以煤和氧氣為原料氣化反應(yīng)的氣化爐為壓力容器，爐內(nèi)正常溫度在1300℃左右，甚至高達(dá)1500℃以上。爐內(nèi)所襯爐磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，受熱氣體和熔渣的沖刷，耐火磚不斷變薄。在某些情況下，例如砌磚時(shí)的缺陷，爐磚會(huì)掉下，或熾熱氣體通過(guò)磚縫侵入。爐內(nèi)耐火磚的減薄甚至脫落或熾熱氣體通過(guò)磚縫侵入會(huì)使氣化爐爐壁表面溫度升高，使受壓的氣化爐金屬外殼強(qiáng)度降低，許用應(yīng)力迅速下降，造成設(shè)備不安全，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此要求實(shí)時(shí)測(cè)量氣化爐表面溫度并給予報(bào)警。測(cè)量氣化爐表面溫度的另一個(gè)目的是，爐表面溫度反映了爐內(nèi)耐火磚減薄的程度，可預(yù)先確定更換耐火磚的時(shí)間。

氣化爐表面測(cè)溫系統(tǒng)是將測(cè)溫元件敷設(shè)在氣化爐容器殼上來(lái)進(jìn)行工作的，測(cè)溫元件是一種能夠探測(cè)一條連續(xù)路線上存在的最高溫度的線型熱點(diǎn)探測(cè)器，能夠連續(xù)產(chǎn)生與其敷設(shè)區(qū)域內(nèi)的最高溫度相對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)，將此信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送到DCS，以監(jiān)控最高溫度出現(xiàn)的位置。昌暉儀表生產(chǎn)的熱點(diǎn)探測(cè)器與普通熱電偶不同之處在于它的熱接點(diǎn)不固定，而是始終與線纜上的最高溫度相對(duì)應(yīng)。如果把熱點(diǎn)探測(cè)器合理地敷設(shè)在一個(gè)面上，測(cè)溫電纜反映出的溫度可視為其所達(dá)面上存在的最高溫度。

熱點(diǎn)探測(cè)器工作原理
熱點(diǎn)探測(cè)器的基本工作原理為熱電效應(yīng)原理。

熱電效應(yīng)是德國(guó)科學(xué)家Seebeck(塞貝克)在1821年發(fā)現(xiàn)的：將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A和導(dǎo)體B，首尾焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，這兩個(gè)焊接點(diǎn)稱之為參比點(diǎn)和熱接點(diǎn)。當(dāng)參比點(diǎn)與熱接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，這個(gè)閉合回路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱電勢(shì)。熱電勢(shì)的大小只與參比點(diǎn)和熱接點(diǎn)的溫度有關(guān)；這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)。普通熱電偶就是利用此原理工作。

熱點(diǎn)探測(cè)器內(nèi)部填充了NTC熱敏材料-一種負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體熱敏材料。這種材料在常溫時(shí)呈高阻，受熱時(shí)呈低阻。

當(dāng)熱點(diǎn)探測(cè)器上任何一點(diǎn)(T1)的溫度高于其它部分的溫度時(shí)，該處的熱電偶導(dǎo)線之間的絕緣電阻(R)降低，從而出現(xiàn)“臨時(shí)”熱接點(diǎn)，相當(dāng)于點(diǎn)式熱電偶的金屬熱接點(diǎn)，作用與普通熱電偶的熱接點(diǎn)相同，如圖1所示。



當(dāng)熱點(diǎn)探測(cè)器上另外一點(diǎn)(T2)的溫度高于(T1)點(diǎn)時(shí)，該處的熱電偶導(dǎo)線之間的絕緣電阻會(huì)變的更低，從而出現(xiàn)新的“臨時(shí)”熱接點(diǎn)，如圖2所示。



昌暉熱點(diǎn)探測(cè)器采用具有NTC熱敏材料，這種材料的阻值可以隨溫度的變化發(fā)生明顯的變化；同時(shí)加以先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品始終輸出與所鋪設(shè)區(qū)域的最高溫度相對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)。測(cè)溫性能優(yōu)越，可有效感應(yīng)熱點(diǎn)探測(cè)器沿線溫度的細(xì)微變化，對(duì)熱點(diǎn)的捕捉能力優(yōu)異。

