徐海寶(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

隨著煤制氫技術(shù)的日漸成熟，各種需求的氣化爐在國(guó)內(nèi)相繼建立，國(guó)內(nèi)首套E-GAS氣化爐也由于其先進(jìn)的環(huán)保理念被引入惠州石化。結(jié)合其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，本文將從E-GAS氣化爐使用的各種測(cè)溫系統(tǒng)介紹氣化爐的各點(diǎn)測(cè)溫情況。

1 E-GAS氣化爐不同段使用的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)

E-GAS氣化爐屬于多段式結(jié)構(gòu)，其組成包含氣化爐急冷室、氣化爐一段、二段、停留段、激冷段、余熱鍋爐。氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 可伸縮熱電偶的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

氣化爐是帶有內(nèi)襯的高溫氣流床反應(yīng)器，一段氣化爐的兩端對(duì)稱設(shè)置燃料氣燒嘴和煤漿混合燒嘴。氣化爐在一段共計(jì)有三支可伸縮熱電偶：分別位于兩水平段頂部和上升段。熱電偶在正常測(cè)溫時(shí)頂端伸入爐內(nèi)一定長(zhǎng)度，氣化爐溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)熱電偶頂端縮回到氣化爐磚內(nèi)。為適應(yīng)氣化爐高溫環(huán)境熱電偶套管采用外加循環(huán)冷卻夾套，并利用電磁閥控制儀表空氣作為收縮動(dòng)力。可伸縮熱電偶采用K型鎢-錸材質(zhì)，套管材質(zhì)采用鉬錸，每支熱電偶內(nèi)含單支偶絲。氣化爐一段熱電偶所處現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度較高，不利于溫度變送器安裝環(huán)境，采用加長(zhǎng)補(bǔ)償電纜方式到室內(nèi)采用導(dǎo)軌式溫度變送器。目前可伸縮熱電偶在使用過(guò)程中，三支熱電偶對(duì)比差距很小，為氣化爐在烘爐階段提供可靠依據(jù)。烘爐期間氣化爐內(nèi)環(huán)境相對(duì)干凈，熱電偶磨損和腐蝕情況較小，使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。但是在特殊復(fù)雜工況下引起的局部過(guò)熱也會(huì)導(dǎo)致熱電偶套管腐蝕和斷裂情況，隨著各類經(jīng)驗(yàn)的摸索氣化爐運(yùn)行工況逐步平穩(wěn)此問(wèn)題已逐步解決。

1.2 固定熱電偶的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)氣化爐的溫度達(dá)到投煤條件時(shí)，投用煤漿混合燒嘴，投煤前后的溫度主要參考固定熱電偶。固定熱電偶設(shè)置在氣化爐水平段兩側(cè)上方和上升段位置與可伸縮熱偶位置互補(bǔ)，在烘爐期間固定在上升段的熱電偶與處在對(duì)稱位置的可伸縮熱電偶進(jìn)行溫度比對(duì)和計(jì)算出矯正溫度。固定熱電偶采用高壓法蘭連接，B型鉑銠熱電偶，單支偶絲，套管采用補(bǔ)強(qiáng)套管外加陶瓷材質(zhì)。每支熱電偶內(nèi)置在氣化爐磚內(nèi)側(cè)，熱電偶頂端可接觸到氣化爐內(nèi)合成氣。固定熱電偶處在高溫高壓含固氣體環(huán)境，在高壓氣體沖擊下熱電偶套管震動(dòng)較大容易斷裂，合成氣中含有的氫硫物質(zhì)容易造成漏點(diǎn)腐蝕。各種苛刻因素易導(dǎo)致一段固定熱電偶損壞，測(cè)量偏差較大，但是作為投煤前期的溫度條件來(lái)說(shuō)參考意義較大。作為氣化爐核心工段，一段固定熱電偶還需極大改善滿足測(cè)量與工藝調(diào)整參數(shù)需求。

