表面熱偶在水煤漿氣化爐的應用

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，正常運行時爐內溫度在1300℃左右，有時會達到1500℃以上。爐內所襯爐磚在高溫時會熔蝕，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問題會導致所砌爐磚存在缺陷，部分爐磚甚至會掉落，或者爐磚之間存在縫隙。高溫高壓熱氣體通過爐磚縫或者質量不合格的爐磚直接作用到氣化爐金屬外殼，導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度降低，使用應力迅速下降，導致運行設備存在安全隱患。并且氣化爐爐內耐火磚減薄的程度可以通過氣化爐表面溫度反映出來，可以肯定的是如果耐火磚磨損程度嚴重會導致氣化爐表面溫度升高，可以通過氣化爐表面問題的變化情況來確定耐火磚是否需要更換。因此，氣化爐表面溫度檢測至關重要，所測氣化爐表面溫度需要設置高報警，有時甚至會參與聯鎖停車邏輯，以保證氣化爐的安全運行，科學、高效、準確地顯示爐壁溫度對保障氣化爐的穩定運行起著至關重要的作用。

圖1 CT2C熱點探測器示意圖Fig.1 Schematic diagram of CT2C hot spot detector

圖2 熱點探測器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the hot spot detector

1 系統的組成

表面熱電偶專供測量各種形狀的固體表面溫度，其作為一種便攜式測溫計，在紡織、印染、橡膠、塑料等工業領域內有廣泛的用途[1]。

氣化爐表面熱偶主要由CT2C 熱點探測器、補償導線、遠程I/O 采集系統組成。熱點探測器FTLD（Flexible Thermocouple Line Detector），又稱“連續”熱電偶或“尋熱”熱電偶，是美國近30 年來線型溫度傳感器技術發展取得的主要成果，完全不同于世界上現有的其它溫度傳感器。每臺氣化爐表面安裝36 支表面熱偶，覆蓋了整個氣化爐燃燒室外爐壁。氣化爐表面熱偶通過補償導線將信號傳輸給遠程I/O 采集系統，從而構成一個獨立的控制系統，完成氣化爐表面溫度的實時采集與數據傳輸。其采用性能可靠的FB 遠程I/O 采集系統采集熱點探測器的信號，通過RS485 總線方式將溫度數據實時傳輸至DCS。

1.1 CT2C熱點探測器

CT2C 是包含有外徑尺寸3.0mm 的外層護套和相互隔離的K 型熱電偶絲，護套內注滿了特殊的熱敏材料。每支CT2C 兩端都裝有用以連接補償導線的耐高溫陶瓷母接頭。CT2C 自身可產生毫伏信號而不需要外部電源。熱點探測器輸出的信號為標準K 型熱電偶信號。

1.2 K型耐高溫補償導線

耐高溫補償導線為K 型熱偶的補償導線，兩根補償導線線芯均被耐高溫聚四氟乙烯包裹，為雙絞線結構，外層包裹不銹鋼絲編織網，最外層用聚四氟乙烯作為護套。補償導線的主要作用是通過補償導線連接熱點探測器和FB 遠程I/O 采集系統。

1.3 FB遠程I/O采集系統

計算機與外部的信息交換稱為通信，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。在遠距離通信時，一般都采用串行通信方式。它具有需要的通信線少和傳送距離遠等優點。當微機與遠程終端或遠距離的中央處理機交換數據時，都采用串行通信方式[2]。

熱點探測器輸出的信號為標準K 型熱電偶信號，采用性能可靠的FB 遠程I/O 采集系統采集熱點探測器的信號，通過RS485 總線方式將溫度數據實時傳輸至DCS。FB 遠程I/O 采集系統主要由通訊模塊、配電模塊、數據采集模塊組成。

