表面熱偶在水煤漿氣化爐的應(yīng)用

李建雄

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

氣化爐是以水煤漿為原料的壓力容器，正常運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)溫度在1300℃左右，有時(shí)會(huì)達(dá)到1500℃以上。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，并且受水煤漿以及高溫合成氣和灰渣的沖刷，耐火磚會(huì)逐漸減薄。有些情況下，由于砌磚工作人員的疏忽或者爐磚本身材質(zhì)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致所砌爐磚存在缺陷，部分爐磚甚至?xí)袈?，或者爐磚之間存在縫隙。高溫高壓熱氣體通過(guò)爐磚縫或者質(zhì)量不合格的爐磚直接作用到氣化爐金屬外殼，導(dǎo)致氣化爐爐壁表面溫度迅速升高，使受高溫高壓的氣化爐金屬外殼強(qiáng)度降低，使用應(yīng)力迅速下降，導(dǎo)致運(yùn)行設(shè)備存在安全隱患。并且氣化爐爐內(nèi)耐火磚減薄的程度可以通過(guò)氣化爐表面溫度反映出來(lái)，可以肯定的是如果耐火磚磨損程度嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致氣化爐表面溫度升高，可以通過(guò)氣化爐表面問(wèn)題的變化情況來(lái)確定耐火磚是否需要更換。因此，氣化爐表面溫度檢測(cè)至關(guān)重要，所測(cè)氣化爐表面溫度需要設(shè)置高報(bào)警，有時(shí)甚至?xí)⑴c聯(lián)鎖停車(chē)邏輯，以保證氣化爐的安全運(yùn)行，科學(xué)、高效、準(zhǔn)確地顯示爐壁溫度對(duì)保障氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

圖1 CT2C熱點(diǎn)探測(cè)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of CT2C hot spot detector

圖2 熱點(diǎn)探測(cè)器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the hot spot detector

1 系統(tǒng)的組成

表面熱電偶專(zhuān)供測(cè)量各種形狀的固體表面溫度，其作為一種便攜式測(cè)溫計(jì)，在紡織、印染、橡膠、塑料等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的用途[1]。

氣化爐表面熱偶主要由CT2C 熱點(diǎn)探測(cè)器、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)、遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)組成。熱點(diǎn)探測(cè)器FTLD（Flexible Thermocouple Line Detector），又稱(chēng)“連續(xù)”熱電偶或“尋熱”熱電偶，是美國(guó)近30 年來(lái)線(xiàn)型溫度傳感器技術(shù)發(fā)展取得的主要成果，完全不同于世界上現(xiàn)有的其它溫度傳感器。每臺(tái)氣化爐表面安裝36 支表面熱偶，覆蓋了整個(gè)氣化爐燃燒室外爐壁。氣化爐表面熱偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，完成氣化爐表面溫度的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)傳輸。其采用性能可靠的FB 遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)采集熱點(diǎn)探測(cè)器的信號(hào)，通過(guò)RS485 總線(xiàn)方式將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至DCS。

1.1 CT2C熱點(diǎn)探測(cè)器

CT2C 是包含有外徑尺寸3.0mm 的外層護(hù)套和相互隔離的K 型熱電偶絲，護(hù)套內(nèi)注滿(mǎn)了特殊的熱敏材料。每支CT2C 兩端都裝有用以連接補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的耐高溫陶瓷母接頭。CT2C 自身可產(chǎn)生毫伏信號(hào)而不需要外部電源。熱點(diǎn)探測(cè)器輸出的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)K 型熱電偶信號(hào)。

1.2 K型耐高溫補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)

耐高溫補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)為K 型熱偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，兩根補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)芯均被耐高溫聚四氟乙烯包裹，為雙絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)，外層包裹不銹鋼絲編織網(wǎng)，最外層用聚四氟乙烯作為護(hù)套。補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的主要作用是通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)連接熱點(diǎn)探測(cè)器和FB 遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)。

1.3 FB遠(yuǎn)程I/O采集系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)與外部的信息交換稱(chēng)為通信，基本的通信方式有兩種：一種是并行通信，另一種是串行通信。在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，一般都采用串行通信方式。它具有需要的通信線(xiàn)少和傳送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)微機(jī)與遠(yuǎn)程終端或遠(yuǎn)距離的中央處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)，都采用串行通信方式[2]。