1.3 多點(diǎn)柔性熱電偶的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

煤漿在氣化爐一段燃燒后產(chǎn)生大量熱渣，通過(guò)出渣口在抽引合成氣和重力帶動(dòng)下進(jìn)入激冷室內(nèi)。激冷段設(shè)有倒流筒和激冷噴嘴用于冷卻并固化排渣。固化后的渣向下流出激冷段，進(jìn)入破渣機(jī)經(jīng)破碎后離開(kāi)氣化爐通過(guò)專有的連續(xù)降壓設(shè)施送到渣水系統(tǒng)。激冷室的橢圓封頭和下降管內(nèi)外側(cè)都有降溫水，為了準(zhǔn)確測(cè)量是否超溫?fù)p壞設(shè)備，在此處設(shè)置了多點(diǎn)柔性熱電偶。每臺(tái)氣化爐各采用一套3點(diǎn)單支多點(diǎn)柔性熱電偶和一套4點(diǎn)單支多點(diǎn)柔性熱電偶。熱偶測(cè)量溫度范圍不高于600 ℃，采用K型熱電偶，截至目前這幾支熱電偶溫度響應(yīng)曲線良好。

成套的系統(tǒng)包括鎧裝熱電偶、密封檢驗(yàn)系統(tǒng)、密封腔壓力表、接線盒、雙隔斷閥、測(cè)溫塊、支撐件及固定件。由于熱電偶所處環(huán)境在氣化爐內(nèi)部位置苛刻，運(yùn)行中損壞無(wú)法更換，熱電偶偶絲材質(zhì)采用同一批材質(zhì)保證熱電偶的重復(fù)性。套管材質(zhì)采用Inconel800，熱電偶的每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的融焊密封技術(shù)，保證多點(diǎn)熱電偶系統(tǒng)一次密封在高溫條件下的安全性與可靠性。

每根熱電偶末端都裝有破裂封堵裝置，當(dāng)某根熱電偶套管破裂時(shí)，只需要切斷該支熱電偶，不影響其他鎧管中熱電偶正常運(yùn)行，裝置繼續(xù)安全運(yùn)行，不需要停車。目前運(yùn)行來(lái)看此熱偶使用周期非常久，經(jīng)濟(jì)效益可觀，穩(wěn)定性也比較強(qiáng)。

1.4 其他固定熱電偶的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

氣化爐一段生成的合成氣向上流動(dòng)進(jìn)入氣化爐二段，二段氣化爐噴入的煤漿利用來(lái)自一段爐的合成氣攜帶的高溫?zé)崃窟M(jìn)行氣化，生成氫氣和一氧化碳，從而提高了氣化效率。

二段煤漿的噴入使得帶入氣化爐二段的合成氣溫度大幅度冷卻，二段出口設(shè)置的四支雙絲熱電偶更加精準(zhǔn)地測(cè)量出氣化爐內(nèi)部溫度，為后續(xù)控溫調(diào)壓提供精準(zhǔn)依據(jù)。二段出口為了更進(jìn)一步精確控溫增加了4個(gè)激冷噴嘴，噴入低壓合成氣和高壓冷凝液。在二段出現(xiàn)結(jié)焦和堵塞的情況后，為了防止氣化爐內(nèi)部高壓氣體倒躥出來(lái)，在激冷噴嘴外部加了表面熱偶，供超溫緊急停工參考。表面熱偶采用的是K型貼壁式熱電偶，采用鋼渣帶固定。

二段出口熱電偶正常測(cè)溫在1 000～1 200 ℃之間，普通K型熱電偶在1 000 ℃以上精度偏差較大。我們選用了B型鉑銠熱電偶，單臺(tái)雙支多偶絲，每支偶絲對(duì)應(yīng)一臺(tái)溫度變送器，套管采用整體鉆孔直形套管，抗硫化氫腐蝕。在運(yùn)行一個(gè)周期后整體使用效果良好，復(fù)雜工況下依舊能勝任部分測(cè)量，為一段溫度和后續(xù)溫度提供強(qiáng)力保障。二段熱電偶在截至目前使用周期內(nèi)非常良好，經(jīng)濟(jì)效益客觀。在單支偶絲或單臺(tái)偶絲故障出現(xiàn)時(shí)，其他正常熱電偶依舊可以提供可靠測(cè)量。