2 表面熱偶的特性

氣化爐表面熱點探測預警系統是基于CT2C 專利技術的對熱點溫度及環境溫度進行監測的連續熱電偶而構建的。氣化爐表面熱點探測預警系統主要是探測氣化爐表面的最高溫度以避免潛在的危險而設計，但它的功能卻不僅僅如此。使用氣化爐表面熱點探測預警系統，車間操作人員可以得到實時溫度信息并有效調節內部過程[3]。表面熱偶具有以下特性：

2.1 CT2C的獨特性

CT2C 內部的兩根“K”型熱電偶線由絕緣材料隔開而不直接接觸，絕緣材料的電阻特性使電纜擁有無限多的、潛在的可產生毫伏信號的熱電偶接點。CT2C 長度范圍內的最高溫度點就是熱電偶接點，也是產生毫伏信號的接點。

2.2 CT2C的經濟性

CT2C 自身可以產生毫伏信號，無須外接電源，可降低安裝與操作成本。CT2C 是與所有常用的測溫設備都可兼容的“K”型熱電偶，并且它是本安型設備，無需額外的認證。

2.3 CT2C的可靠性

CT2C 無需維護，無需校準及調整。其特殊的外表材料可提供準確信息，耐高溫，抗物理磨損，抗化學腐蝕，是最好的探測和測量氣化爐表面最高溫度的設備。

3 表面熱偶的工作原理

1821 年，由德國科學家Seebeck 發現，將兩種不同材質的導體A 和B 首尾焊接起來，構成一個閉合回路。當導體A 和B 的兩個焊接點之間存在溫差時，兩者之間便產生熱電勢。這種現象稱為熱電效應。熱電勢的大小只與導體兩端接點的溫度有關，熱電偶就是利用這一原理來工作的[4]。熱電偶是溫度測量中應用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業過程溫度測量的需要，并且結構簡單，動態響應好，輸出為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制[5]。

氣化爐表面溫度測量系統是將測溫元件敷設在氣化爐外殼表面上來工作的，測溫元件（CT2C）是能夠產生在其敷設的長度范圍內的最高溫度所產生相對應K 型熱偶產生的毫伏信號，產生的毫伏信號通過補償導線被傳送到遠程I/O 數據采集系統，監控測溫元件敷設的爐壁范圍內出現最高溫度點的位置。CT2C 測量原理優勢在于它的熱接點不固定，整個測量元件所處位置溫度最高點即為熱電偶的接點，而普通熱電偶的接點是固定的。

當熱點測量元件上任何一點（T1）的溫度高于測量元件其它部分的溫度時，該處的熱電偶導線之間的熱敏材料電阻（R）降低，該點則為測量元件的“臨時”熱接點，則該處的溫度即為測量元件所測溫度。

當測量元件上另外一點（T2）處的溫度高于（T1）點時，則（T2）處的熱電偶導線之間的熱敏材料的電阻會變得比（T1）處更低，從而使得測量元件出現新的“臨時”熱接點，此時（T2）處溫度即為測量元件所測溫度。

4 表面熱偶安裝及注意事項

由于表面熱偶一般都在十幾米到二十幾米的長度，因而安裝難度較大。

4.1 表面熱偶安裝步驟

1）陶瓷接頭處應留有半米余量，沿氣化爐上的標識慢慢展開CT2C。

2）當展開的測量元件（CT2C）的長度超過一根壓板的長度時，把粘好玻璃纖維的壓板壓在測量元件（CT2C）上。當測量元件（CT2C）完全壓入凹槽內之后，把它們一起移到加固夾具下面進行固定。

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

4）加固夾具帶活動腰形孔，安裝時對壓板的兩側交錯壓緊，使得壓板受力均衡，同時預焊螺母不在同一直線上時也可對位置進行適當地調整。

5）當測量元件（CT2C）按照圖紙敷設到氣化爐表面并且在剩余兩列夾具未固定時，先用手將連接補償導線的陶瓷接插件固定在不銹鋼接線盒內，然后把剩余的測量元件（CT2C）按圖紙排布好。如果CT2C 較長時，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盒內，并將位號牌掛至CT2C 兩端。

