Inconel 600；②測(cè)溫元件：K 型熱電偶；③輸出信號(hào)：與纜線最高溫度點(diǎn)溫度相對(duì)應(yīng)的直流毫伏信號(hào)；④正常工作溫度：80℃～880℃；⑤極限工作溫度：-40℃～900℃。

2 安裝

氣化爐爐體在設(shè)計(jì)時(shí)，按設(shè)計(jì)要求布置溫度測(cè)點(diǎn)，并畫出固定預(yù)焊件螺母的位置；制造時(shí)，將預(yù)焊件螺母焊接在爐壁上。每臺(tái)爐有固定螺母數(shù)，筒體部分螺母沿?zé)犭娕挤笤O(shè)方向焊接螺母，螺母規(guī)格是M6，材質(zhì)304SS；安裝時(shí)，壓板上貼上耐高溫纖維填料，使與表面熱電偶之間的聯(lián)結(jié)更好，易于元件貼近爐壁。表面熱電偶從氣化爐頂部到底部，360°全面覆蓋氣化爐表面。

表面熱電偶繞氣化爐表面貼附，用專用的不銹鋼壓板敷蓋并用專用卡子固定，可以垂直安裝或螺旋安裝，本項(xiàng)目采用垂直安裝。其安裝材料及附件主要有耐高溫補(bǔ)償導(dǎo)線、填充材料、加固夾具、壓板、插座保護(hù)盒和陶瓷插座連接件等[2]。每支表面熱電偶兩端帶有陶瓷插座連接件，表面熱電偶的信號(hào)通過配套插座與補(bǔ)償導(dǎo)線連接，補(bǔ)償導(dǎo)線的另一端連接MTL 多路溫度采集系統(tǒng)并入全廠DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.2 Site installation diagram

圖3 主要安裝附件Fig.3 Main installation accessories

3 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用案例

目前，應(yīng)用于氣化爐表面測(cè)溫的熱電偶常見的主要有美國(guó)Senkox、重慶材料研究院、美國(guó)CT2C 和浙江倫特等4家制造商。某公司氣化裝置有3 臺(tái)德士古氣化爐，表面熱偶選用浙江倫特xdB-WRKK-A 型號(hào)產(chǎn)品，自2014 年開車以來運(yùn)行良好。

圖4 表面熱偶連接方式Fig.4 Surface thermocouple connection

該裝置每臺(tái)氣化爐表面設(shè)計(jì)26 支表面熱電偶，每臺(tái)氣化爐配置1 套MTL830 系列多路溫度采集系統(tǒng)，其中含有2 個(gè)MTL831B 發(fā)送單元，1 個(gè)MTL838B-MBF 接收單元、2個(gè)MTL3052 數(shù)字通訊隔離柵、1 個(gè)接線箱及其他附件。

MTL831B 變送單元裝在現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)（危險(xiǎn)區(qū)），MTL838B-MBF 接收單元和MTL3052 數(shù)字通訊隔離柵裝在控制室內(nèi)（安全區(qū)），系統(tǒng)采用MODBUS 通訊協(xié)議，通過通訊線由RS485 輸出至DCS。

3.1 MTL830多路溫度采集系統(tǒng)介紹

MTL830 多路溫度采集系統(tǒng)的變送單元安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的防爆接線箱內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)表面熱電偶的信號(hào)直接進(jìn)變送單元，與遠(yuǎn)傳接收單元采用Modbus 通訊，同時(shí)與DCS、PLC 的上位機(jī)采用通訊方式集中顯示。

現(xiàn)場(chǎng)的變送單元同控制室的接收單元之間采用冗余方式通訊，正常工作時(shí)只有一條數(shù)據(jù)線同系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通訊切換到另一條通訊線上。這種通訊線可以采用普通的雙絞線，該通訊線既是通訊線又是電源線，最大的通訊距離可達(dá)2km。如果變送單元安裝在危險(xiǎn)區(qū)域，在數(shù)據(jù)線上需要增加MTL3052 數(shù)字通訊隔離柵進(jìn)行限能。