合成氣在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的過(guò)渡段到達(dá)停留罐前后焦油進(jìn)一步裂解溫度會(huì)繼續(xù)下降，在停留罐繼續(xù)使用高溫冷凝液和低壓合成氣進(jìn)行冷卻，溫度低于1 000 ℃以下，位于停留罐進(jìn)出口和余熱鍋爐進(jìn)出口的熱電偶使用環(huán)境相對(duì)之前已大為改善，選用K型熱電偶在滿足使用工況條件下，將內(nèi)部環(huán)境測(cè)量更加精準(zhǔn)，每個(gè)位置保證對(duì)稱位置各有一支熱電偶且熱電偶均插入氣化爐內(nèi)部與內(nèi)部介質(zhì)直接接觸。

2 E-GAS氣化爐的三種外壁測(cè)溫系統(tǒng)

氣化爐內(nèi)部的各段測(cè)溫為工藝各種控制和參考手段，由于E-GAS氣化爐國(guó)內(nèi)外運(yùn)行時(shí)間有限，各種處理異常情況經(jīng)驗(yàn)無(wú)法得到借鑒。在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為保證氣化爐本質(zhì)安全，還在氣化爐外壁設(shè)置了三種固定測(cè)溫系統(tǒng)。

2.1 熱敏漆的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

在正常情況下，氣化爐外壁溫度未超過(guò)250 ℃時(shí)，爐壁顏色呈現(xiàn)藍(lán)色，當(dāng)溫度高于250 ℃以后藍(lán)色油漆變?yōu)榘咨?/p>

優(yōu)點(diǎn)：判斷直觀，現(xiàn)場(chǎng)巡檢第一時(shí)間能發(fā)現(xiàn)具體區(qū)域，為初步判斷提供參考和調(diào)整時(shí)間。

缺點(diǎn)：一是此溫度觀測(cè)有不可逆性，超過(guò)以后當(dāng)溫度降低就無(wú)法恢復(fù)原來(lái)顏色，變白以后實(shí)際溫度具體停留在哪個(gè)區(qū)間還需進(jìn)一步測(cè)量，只能初步判斷是否超溫；二是正常工況下也有部分區(qū)域超過(guò)250 ℃，對(duì)正常工況下的溫度參考有局限性，爐壁溫度降低后熱敏漆顏色無(wú)法恢復(fù)。

2.2 PFA熱點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

PFA熱點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)采用特殊PFA管、差壓變送器、孔板和固定的耐高溫磁鐵組成。PFA熱點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)基本原理為利用特定PFA管具備特定熔點(diǎn)的特性，在PFA管中充入一定壓力的儀表風(fēng)，讓PFA緊貼設(shè)備外壁，當(dāng)氣化爐內(nèi)壁耐火材料出現(xiàn)異常破裂時(shí)，設(shè)備鋼制外壁異常迅速升溫導(dǎo)致PFA管融化破裂泄壓，以測(cè)量限流孔板前后壓差變化作為設(shè)備外壁監(jiān)測(cè)報(bào)警。差壓變送器引入中控DCS系統(tǒng)監(jiān)控，當(dāng)有壓力持續(xù)升高報(bào)警時(shí)，中控大概判斷高溫區(qū)域安排現(xiàn)場(chǎng)人員排查漏點(diǎn)具體位置現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)測(cè)溫判斷，熱點(diǎn)持續(xù)上漲判斷是否停車，若下降則繼續(xù)觀察?，F(xiàn)場(chǎng)還需具體排查漏氣位置。

優(yōu)點(diǎn)：一是中控能實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警，第一時(shí)間判斷大概區(qū)域；二是測(cè)溫區(qū)域覆蓋面積廣，相比其他測(cè)量設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益高；三是PFA管在局部破損時(shí)可在線更換能提高反復(fù)利用率。

缺點(diǎn)：一是高溫磁鐵固定效果前期固定可靠伴隨著工況的變化，易脫落，增加鋼軋帶解決了此問(wèn)題；二是即使能判斷大概區(qū)域，但是氣化爐整體面積較大，判斷具體漏點(diǎn)仍需要較長(zhǎng)時(shí)間，出現(xiàn)緊急情況在線查找和更換風(fēng)險(xiǎn)較大。

2.3 光纖測(cè)溫的使用及優(yōu)缺點(diǎn)