熱點(diǎn)探測(cè)器輸出的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)K 型熱電偶信號(hào)，采用性能可靠的FB 遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)采集熱點(diǎn)探測(cè)器的信號(hào)，通過(guò)RS485 總線(xiàn)方式將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至DCS。FB 遠(yuǎn)程I/O 采集系統(tǒng)主要由通訊模塊、配電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。

2 表面熱偶的特性

氣化爐表面熱點(diǎn)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是基于CT2C 專(zhuān)利技術(shù)的對(duì)熱點(diǎn)溫度及環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的連續(xù)熱電偶而構(gòu)建的。氣化爐表面熱點(diǎn)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要是探測(cè)氣化爐表面的最高溫度以避免潛在的危險(xiǎn)而設(shè)計(jì)，但它的功能卻不僅僅如此。使用氣化爐表面熱點(diǎn)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，車(chē)間操作人員可以得到實(shí)時(shí)溫度信息并有效調(diào)節(jié)內(nèi)部過(guò)程[3]。表面熱偶具有以下特性：

2.1 CT2C的獨(dú)特性

CT2C 內(nèi)部的兩根“K”型熱電偶線(xiàn)由絕緣材料隔開(kāi)而不直接接觸，絕緣材料的電阻特性使電纜擁有無(wú)限多的、潛在的可產(chǎn)生毫伏信號(hào)的熱電偶接點(diǎn)。CT2C 長(zhǎng)度范圍內(nèi)的最高溫度點(diǎn)就是熱電偶接點(diǎn)，也是產(chǎn)生毫伏信號(hào)的接點(diǎn)。

2.2 CT2C的經(jīng)濟(jì)性

CT2C 自身可以產(chǎn)生毫伏信號(hào)，無(wú)須外接電源，可降低安裝與操作成本。CT2C 是與所有常用的測(cè)溫設(shè)備都可兼容的“K”型熱電偶，并且它是本安型設(shè)備，無(wú)需額外的認(rèn)證。

2.3 CT2C的可靠性

CT2C 無(wú)需維護(hù)，無(wú)需校準(zhǔn)及調(diào)整。其特殊的外表材料可提供準(zhǔn)確信息，耐高溫，抗物理磨損，抗化學(xué)腐蝕，是最好的探測(cè)和測(cè)量氣化爐表面最高溫度的設(shè)備。

3 表面熱偶的工作原理

1821 年，由德國(guó)科學(xué)家Seebeck 發(fā)現(xiàn)，將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A 和B 首尾焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A 和B 的兩個(gè)焊接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生熱電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)的大小只與導(dǎo)體兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)，熱電偶就是利用這一原理來(lái)工作的[4]。熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最普遍的測(cè)溫器件，它的特點(diǎn)是測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測(cè)量精度，能夠滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程溫度測(cè)量的需要，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出為電信號(hào)，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)控制[5]。

氣化爐表面溫度測(cè)量系統(tǒng)是將測(cè)溫元件敷設(shè)在氣化爐外殼表面上來(lái)工作的，測(cè)溫元件（CT2C）是能夠產(chǎn)生在其敷設(shè)的長(zhǎng)度范圍內(nèi)的最高溫度所產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)K 型熱偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)，產(chǎn)生的毫伏信號(hào)通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)被傳送到遠(yuǎn)程I/O 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)控測(cè)溫元件敷設(shè)的爐壁范圍內(nèi)出現(xiàn)最高溫度點(diǎn)的位置。CT2C 測(cè)量原理優(yōu)勢(shì)在于它的熱接點(diǎn)不固定，整個(gè)測(cè)量元件所處位置溫度最高點(diǎn)即為熱電偶的接點(diǎn)，而普通熱電偶的接點(diǎn)是固定的。