每套MTL830 系列多路溫度采集系統(tǒng)，可以連接32 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶信號(hào)，這樣將原來需要的32 對(duì)電纜減少為2 對(duì)。采用MTL830 系列多路溫度采集系統(tǒng)將減少貴重的補(bǔ)償導(dǎo)線，對(duì)于遠(yuǎn)距離的裝置，可以節(jié)省大量的費(fèi)用。冗余的通訊線增加了系統(tǒng)的可靠性，而斷路保護(hù)減少因短路產(chǎn)生的故障。

MTL831B 多路溫度采集系統(tǒng)的變送單元可以被放置在危險(xiǎn)區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)的熱電偶與變送單元連接，變送單元通過冗余的通訊線將數(shù)據(jù)傳到控制室。這條數(shù)據(jù)線既提供數(shù)據(jù)傳送，又為變送單元供電，無需額外的供電系統(tǒng)，這一點(diǎn)非常適用于危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)用。

MTL838B-MBF MODBUS 接收單元用于接收危險(xiǎn)區(qū)中MTL831B 傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MODBUS 信號(hào)由RS485 串口輸出。在MTL838B-MBF 上，通過PC 機(jī)對(duì)溫度檢測(cè)元件的類型、開爐報(bào)警等參數(shù)進(jìn)行組態(tài)。最多31 個(gè)MODBUS 接收單元可以集連在一個(gè)RS485 接口上，接收單元可以和各種MODBUS 上機(jī)位通訊，同時(shí)接收單元可以同其它MODBUS 從設(shè)備共同在一條RS485 上通訊。

圖5 測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Temperature measurement system structure

當(dāng)溫度變送單元安裝在危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，在數(shù)據(jù)通道上要加裝MTL3052 數(shù)字通訊隔離柵，否則不需要加裝安全柵。

3.2 表面測(cè)溫系統(tǒng)組成

該項(xiàng)目氣化爐與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間距離500m 左右，MODBUS通訊完全可以滿足。MTL831B 安裝在現(xiàn)場(chǎng)本安不銹鋼接線箱內(nèi)，MTL838B-MBF、MTL3052 安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間內(nèi)，DCS 系統(tǒng)采用FOXBORO IA 系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

該項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)就是雙方通訊的建立。首先，MTL800 需要組態(tài)，每個(gè)MTL838B-MBF 和兩個(gè)MTL831B連接，因此必須對(duì)這兩個(gè)MTL831B 的地址和信號(hào)輸入類型進(jìn)行定義，地址設(shè)置01 和02，類型選擇熱電偶；MTL838B-MBF 組態(tài)也需要定義地址和通訊狀態(tài)[3]。打開MTL838 的上蓋，在MTL838 上一共有4 個(gè)狀態(tài)開關(guān)。SW101 用于設(shè)置MTL838 的MODBUS 地址，地址從1 ～31，SW301 是設(shè)置通訊狀態(tài)的。

其次，是DCS 通訊卡FBM224 的組態(tài)設(shè)置。主要組態(tài)步驟有：①FBM224 端口文件組態(tài)；②從設(shè)備處理文件組態(tài)；③FBM224 端口設(shè)備控制模塊ECB200 組態(tài)；④從設(shè)備控制模塊ECB201 組態(tài)；⑤PAKIN 模塊組態(tài)。具體設(shè)置時(shí)可參考FOXBORO IA FBM224 組態(tài)設(shè)置手冊(cè)。

4 結(jié)束語

采用氣化表面熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)與常規(guī)表面測(cè)溫系統(tǒng)相比，節(jié)約了資金，減少了維護(hù)量和安裝工作；控制室和現(xiàn)場(chǎng)只需敷設(shè)兩根普通的冗余信號(hào)電纜，減少了大量的、繁瑣的電纜敷設(shè)和接線工作，同時(shí)降低了故障點(diǎn)，目前新建裝置基本采用這類設(shè)計(jì)方案。