表面热偶在水煤浆气化炉的应用

李建雄

（中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

气化炉是以水煤浆为原料的压力容器，正常运行时炉内温度在1300℃左右，有时会达到1500℃以上。炉内所衬炉砖在高温时会熔蚀，并且受水煤浆以及高温合成气和灰渣的冲刷，耐火砖会逐渐减薄。有些情况下，由于砌砖工作人员的疏忽或者炉砖本身材质问题会导致所砌炉砖存在缺陷，部分炉砖甚至会掉落，或者炉砖之间存在缝隙。高温高压热气体通过炉砖缝或者质量不合格的炉砖直接作用到气化炉金属外壳，导致气化炉炉壁表面温度迅速升高，使受高温高压的气化炉金属外壳强度降低，使用应力迅速下降，导致运行设备存在安全隐患。并且气化炉炉内耐火砖减薄的程度可以通过气化炉表面温度反映出来，可以肯定的是如果耐火砖磨损程度严重会导致气化炉表面温度升高，可以通过气化炉表面问题的变化情况来确定耐火砖是否需要更换。因此，气化炉表面温度检测至关重要，所测气化炉表面温度需要设置高报警，有时甚至会参与联锁停车逻辑，以保证气化炉的安全运行，科学、高效、准确地显示炉壁温度对保障气化炉的稳定运行起着至关重要的作用。

图1 CT2C热点探测器示意图Fig.1 Schematic diagram of CT2C hot spot detector

图2 热点探测器工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the hot spot detector

1 系统的组成

表面热电偶专供测量各种形状的固体表面温度，其作为一种便携式测温计，在纺织、印染、橡胶、塑料等工业领域内有广泛的用途[1]。

气化炉表面热偶主要由CT2C 热点探测器、补偿导线、远程I/O 采集系统组成。热点探测器FTLD（Flexible Thermocouple Line Detector），又称“连续”热电偶或“寻热”热电偶，是美国近30 年来线型温度传感器技术发展取得的主要成果，完全不同于世界上现有的其它温度传感器。每台气化炉表面安装36 支表面热偶，覆盖了整个气化炉燃烧室外炉壁。气化炉表面热偶通过补偿导线将信号传输给远程I/O 采集系统，从而构成一个独立的控制系统，完成气化炉表面温度的实时采集与数据传输。其采用性能可靠的FB 远程I/O 采集系统采集热点探测器的信号，通过RS485 总线方式将温度数据实时传输至DCS。

1.1 CT2C热点探测器

CT2C 是包含有外径尺寸3.0mm 的外层护套和相互隔离的K 型热电偶丝，护套内注满了特殊的热敏材料。每支CT2C 两端都装有用以连接补偿导线的耐高温陶瓷母接头。CT2C 自身可产生毫伏信号而不需要外部电源。热点探测器输出的信号为标准K 型热电偶信号。

1.2 K型耐高温补偿导线

耐高温补偿导线为K 型热偶的补偿导线，两根补偿导线线芯均被耐高温聚四氟乙烯包裹，为双绞线结构，外层包裹不锈钢丝编织网，最外层用聚四氟乙烯作为护套。补偿导线的主要作用是通过补偿导线连接热点探测器和FB 远程I/O 采集系统。

1.3 FB远程I/O采集系统

计算机与外部的信息交换称为通信，基本的通信方式有两种：一种是并行通信，另一种是串行通信。在远距离通信时，一般都采用串行通信方式。它具有需要的通信线少和传送距离远等优点。当微机与远程终端或远距离的中央处理机交换数据时，都采用串行通信方式[2]。

热点探测器输出的信号为标准K 型热电偶信号，采用性能可靠的FB 远程I/O 采集系统采集热点探测器的信号，通过RS485 总线方式将温度数据实时传输至DCS。FB 远程I/O 采集系统主要由通讯模块、配电模块、数据采集模块组成。