分布式光纖測(cè)溫基于自發(fā)拉曼Raman散射效應(yīng)。激光入射到測(cè)溫光纜后會(huì)發(fā)生微弱的拉曼散射光，利用溫度敏感的反斯托克斯光和溫度不敏感的斯托克斯光的強(qiáng)度比獲得測(cè)溫光纜上任一點(diǎn)的溫度值。位置定位則利用散射光返回的時(shí)間，即激光雷達(dá)的原理來(lái)確定[1]。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要包括光纖傳感信號(hào)處理模塊與光纖傳感器兩大部分，如圖2所示。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)由激光光源、光模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊以及信號(hào)處理模塊組成，傳感器部分主要是由測(cè)溫光纜組成，測(cè)溫光纜本身也作為傳輸光纜使用。分布式光纖傳感解調(diào)模塊內(nèi)置激光光源，通過(guò)光模塊將光源耦合到現(xiàn)場(chǎng)光纖傳感器，現(xiàn)場(chǎng)光纖傳感器背向散射出攜帶現(xiàn)場(chǎng)溫度信息的拉曼光信號(hào)，光模塊將散射信號(hào)送入信號(hào)檢測(cè)單元，在信號(hào)檢測(cè)單元中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的電信號(hào)，再通過(guò)處理顯示單元，進(jìn)行解調(diào)與顯示，最終得到直觀的分布式線性溫度傳感曲線[2]。分布式線性溫度傳感曲線，包括了整個(gè)光纜不同位置處的溫度信息，即生成了位置-溫度的二維圖形完整展現(xiàn)氣化爐測(cè)溫區(qū)域。

圖2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)示意圖

氣化爐壁測(cè)溫系統(tǒng)在氣化爐爐壁安裝耐高溫溫度傳感器，氣化爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫傳感器經(jīng)鎧裝通訊光纜連接至機(jī)柜間測(cè)溫主機(jī)。在中央控制室設(shè)置監(jiān)控子系統(tǒng)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)從機(jī)柜間傳輸至中央控制室。

通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)分析軟件平臺(tái)來(lái)完成整個(gè)氣化爐爐壁表面溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。監(jiān)控工作站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐爐壁表面各部位溫度，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確得到溫度分布參數(shù)，各測(cè)溫區(qū)域可視化顯示，系統(tǒng)定時(shí)記錄所有監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的溫度信息，可長(zhǎng)時(shí)間存檔，通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的分析對(duì)超溫區(qū)域或者溫度上升速率過(guò)快區(qū)域給出提示報(bào)警[3]。

優(yōu)點(diǎn)：可快速測(cè)量氣化爐外壁溫度，可視化圖像能準(zhǔn)確找到現(xiàn)場(chǎng)位置并根據(jù)氣化爐結(jié)構(gòu)判斷工況變化。光纖抗電磁干擾能力強(qiáng)，滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆要求，現(xiàn)場(chǎng)傳感器無(wú)需供電，測(cè)溫傳感器可與氣化爐爐壁緊密貼合敷設(shè)，系統(tǒng)測(cè)量精度不受氣化爐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響。光纖測(cè)溫不僅可以顯示氣化爐爐壁任意點(diǎn)的溫度，還能分析爐壁表面溫度變化趨勢(shì)。便于操作人員全面掌握和了解爐壁工況，直接、快速發(fā)現(xiàn)氣化爐爐壁隱患所在，避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生，為氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行及工藝過(guò)程控制提供有效保障[4]。減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工藝人員工作效率，提供更加科學(xué)的管理手段。

缺點(diǎn)：光纖外部保護(hù)鋼絲張力過(guò)大，有經(jīng)常脫離的情況出現(xiàn)，光纖敷設(shè)范圍大，成本相對(duì)較高。

3 結(jié)語(yǔ)

不同工況采用不同結(jié)構(gòu)和測(cè)溫方式對(duì)氣化爐測(cè)溫。目前爐內(nèi)二段以上采用的K型和B型熱電偶測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都比較高，多點(diǎn)熱電偶的性能更加可靠。氣化爐外壁增加的光纖測(cè)溫系統(tǒng)更好地彌補(bǔ)了氣化爐測(cè)溫的短板，提高了測(cè)溫的及時(shí)響應(yīng)速度，為判斷熱點(diǎn)提供寶貴調(diào)整時(shí)間，也為長(zhǎng)周期提供更寶貴的可靠依據(jù)和安全屏障。但是氣化爐一段測(cè)溫仍需要突破和改善，期待在接下來(lái)的調(diào)整過(guò)程中有新的進(jìn)展。