當(dāng)熱點(diǎn)測(cè)量元件上任何一點(diǎn)（T1）的溫度高于測(cè)量元件其它部分的溫度時(shí)，該處的熱電偶導(dǎo)線(xiàn)之間的熱敏材料電阻（R）降低，該點(diǎn)則為測(cè)量元件的“臨時(shí)”熱接點(diǎn)，則該處的溫度即為測(cè)量元件所測(cè)溫度。

當(dāng)測(cè)量元件上另外一點(diǎn)（T2）處的溫度高于（T1）點(diǎn)時(shí)，則（T2）處的熱電偶導(dǎo)線(xiàn)之間的熱敏材料的電阻會(huì)變得比（T1）處更低，從而使得測(cè)量元件出現(xiàn)新的“臨時(shí)”熱接點(diǎn)，此時(shí)（T2）處溫度即為測(cè)量元件所測(cè)溫度。

4 表面熱偶安裝及注意事項(xiàng)

由于表面熱偶一般都在十幾米到二十幾米的長(zhǎng)度，因而安裝難度較大。

4.1 表面熱偶安裝步驟

1）陶瓷接頭處應(yīng)留有半米余量，沿氣化爐上的標(biāo)識(shí)慢慢展開(kāi)CT2C。

2）當(dāng)展開(kāi)的測(cè)量元件（CT2C）的長(zhǎng)度超過(guò)一根壓板的長(zhǎng)度時(shí)，把粘好玻璃纖維的壓板壓在測(cè)量元件（CT2C）上。當(dāng)測(cè)量元件（CT2C）完全壓入凹槽內(nèi)之后，把它們一起移到加固夾具下面進(jìn)行固定。

3）調(diào)整加固夾具的位置使其能夠固定住測(cè)量元件（CT2C），并且還不傷害測(cè)量元件（CT2C），然后擰緊固定螺母，將測(cè)量元件（CT2C）固定在氣化爐表面。

4）加固夾具帶活動(dòng)腰形孔，安裝時(shí)對(duì)壓板的兩側(cè)交錯(cuò)壓緊，使得壓板受力均衡，同時(shí)預(yù)焊螺母不在同一直線(xiàn)上時(shí)也可對(duì)位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

5）當(dāng)測(cè)量元件（CT2C）按照?qǐng)D紙敷設(shè)到氣化爐表面并且在剩余兩列夾具未固定時(shí)，先用手將連接補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的陶瓷接插件固定在不銹鋼接線(xiàn)盒內(nèi)，然后把剩余的測(cè)量元件（CT2C）按圖紙排布好。如果CT2C 較長(zhǎng)時(shí)，則將CT2C 布成最終的形狀并將其固定。兩端的陶瓷接插件都固定于爐壁上的不銹鋼接線(xiàn)盒內(nèi)，并將位號(hào)牌掛至CT2C 兩端。

4.2 表面熱偶安裝注意事項(xiàng)

1）嚴(yán)禁在CT2C 旁進(jìn)行電焊作業(yè)。

2）安裝過(guò)程中，嚴(yán)禁任意踩踏CT2C，尤其是兩端的陶瓷頭。

3）CT2C 頭部的陶瓷頭易碎，應(yīng)防撞防跌，未接線(xiàn)前禁止拆除外部保護(hù)套。

4）在固定陶瓷接頭時(shí)嚴(yán)禁扭動(dòng)陶瓷接頭，避免折斷其內(nèi)兩根熱電偶線(xiàn)。

5）安裝并固定測(cè)量元件（CT2C）時(shí)一定不能使其繃緊和扭結(jié)，測(cè)量元件（CT2C）安裝時(shí)相互之間不能交叉。

6）安裝時(shí)確保每支測(cè)量元件（CT2C）都完全被壓在壓板的凹槽內(nèi)，嚴(yán)禁將加固夾具直接壓定在CT2C 上。

7）壓板切割時(shí)，切口要打磨平滑。

壓板固定時(shí)盡量保持在一條直線(xiàn)上，防止偏斜。

5 系統(tǒng)維護(hù)

5.1 工作期間的特點(diǎn)

氣化爐表面測(cè)量元件（CT2C）是特別設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的，與普通的測(cè)溫元件有很大的差別。測(cè)量元件（CT2C）若在安裝或運(yùn)輸過(guò)程中受應(yīng)力影響，需在正常工作溫度下（150℃以上）連續(xù)工作1 周后才能顯示正常。

