XDB-WRKK-A新型表面測溫熱電偶在氣化爐的應用

劉洪波

（大慶石化公司 化工二廠，大慶163714）

氣化爐是合成氣裝置的關鍵設備，爐內氣化反應劇烈，溫度可高達1350℃，壓力4.0 MPa，若爐膛內部襯磚發生脫落，則有極大的安全隱患。因此需對整個氣化爐外壁進行溫度監測，爐膛內局部襯磚一旦脫落，對應爐壁部分的溫度就會升高，系統會給出指示并報警，及時提醒操作人員采取相應的措施，從而可以有效地避免事故的發生。

1 原測溫系統問題

原表面測溫系統是WALTER KIDDE公司的產品，由負阻值特性熱電阻通過溫度變送器接入DCS組成表面測溫系統。其一次元件是具有負阻值特性的熱敏電阻，通過其阻值的改變來檢測溫度變化。隨著溫度的升高，熱敏電阻的阻值劇烈下降，再通過溫度變送器轉換為4～20 mA信號送至DCS指示并報警。它分別顯示氣化爐表面8個區域的最高溫度，該系統自1986年合成氣裝置開工投用至2015年，運行時間29年。經過多年的運行，系統的使用性能逐漸下降，調校困難，投用時造成的指示誤差較大。如表1所示，2013年檢修投用后偏差達100℃，已無法為工藝提供準確的測量數據，給氣化爐的安全運行帶來極大的隱患。此外，所用的傳統表面熱電偶測溫，無法全面測量燃燒室表面溫度，存在監測盲區，監測氣化爐表面過熱情況可靠性差。

表1 原測溫系統相關數據Tab.1 Original temperature monitoring system related data

2 改造方案確定

溫度檢測根據測量時傳感器是否與設備接觸，有接觸式測溫和非接觸式測溫之分[1]。就氣化爐爐壁的表面測溫系統而言，接觸式測溫主要有傳統的表面熱電偶和氣化爐表面電纜測溫2種；非接觸式測溫有輻射溫度計、光學高溫計、光電高溫計、比色高溫計和紅外線測溫儀[2]。

根據目前測溫系統運行的狀況及存在的問題，改造方案在表面電纜測溫和紅外線熱像儀2個方案中選擇。紅外線熱像儀，利用紅外輻射測量儀器測量氣化爐爐壁向周圍空間發出的紅外輻射能力，根據所測量能量的高低來確定氣化爐外殼的表面溫度。熱像儀檢測角度要求嚴格，與測量爐壁之間不能有遮擋等諸多限制，加之東北地區冬季極端氣溫較低，這些因素都將導致其測量數據不穩定[3]。測溫電纜與普通熱電偶的不同之處在于熱接點不固定，始終與電纜上的最高溫度相對應，能夠及時對氣化爐爐壁超溫進行報警，系統結構比較簡單，且已經實現國產化，成本較低[4]。

綜合上述諸多因素，本次改造選用XDB-WRKKA型表面測溫熱電偶。該熱電偶具有以下特點：①熱電偶分度號為K型，自身產生毫伏級信號，無須外接電源；②熱電偶外表材料為Inconel 600鎳基合金，具有耐高溫、抗物理磨損和化學腐蝕的特性；③XDB-WRKK-A新型表面測溫熱電偶是特別設計與生產的，日常使用中在150～425℃溫度下擁有最大使用壽命；④相比原測溫系統，新系統的設備組成簡單，僅有一次元件和隔離安全柵，與原溫度變送器相比均為可靠使用周期長的設備。

3 新測溫系統

3.1 工作原理

XDB-WRKK-A新型表面測溫熱電偶被稱為表面測溫電纜，又稱“連續”熱電偶或“尋熱”熱電偶，它利用熱電效應原理，連續產生與其長度所及范圍內之最高溫度相對應的毫伏級信號。與普通熱電偶不同，表面測溫熱電偶的熱接點不固定，但始終與線纜上的最高溫度點相對應[5]。其測溫原理如圖1所示。

