热点探测器在气化炉表面测温应用

以煤和氧气为原料气化反应的气化炉为压力容器，炉内正常温度在1300℃左右，甚至高达1500℃以上。炉内所衬炉砖在高温时会熔蚀，受热气体和熔渣的冲刷，耐火砖不断变薄。在某些情况下，例如砌砖时的缺陷，炉砖会掉下，或炽热气体通过砖缝侵入。炉内耐火砖的减薄甚至脱落或炽热气体通过砖缝侵入会使气化炉炉壁表面温度升高，使受压的气化炉金属外壳强度降低，许用应力迅速下降，造成设备不安全，进而导致安全事故发生。因此要求实时测量气化炉表面温度并给予报警。测量气化炉表面温度的另一个目的是，炉表面温度反映了炉内耐火砖减薄的程度，可预先确定更换耐火砖的时间。

 

气化炉表面测温系统是将测温元件敷设在气化炉容器壳上来进行工作的，测温元件是一种能够探测一条连续路线上存在的最高温度的线型热点探测器，能够连续产生与其敷设区域内的最高温度相对应的毫伏信号，将此信号转换、传送到DCS，以监控最高温度出现的位置。维连电子生产的热点探测器与普通热电偶不同之处在于它的热接点不固定，而是始终与线缆上的最高温度相对应。如果把热点探测器合理地敷设在一个面上，测温电缆反映出的温度可视为其所达面上存在的最高温度。

 

热点探测器工作原理

热点探测器的基本工作原理为热电效应原理。

 

热电效应是德国科学家Seebeck(塞贝克)在1821年发现的：将两种不同材质的导体A和导体B，首尾焊接起来，构成一个闭合回路，这两个焊接点称之为参比点和热接点。当参比点与热接点之间存在温差时，这个闭合回路就会产生一个热电势。热电势的大小只与参比点和热接点的温度有关；这种现象就是热电效应。普通热电偶就是利用此原理工作。

 

热点探测器内部填充了NTC热敏材料-一种负温度系数很大的半导体热敏材料。这种材料在常温时呈高阻，受热时呈低阻。

 

当热点探测器上任何一点(T1)的温度高于其它部分的温度时，该处的热电偶导线之间的绝缘电阻(R)降低，从而出现“临时”热接点，相当于点式热电偶的金属热接点，作用与普通热电偶的热接点相同，如图1所示。

 

 

当热点探测器上另外一点(T2)的温度高于(T1)点时，该处的热电偶导线之间的绝缘电阻会变的更低，从而出现新的“临时”热接点，如图2所示。

 

 

维连热点探测器采用具有NTC热敏材料，这种材料的阻值可以随温度的变化发生明显的变化；同时加以先进的生产工艺，产品始终输出与所铺设区域的最高温度相对应的温度信号。测温性能优越，可有效感应热点探测器沿线温度的细微变化，对热点的捕捉能力优异。

 

气化炉表面温度测量系统实施

气化制氢装置共有6台气化炉(分别用A、B、C表示)，为了真实准确地探测气化炉表面各个区域的温度，本系统采用温区(单支热点探测器所探测的区域)的概念将每台炉划分为32个温区，针对各温区选用最佳温度等级的热点探测器实现对气化炉表面温度的最佳监测。

 

温度采集系统选用本安温度采集系统。每台气化炉配备1套温度采集系统，分别接入每台气化炉各自的DCS系统。每套采集系统内含1块母板，2块电源模块，2块网关模块，9块温度输入模块，其中1块温度输入模块用于环境温度补偿。每套温度采集系统采集32路热点探测器信号。

 

整套本安温度采集系统放置于现场防护接线箱内。每套温度采集系统使用2块段耦合器，实现通信的冗余。

 

1、热点探测器的连接方法

维连热点探测器采用两端连接冗余设计，增加设备的可靠性。通过耐高温补偿导线接入温度采集系统。热点探测器安装示意图如图3所示。

热点探测器安装示意图

2、热点探测器在气化炉上的安装

本项目为6台气化炉，炉体直径为Φ3.2m。每台气化炉外表面设32个温区，其中拱顶按四象限设8个温区，筒体设24个温区，共采用32支热点探测器对气化炉表面温度进行监测。

 

热点探测器固定件由供货商配套，分为加固夹具和压板，压板是保护层。气化炉炉体在设计时按要求布置炉壁表面温度检测点，并画出固定预焊件螺母的位置，制造厂在压力容器制造时将预焊件螺母焊接在炉壁上。每台炉使用约2800个固定螺母，螺母规格是M6。安装时压板上涂以填料，使之与热点探测器之间的接触更好，易于元件紧贴炉壁。

热点探测器在设备表面的固定

热点探测器从气化炉顶部到底部，按布置图敷设，360°全面覆盖气化炉表面。按布置图将螺母焊在容器表面，用特制固定夹具将热点探测器固定，使热点探测器与炉体表面接触良好。压板内侧粘贴耐高温玻璃纤维带，不仅能使热点探测器与炉壁接触良好，还能有效延缓热点探测器所及区域温度散失，使热点探测器更加真实反映被测区域的最高温度。

