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(nèi)溫度在1300℃左右，有時會達到1500℃以上。爐內(nèi)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(zhì)問題會導(dǎo)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(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度降低，使用應(yīng)力迅速下降，導(dǎo)致運行設(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(dǎo)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(guān)重要，所測氣化爐表面溫度需要設(shè)置高報警，有時甚至會參與聯(lián)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(wěn)定運行起著至關(guān)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(tǒng)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(yè)領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的用途[1]。

氣化爐表面熱偶主要由CT2C 熱點探測器、補償導(dǎo)線、遠程I/O 采集系統(tǒng)組成。熱點探測器FTLD（Flexible Thermocouple Line Detector），又稱“連續(xù)”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(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(dǎo)線將信號傳輸給遠程I/O 采集系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個獨立的控制系統(tǒng)，完成氣化爐表面溫度的實時采集與數(shù)據(jù)傳輸。其采用性能可靠的FB 遠程I/O 采集系統(tǒng)采集熱點探測器的信號，通過RS485 總線方式將溫度數(shù)據(jù)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(nèi)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(dǎo)線的耐高溫陶瓷母接頭。CT2C 自身可產(chǎn)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(dǎo)線

耐高溫補償導(dǎo)線為K 型熱偶的補償導(dǎo)線，兩根補償導(dǎo)線線芯均被耐高溫聚四氟乙烯包裹，為雙絞線結(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套。補償導(dǎo)線的主要作用是通過補償導(dǎo)線連接熱點探測器和FB 遠程I/O 采集系統(tǒng)。

1.3 FB遠程I/O采集系統(tǒng)

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(yōu)點。當微機與遠程終端或遠距離的中央處理機交換數(shù)據(jù)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(tǒng)采集熱點探測器的信號，通過RS485 總線方式將溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至DCS。FB 遠程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

氣化爐表面熱點探測預(yù)警系統(tǒng)是基于CT2C 專利技術(shù)的對熱點溫度及環(huán)境溫度進行監(jiān)測的連續(xù)熱電偶而構(gòu)建的。氣化爐表面熱點探測預(yù)警系統(tǒng)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(shè)計，但它的功能卻不僅僅如此。使用氣化爐表面熱點探測預(yù)警系統(tǒng)，車間操作人員可以得到實時溫度信息并有效調(diào)節(jié)內(nèi)部過程[3]。表面熱偶具有以下特性：

2.1 CT2C的獨特性

CT2C 內(nèi)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(chǎn)生毫伏信號的熱電偶接點。CT2C 長度范圍內(nèi)的最高溫度點就是熱電偶接點，也是產(chǎn)生毫伏信號的接點。

2.2 CT2C的經(jīng)濟性

CT2C 自身可以產(chǎn)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(shè)備都可兼容的“K”型熱電偶，并且它是本安型設(shè)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(diào)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(shè)備。

3 表面熱偶的工作原理

1821 年，由德國科學家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，構(gòu)成一個閉合回路。當導(dǎo)體A 和B 的兩個焊接點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生熱電勢。這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢的大小只與導(dǎo)體兩端接點的溫度有關(guān)，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(yīng)用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要，并且結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)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(tǒng)是將測溫元件敷設(shè)在氣化爐外殼表面上來工作的，測溫元件（CT2C）是能夠產(chǎn)生在其敷設(shè)的長度范圍內(nèi)的最高溫度所產(chǎn)生相對應(yīng)K 型熱偶產(chǎn)生的毫伏信號，產(chǎn)生的毫伏信號通過補償導(dǎo)線被傳送到遠程I/O 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)控測溫元件敷設(shè)的爐壁范圍內(nèi)出現(xiàn)最高溫度點的位置。CT2C 測量原理優(yōu)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(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)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(yīng)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(nèi)之后，把它們一起移到加固夾具下面進行固定。

3）調(diào)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(cè)交錯壓緊，使得壓板受力均衡，同時預(yù)焊螺母不在同一直線上時也可對位置進行適當?shù)卣{(diào)整。

5）當測量元件（CT2C）按照圖紙敷設(shè)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(dǎo)線的陶瓷接插件固定在不銹鋼接線盒內(nèi)，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(nèi)，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(yè)。

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(yīng)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(nèi)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(jié)，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(nèi)，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(tǒng)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(shè)計與生產(chǎn)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(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。

若測溫系統(tǒng)長時間停用，測溫系統(tǒng)再次投運時，測量元件（CT2C）在150℃以上連續(xù)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(yù)警系統(tǒng)可作為一個趨向?qū)崟r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(diào)整或調(diào)校。為保證系統(tǒng)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(xù)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(xù)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?，F(xiàn)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(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)無異常，則檢查系統(tǒng)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?？蓪p壞一端相連的補償導(dǎo)線陶瓷接插件拔開，并將采集系統(tǒng)箱體內(nèi)相應(yīng)補償導(dǎo)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(jié)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(qū)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(shè)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(qū)域任何一點出現(xiàn)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(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(jié)約了成本，這種檢測方式的優(yōu)勢是其他任何一種熱偶所不具備的。