圖1 XDB-WRKK-A新型測溫熱電偶原理Fig.1 Principle of XDB-WRKK-A new temperature measuring thermocouple

當XDB-WRKK-A線纜上任何一點T1的溫度高于其他部分時，該處熱電偶導線之間的絕緣電阻R降低，導致出現“臨時”熱電偶接頭，其作用與常規單接點熱電偶接頭相同。當線纜上另外一點T2的溫度高于T1點時，該處熱電偶導線之間的絕緣電阻會變得低于T1點的電阻，導致出現新的“臨時”熱電偶接頭。表面熱電偶產生毫伏級信號，接入DCS進行指示并報警。

3.2 系統組成

2015年7月公司對測溫系統進行了更新。更新后的氣化爐表面測溫系統，由8個XDB-WRKK-A表面測溫熱電偶和8個MTL5081隔離安全柵組成。其中，XDB-WRKK-A的分度號為K型，通過MTL5081隔離安全柵接入DCS組成新的測溫系統，分別顯示氣化爐表面8個區域的最高溫度，溫度測量范圍為150～350℃。8個熱電偶中，長度24 m的3條，長度30 m的5條。TI-4114-1回路的連接如圖2所示。

圖2 TI-4114-1回路Fig.2 TI-4114-1 loop

圖2中，S為熱電偶的起始端即START端；E為熱電偶的末端即END端；補償導線型號為KX HFP 2×0.8，高溫型耐溫260℃。S端和E端與高溫型補償導線通過圖3所示的高溫陶瓷插件相連接。高溫陶瓷插件具有高溫絕緣性，既能夠保護電纜，又能夠確保信號的傳輸，對比原系統采用的金屬連接插件，解決了其絕緣性不佳的問題。

圖3 高溫陶瓷插件Fig.3 High temperature ceramic insert

S端和E端的補償導線在接線箱內用壓線端子并聯后，再通過普通型補償導線連接至控制室的安全柵柜。普通型補償導線型號為KCBR-GS-2×1.5。因XDB-WRKK-A表面測溫熱電偶的電阻約為1 MΩ，而HONEYWELL公司DCS系統TPS的FTA卡輸入電阻不能大于1000 Ω。為此，通過MTL5081隔離安全柵將電阻降至60 Ω后，再接入DCS，構成一測溫回路。氣化爐表面測溫系統的8個溫度回路均按圖2所示接線。

3.3 應用效果

新系統投用后，經過一段時間的穩定運行，該系統運行指示準確，運行穩定可靠，能夠確保氣化爐安全運行。監測數據如表2所示。

表2 新測溫系統溫度監測數據Tab.2 New temperature measurement system monitoring data

4 結語

系統改造后運行至今已超過一年。經過一年多的運行，新型表面測溫系統運行穩定，指示精確，能夠為工藝提供準確的測量數據，保證了氣化爐的安全運行，進而保證合成氣裝置安全平穩生產；運行結果表明，該系統故障率低，與原系統相比，每年可節省材料費及維修費約10萬元，員工的勞動強度隨也之大幅度降低；系統的結構比較簡單，已經實現國產化，改造成本較低。系統改造升級的成功經驗，對于同類裝置具有借鑒意義。

[1]王迪，姜偉，朱紅波，等.故障診斷技術在離心泵中的應用分析[J].化工機械，2014，41（2）：262-264.

[2]王錦，門長貴.煤氣化爐爐壁非接觸式測溫技術[J].化工自動化及儀表，2014，41（4）：349-351.

[3]胡軍印，呂春成，王金亮.熱像儀替代熱電偶測量氣化爐壁溫的探討[J].大氮肥，2012，35（1）：45-48.

[4]鄧麗君.氣化爐爐壁溫度檢測方法分析[J].石油化工自動化，2013，49（3）：55-57.

[5]張波，陳明平，魚小麗.MTL800在氣化爐表面測溫系統中的應用[J].中國儀器儀表，2010，30（5）：46-48.