 

气化炉拱顶处的热点探测器选用弧形压板固定，拱顶相邻两圈之间球面间距为150mm，相邻两螺母间距为200mm。

 

气化炉筒体部分的热点探测器竖排安装，选用直形压板固定，筒体相邻两圈之间球面间距为200mm，相邻两螺母间距为150mm。

 

热点探测器通过成套陶瓷接插件与补偿导线连接，陶瓷接插件置于不锈钢接线盒内保护。补偿导线另一端穿管或走桥架接入温度采集系统。通过温度采集系统接入全厂DCS系统，实现对气化炉表面温度的实时监测。

 

3、信号采集系统

信号采集产品是远程I/O技术、安全栅技术与现场总线技术的完美结合，是一种可以直接放置在危险1/2区中连接本安开关量或模拟量现场设备的新型总线部件。

 

该系统由母板以及插在它上面的电源模块、网关模块、I/O模块组成。母板起到分配电源、传输数据以及连接现场设备的作用。电源模块为系统的正常工作提供充足的电源供应。电源模块的冗余配置确保了整个系统供电的可靠性。网关模块控制着I/O模块与控制系统之间的数据通信工作。它肩负着主设备和从设备的双重任务，网关模块的冗余配置，确保了系统数据通信的可靠性。

 

I/O模块作为外围设备的接口，处理具有EExiaⅡC防爆等级的现场设备的输入/输出信号。母板最多可插接16个I/O模块，模块的供电均由母板提供，无需外接电源。所有模块均可用手进行简单的插拔而无需借助任何工具。系统内部连接好后，外围部件即可进行连接。

 

系统的PROFIBUS-DP地址通过母板上的3个旋钮进行设定，其最大的地址数为125。如果一个网络连接的节点超过32个，就需要通过中继器和/或段耦合器将该网络分成几个网段。段耦合器可将普通的PROFIBUS-DP总线RS485隔离成两个对等通信的本安PROFIBUS网段，通信速率范围9.6-1.5Mbps。

 

热点探测器优势

1、优异的材料特性

热点探测器采用先进的NTC热敏材料成分，其电阻可随温度剧烈变化，温度性能测试图如图4所示。

 

热点探测器内部填充的NTC热敏材料在常温(或低温段)时，阻值为兆欧以上；随着温度的上升，阻值迅速降低。在高温时，可以降到和金属相当的阻值范围，有利于形成“临时”热接点，对热点的捕捉能力强。同时，这种NTC材料热敏电阻常数偏差小，检测精度优良，一致性强。在实际使用过程中，性能非常稳定、可靠。

 

2、先进的工艺-独特的分级技术

气化炉炉体表面温度各个不同部位(如拱顶、炉体直筒段区、烧嘴短管段)温度并不一样；另外气化炉的炉型、压力不同，其表面温度会有较大差异。为了对气化炉表面各不同温度范围的区域进行更精密的监测，根据热点探测器材料的新特性及多年经验，调整了NTC绝缘材料的配比，在热点探测器上率先采用了分级技术。每一级都制定有最佳工作温度范围，以使其性能得到最佳发挥，极大增强了“热点”探测能力。

  

  分级方法及原理简述如下：

①热点探测器的工作温度范围是-40~900℃。NTC绝缘材料在常温(或低温)下的呈高阻，但随着温度的升高，其电阻值呈指数关系迅速减小。阻值范围为从兆欧级到欧姆级。

 

②在-40~900℃的温度范围内，将热点探测器分为7个等级。在每一级特定范围内NTC绝缘材料的阻值(后简称阻值)变化都是从兆欧级到欧姆级。热点探测器的分级曲线图如图5所示。

 

 

其中，横坐标为温度(从低到高)，纵坐标为阻值。工作在特定范围内时(如I级在37℃左右，Ⅱ级在93℃左右…)，不同级别的热点探测器阻值范围均为从兆欧级到欧姆级。分级后热点探测器单位温度阻值变化相比分级前增大，显著提升了热点探测器的“分辨率”，实现对气化炉表面温度细微的变化更精确、更灵敏的“热点捕捉”。

 

热点探测器实时监测气化炉表面各区域的温度，可以显示沿线最高温度，在使用中，始终跟随显示“热点”温度，使操作人员直观了解炉体“热点”分布情况，从容安排生产，达到“防患于未然”：

①可在-40~900℃之间自行设定报警值；

②从顶部到底部，可水平、垂直铺设，360°全面覆盖气化炉表面；

③可直接连接到DCS系统，无需变送、转换；

④自动产生mV信号，无需外加电源，系统安装维护简单、方便，大大降低成本。

作者：郎微微(中海壳牌仪表工程师)

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