2 表面热偶的特性

气化炉表面热点探测预警系统是基于CT2C 专利技术的对热点温度及环境温度进行监测的连续热电偶而构建的。气化炉表面热点探测预警系统主要是探测气化炉表面的最高温度以避免潜在的危险而设计，但它的功能却不仅仅如此。使用气化炉表面热点探测预警系统，车间操作人员可以得到实时温度信息并有效调节内部过程[3]。表面热偶具有以下特性：

2.1 CT2C的独特性

CT2C 内部的两根“K”型热电偶线由绝缘材料隔开而不直接接触，绝缘材料的电阻特性使电缆拥有无限多的、潜在的可产生毫伏信号的热电偶接点。CT2C 长度范围内的最高温度点就是热电偶接点，也是产生毫伏信号的接点。

2.2 CT2C的经济性

CT2C 自身可以产生毫伏信号，无须外接电源，可降低安装与操作成本。CT2C 是与所有常用的测温设备都可兼容的“K”型热电偶，并且它是本安型设备，无需额外的认证。

2.3 CT2C的可靠性

CT2C 无需维护，无需校准及调整。其特殊的外表材料可提供准确信息，耐高温，抗物理磨损，抗化学腐蚀，是最好的探测和测量气化炉表面最高温度的设备。

3 表面热偶的工作原理

1821 年，由德国科学家Seebeck 发现，将两种不同材质的导体A 和B 首尾焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A 和B 的两个焊接点之间存在温差时，两者之间便产生热电势。这种现象称为热电效应。热电势的大小只与导体两端接点的温度有关，热电偶就是利用这一原理来工作的[4]。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要，并且结构简单，动态响应好，输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制[5]。

气化炉表面温度测量系统是将测温元件敷设在气化炉外壳表面上来工作的，测温元件（CT2C）是能够产生在其敷设的长度范围内的最高温度所产生相对应K 型热偶产生的毫伏信号，产生的毫伏信号通过补偿导线被传送到远程I/O 数据采集系统，监控测温元件敷设的炉壁范围内出现最高温度点的位置。CT2C 测量原理优势在于它的热接点不固定，整个测量元件所处位置温度最高点即为热电偶的接点，而普通热电偶的接点是固定的。

当热点测量元件上任何一点（T1）的温度高于测量元件其它部分的温度时，该处的热电偶导线之间的热敏材料电阻（R）降低，该点则为测量元件的“临时”热接点，则该处的温度即为测量元件所测温度。

当测量元件上另外一点（T2）处的温度高于（T1）点时，则（T2）处的热电偶导线之间的热敏材料的电阻会变得比（T1）处更低，从而使得测量元件出现新的“临时”热接点，此时（T2）处温度即为测量元件所测温度。

4 表面热偶安装及注意事项

由于表面热偶一般都在十几米到二十几米的长度，因而安装难度较大。

4.1 表面热偶安装步骤

1）陶瓷接头处应留有半米余量，沿气化炉上的标识慢慢展开CT2C。

2）当展开的测量元件（CT2C）的长度超过一根压板的长度时，把粘好玻璃纤维的压板压在测量元件（CT2C）上。当测量元件（CT2C）完全压入凹槽内之后，把它们一起移到加固夹具下面进行固定。

3）调整加固夹具的位置使其能够固定住测量元件（CT2C），并且还不伤害测量元件（CT2C），然后拧紧固定螺母，将测量元件（CT2C）固定在气化炉表面。

4）加固夹具带活动腰形孔，安装时对压板的两侧交错压紧，使得压板受力均衡，同时预焊螺母不在同一直线上时也可对位置进行适当地调整。

5）当测量元件（CT2C）按照图纸敷设到气化炉表面并且在剩余两列夹具未固定时，先用手将连接补偿导线的陶瓷接插件固定在不锈钢接线盒内，然后把剩余的测量元件（CT2C）按图纸排布好。如果CT2C 较长时，则将CT2C 布成最终的形状并将其固定。两端的陶瓷接插件都固定于炉壁上的不锈钢接线盒内，并将位号牌挂至CT2C 两端。