氣化爐表面溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施
氣化制氫裝置共有6臺(tái)氣化爐(分別用A、B、C表示)，為了真實(shí)準(zhǔn)確地探測(cè)氣化爐表面各個(gè)區(qū)域的溫度，本系統(tǒng)采用溫區(qū)(單支熱點(diǎn)探測(cè)器所探測(cè)的區(qū)域)的概念將每臺(tái)爐劃分為32個(gè)溫區(qū)，針對(duì)各溫區(qū)選用最佳溫度等級(jí)的熱點(diǎn)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐表面溫度的最佳監(jiān)測(cè)。

溫度采集系統(tǒng)選用本安溫度采集系統(tǒng)。每臺(tái)氣化爐配備1套溫度采集系統(tǒng)，分別接入每臺(tái)氣化爐各自的DCS系統(tǒng)。每套采集系統(tǒng)內(nèi)含1塊母板，2塊電源模塊，2塊網(wǎng)關(guān)模塊，9塊溫度輸入模塊，其中1塊溫度輸入模塊用于環(huán)境溫度補(bǔ)償。每套溫度采集系統(tǒng)采集32路熱點(diǎn)探測(cè)器信號(hào)。

整套本安溫度采集系統(tǒng)放置于現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)接線箱內(nèi)。每套溫度采集系統(tǒng)使用2塊段耦合器，實(shí)現(xiàn)通信的冗余。

1、熱點(diǎn)探測(cè)器的連接方法
昌暉熱點(diǎn)探測(cè)器采用兩端連接冗余設(shè)計(jì)，增加設(shè)備的可靠性。通過(guò)耐高溫補(bǔ)償導(dǎo)線接入溫度采集系統(tǒng)。熱點(diǎn)探測(cè)器安裝示意圖如圖3所示。


2、熱點(diǎn)探測(cè)器在氣化爐上的安裝
本項(xiàng)目為6臺(tái)氣化爐，爐體直徑為Φ3.2m。每臺(tái)氣化爐外表面設(shè)32個(gè)溫區(qū)，其中拱頂按四象限設(shè)8個(gè)溫區(qū)，筒體設(shè)24個(gè)溫區(qū)，共采用32支熱點(diǎn)探測(cè)器對(duì)氣化爐表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

熱點(diǎn)探測(cè)器固定件由供貨商配套，分為加固夾具和壓板，壓板是保護(hù)層。氣化爐爐體在設(shè)計(jì)時(shí)按要求布置爐壁表面溫度檢測(cè)點(diǎn)，并畫(huà)出固定預(yù)焊件螺母的位置，制造廠在壓力容器制造時(shí)將預(yù)焊件螺母焊接在爐壁上。每臺(tái)爐使用約2800個(gè)固定螺母，螺母規(guī)格是M6。安裝時(shí)壓板上涂以填料，使之與熱點(diǎn)探測(cè)器之間的接觸更好，易于元件緊貼爐壁。


熱點(diǎn)探測(cè)器從氣化爐頂部到底部，按布置圖敷設(shè)，360°全面覆蓋氣化爐表面。按布置圖將螺母焊在容器表面，用特制固定夾具將熱點(diǎn)探測(cè)器固定，使熱點(diǎn)探測(cè)器與爐體表面接觸良好。壓板內(nèi)側(cè)粘貼耐高溫玻璃纖維帶，不僅能使熱點(diǎn)探測(cè)器與爐壁接觸良好，還能有效延緩熱點(diǎn)探測(cè)器所及區(qū)域溫度散失，使熱點(diǎn)探測(cè)器更加真實(shí)反映被測(cè)區(qū)域的最高溫度。

氣化爐拱頂處的熱點(diǎn)探測(cè)器選用弧形壓板固定，拱頂相鄰兩圈之間球面間距為150mm，相鄰兩螺母間距為200mm。

氣化爐筒體部分的熱點(diǎn)探測(cè)器豎排安裝，選用直形壓板固定，筒體相鄰兩圈之間球面間距為200mm，相鄰兩螺母間距為150mm。

熱點(diǎn)探測(cè)器通過(guò)成套陶瓷接插件與補(bǔ)償導(dǎo)線連接，陶瓷接插件置于不銹鋼接線盒內(nèi)保護(hù)。補(bǔ)償導(dǎo)線另一端穿管或走橋架接入溫度采集系統(tǒng)。通過(guò)溫度采集系統(tǒng)接入全廠DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐表面溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3、信號(hào)采集系統(tǒng)
信號(hào)采集產(chǎn)品是遠(yuǎn)程I/O技術(shù)、安全柵技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的完美結(jié)合，是一種可以直接放置在危險(xiǎn)1/2區(qū)中連接本安開(kāi)關(guān)量或模擬量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的新型總線部件。