4.2 表面熱偶安裝注意事項

1）嚴禁在CT2C 旁進行電焊作業。

2）安裝過程中，嚴禁任意踩踏CT2C，尤其是兩端的陶瓷頭。

3）CT2C 頭部的陶瓷頭易碎，應防撞防跌，未接線前禁止拆除外部保護套。

4）在固定陶瓷接頭時嚴禁扭動陶瓷接頭，避免折斷其內兩根熱電偶線。

5）安裝并固定測量元件（CT2C）時一定不能使其繃緊和扭結，測量元件（CT2C）安裝時相互之間不能交叉。

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

7）壓板切割時，切口要打磨平滑。

壓板固定時盡量保持在一條直線上，防止偏斜。

5 系統維護

5.1 工作期間的特點

氣化爐表面測量元件（CT2C）是特別設計與生產的，與普通的測溫元件有很大的差別。測量元件（CT2C）若在安裝或運輸過程中受應力影響，需在正常工作溫度下（150℃以上）連續工作1 周后才能顯示正常。

若測溫系統長時間停用，測溫系統再次投運時，測量元件（CT2C）在150℃以上連續工作24h 才能顯示正常。

5.2 CT2C測溫特點

氣化爐表面熱點探測預警系統可作為一個趨向實時溫度的設備提供額外的數據。由于其構造方式特殊，測量元件（CT2C）可及時準確反映氣化爐表面溫度信息。

5.3 維護

CT2C 線路安裝好之后，不需要調整或調校。為保證系統的正常運行，每隔2 ～3 年需進行一次完整的線路測試。

5.4 常見問題處理

5.4.1 烘爐期間，溫度顯示異常

因CT2C 熱敏材料特性，第一次投運需在150℃以上連續運行約一周輸出才會正常。在此期間，需要用人工測量爐壁溫度。

5.4.2 投運初期，溫度顯示異常

因CT2C 熱敏材料特性，再次投運需在150℃以上連續運行約24h 輸出才會正常。氣化爐在開車過程中溫度顯示異常屬于正常現象，不要著急檢查測量回路。

5.4.3 表面熱偶信號輸出異常

請檢查表面熱偶兩端正負極間mV、阻值及對地阻值。如mV 偏高，是因為CT2C 熱敏材料進水或受潮引起，請將陶瓷接插件貼近爐壁（爐表面150℃以上），48h 后觀察信號輸出。

5.4.4 DCS顯示數值與表面熱偶輸出不一致

檢查采集系統與DCS 組態是否一致，如采集系統與DCS 組態無異常，則檢查系統接線是否有錯。

5.4.5 陶瓷接插件損壞

如CT2C 陶瓷接插件一端損壞，確認CT2C 兩端正正、負負、正負線路正常。可將損壞一端相連的補償導線陶瓷接插件拔開，并將采集系統箱體內相應補償導線斷開。在停運期間，及時更換備件。如CT2C 陶瓷接插件兩端損壞，請及時更換陶瓷接插件。

6 結束語

氣化爐表面熱偶測量原理與普通熱電偶測量原理一致，而表面熱偶與普通熱電偶最大的區別是它的熱接點是不固定的，它總是在熱電偶溫度最高的地方形成熱接點。普通熱電偶只能測量設備某個點的溫度，而一根表面熱電偶的長度為十幾米到二十幾米，這樣熱電偶安裝整個區域任何一點出現溫度升高的情況都能被有效地檢測出來，就形成了很廣的檢測范圍。通過氣化爐表面溫度采集系統可以有效反映氣化爐內耐火磚的薄厚以及耐火磚的安裝質量，它寬廣的檢測范圍有效地覆蓋了氣化爐整個燃燒室外壁以及拱頂，既保證了測量范圍的全覆蓋又節約了成本，這種檢測方式的優勢是其他任何一種熱偶所不具備的。