4.2 表面热偶安装注意事项

1）严禁在CT2C 旁进行电焊作业。

2）安装过程中，严禁任意踩踏CT2C，尤其是两端的陶瓷头。

3）CT2C 头部的陶瓷头易碎，应防撞防跌，未接线前禁止拆除外部保护套。

4）在固定陶瓷接头时严禁扭动陶瓷接头，避免折断其内两根热电偶线。

5）安装并固定测量元件（CT2C）时一定不能使其绷紧和扭结，测量元件（CT2C）安装时相互之间不能交叉。

6）安装时确保每支测量元件（CT2C）都完全被压在压板的凹槽内，严禁将加固夹具直接压定在CT2C 上。

7）压板切割时，切口要打磨平滑。

压板固定时尽量保持在一条直线上，防止偏斜。

5 系统维护

5.1 工作期间的特点

气化炉表面测量元件（CT2C）是特别设计与生产的，与普通的测温元件有很大的差别。测量元件（CT2C）若在安装或运输过程中受应力影响，需在正常工作温度下（150℃以上）连续工作1 周后才能显示正常。

若测温系统长时间停用，测温系统再次投运时，测量元件（CT2C）在150℃以上连续工作24h 才能显示正常。

5.2 CT2C测温特点

气化炉表面热点探测预警系统可作为一个趋向实时温度的设备提供额外的数据。由于其构造方式特殊，测量元件（CT2C）可及时准确反映气化炉表面温度信息。

5.3 维护

CT2C 线路安装好之后，不需要调整或调校。为保证系统的正常运行，每隔2 ～3 年需进行一次完整的线路测试。

5.4 常见问题处理

5.4.1 烘炉期间，温度显示异常

因CT2C 热敏材料特性，第一次投运需在150℃以上连续运行约一周输出才会正常。在此期间，需要用人工测量炉壁温度。

5.4.2 投运初期，温度显示异常

因CT2C 热敏材料特性，再次投运需在150℃以上连续运行约24h 输出才会正常。气化炉在开车过程中温度显示异常属于正常现象，不要着急检查测量回路。

5.4.3 表面热偶信号输出异常

请检查表面热偶两端正负极间mV、阻值及对地阻值。如mV 偏高，是因为CT2C 热敏材料进水或受潮引起，请将陶瓷接插件贴近炉壁（炉表面150℃以上），48h 后观察信号输出。

5.4.4 DCS显示数值与表面热偶输出不一致

检查采集系统与DCS 组态是否一致，如采集系统与DCS 组态无异常，则检查系统接线是否有错。

5.4.5 陶瓷接插件损坏

如CT2C 陶瓷接插件一端损坏，确认CT2C 两端正正、负负、正负线路正常。可将损坏一端相连的补偿导线陶瓷接插件拔开，并将采集系统箱体内相应补偿导线断开。在停运期间，及时更换备件。如CT2C 陶瓷接插件两端损坏，请及时更换陶瓷接插件。

6 结束语

气化炉表面热偶测量原理与普通热电偶测量原理一致，而表面热偶与普通热电偶最大的区别是它的热接点是不固定的，它总是在热电偶温度最高的地方形成热接点。普通热电偶只能测量设备某个点的温度，而一根表面热电偶的长度为十几米到二十几米，这样热电偶安装整个区域任何一点出现温度升高的情况都能被有效地检测出来，就形成了很广的检测范围。通过气化炉表面温度采集系统可以有效反映气化炉内耐火砖的薄厚以及耐火砖的安装质量，它宽广的检测范围有效地覆盖了气化炉整个燃烧室外壁以及拱顶，既保证了测量范围的全覆盖又节约了成本，这种检测方式的优势是其他任何一种热偶所不具备的。