若測(cè)溫系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停用，測(cè)溫系統(tǒng)再次投運(yùn)時(shí)，測(cè)量元件（CT2C）在150℃以上連續(xù)工作24h 才能顯示正常。

5.2 CT2C測(cè)溫特點(diǎn)

氣化爐表面熱點(diǎn)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可作為一個(gè)趨向?qū)崟r(shí)溫度的設(shè)備提供額外的數(shù)據(jù)。由于其構(gòu)造方式特殊，測(cè)量元件（CT2C）可及時(shí)準(zhǔn)確反映氣化爐表面溫度信息。

5.3 維護(hù)

CT2C 線(xiàn)路安裝好之后，不需要調(diào)整或調(diào)校。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，每隔2 ～3 年需進(jìn)行一次完整的線(xiàn)路測(cè)試。

5.4 常見(jiàn)問(wèn)題處理

5.4.1 烘爐期間，溫度顯示異常

因CT2C 熱敏材料特性，第一次投運(yùn)需在150℃以上連續(xù)運(yùn)行約一周輸出才會(huì)正常。在此期間，需要用人工測(cè)量爐壁溫度。

5.4.2 投運(yùn)初期，溫度顯示異常

因CT2C 熱敏材料特性，再次投運(yùn)需在150℃以上連續(xù)運(yùn)行約24h 輸出才會(huì)正常。氣化爐在開(kāi)車(chē)過(guò)程中溫度顯示異常屬于正常現(xiàn)象，不要著急檢查測(cè)量回路。

5.4.3 表面熱偶信號(hào)輸出異常

請(qǐng)檢查表面熱偶兩端正負(fù)極間mV、阻值及對(duì)地阻值。如mV 偏高，是因?yàn)镃T2C 熱敏材料進(jìn)水或受潮引起，請(qǐng)將陶瓷接插件貼近爐壁（爐表面150℃以上），48h 后觀察信號(hào)輸出。

5.4.4 DCS顯示數(shù)值與表面熱偶輸出不一致

檢查采集系統(tǒng)與DCS 組態(tài)是否一致，如采集系統(tǒng)與DCS 組態(tài)無(wú)異常，則檢查系統(tǒng)接線(xiàn)是否有錯(cuò)。

5.4.5 陶瓷接插件損壞

如CT2C 陶瓷接插件一端損壞，確認(rèn)CT2C 兩端正正、負(fù)負(fù)、正負(fù)線(xiàn)路正常?？蓪p壞一端相連的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)陶瓷接插件拔開(kāi)，并將采集系統(tǒng)箱體內(nèi)相應(yīng)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)斷開(kāi)。在停運(yùn)期間，及時(shí)更換備件。如CT2C 陶瓷接插件兩端損壞，請(qǐng)及時(shí)更換陶瓷接插件。

6 結(jié)束語(yǔ)

氣化爐表面熱偶測(cè)量原理與普通熱電偶測(cè)量原理一致，而表面熱偶與普通熱電偶最大的區(qū)別是它的熱接點(diǎn)是不固定的，它總是在熱電偶溫度最高的地方形成熱接點(diǎn)。普通熱電偶只能測(cè)量設(shè)備某個(gè)點(diǎn)的溫度，而一根表面熱電偶的長(zhǎng)度為十幾米到二十幾米，這樣熱電偶安裝整個(gè)區(qū)域任何一點(diǎn)出現(xiàn)溫度升高的情況都能被有效地檢測(cè)出來(lái)，就形成了很廣的檢測(cè)范圍。通過(guò)氣化爐表面溫度采集系統(tǒng)可以有效反映氣化爐內(nèi)耐火磚的薄厚以及耐火磚的安裝質(zhì)量，它寬廣的檢測(cè)范圍有效地覆蓋了氣化爐整個(gè)燃燒室外壁以及拱頂，既保證了測(cè)量范圍的全覆蓋又節(jié)約了成本，這種檢測(cè)方式的優(yōu)勢(shì)是其他任何一種熱偶所不具備的。