該系統(tǒng)由母板以及插在它上面的電源模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、I/O模塊組成。母板起到分配電源、傳輸數(shù)據(jù)以及連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的作用。電源模塊為系統(tǒng)的正常工作提供充足的電源供應(yīng)。電源模塊的冗余配置確保了整個(gè)系統(tǒng)供電的可靠性。網(wǎng)關(guān)模塊控制著I/O模塊與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信工作。它肩負(fù)著主設(shè)備和從設(shè)備的雙重任務(wù)，網(wǎng)關(guān)模塊的冗余配置，確保了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的可靠性。

I/O模塊作為外圍設(shè)備的接口，處理具有EExiaⅡC防爆等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸入/輸出信號(hào)。母板最多可插接16個(gè)I/O模塊，模塊的供電均由母板提供，無(wú)需外接電源。所有模塊均可用手進(jìn)行簡(jiǎn)單的插拔而無(wú)需借助任何工具。系統(tǒng)內(nèi)部連接好后，外圍部件即可進(jìn)行連接。

系統(tǒng)的PROFIBUS-DP地址通過(guò)母板上的3個(gè)旋鈕進(jìn)行設(shè)定，其最大的地址數(shù)為125。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)超過(guò)32個(gè)，就需要通過(guò)中繼器和/或段耦合器將該網(wǎng)絡(luò)分成幾個(gè)網(wǎng)段。段耦合器可將普通的PROFIBUS-DP總線RS485隔離成兩個(gè)對(duì)等通信的本安PROFIBUS網(wǎng)段，通信速率范圍9.6-1.5Mbps。

熱點(diǎn)探測(cè)器優(yōu)勢(shì)
1、優(yōu)異的材料特性
熱點(diǎn)探測(cè)器采用先進(jìn)的NTC熱敏材料成分，其電阻可隨溫度劇烈變化，溫度性能測(cè)試圖如圖4所示。
 
熱點(diǎn)探測(cè)器內(nèi)部填充的NTC熱敏材料在常溫(或低溫段)時(shí)，阻值為兆歐以上；隨著溫度的上升，阻值迅速降低。在高溫時(shí)，可以降到和金屬相當(dāng)?shù)淖柚捣秶欣谛纬伞芭R時(shí)”熱接點(diǎn)，對(duì)熱點(diǎn)的捕捉能力強(qiáng)。同時(shí)，這種NTC材料熱敏電阻常數(shù)偏差小，檢測(cè)精度優(yōu)良，一致性強(qiáng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，性能非常穩(wěn)定、可靠。

2、先進(jìn)的工藝-獨(dú)特的分級(jí)技術(shù)
氣化爐爐體表面溫度各個(gè)不同部位(如拱頂、爐體直筒段區(qū)、燒嘴短管段)溫度并不一樣；另外氣化爐的爐型、壓力不同，其表面溫度會(huì)有較大差異。為了對(duì)氣化爐表面各不同溫度范圍的區(qū)域進(jìn)行更精密的監(jiān)測(cè)，根據(jù)熱點(diǎn)探測(cè)器材料的新特性及多年經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整了NTC絕緣材料的配比，在熱點(diǎn)探測(cè)器上率先采用了分級(jí)技術(shù)。每一級(jí)都制定有最佳工作溫度范圍，以使其性能得到最佳發(fā)揮，極大增強(qiáng)了“熱點(diǎn)”探測(cè)能力。
  
  分級(jí)方法及原理簡(jiǎn)述如下：
①熱點(diǎn)探測(cè)器的工作溫度范圍是-40~900℃。NTC絕緣材料在常溫(或低溫)下的呈高阻，但隨著溫度的升高，其電阻值呈指數(shù)關(guān)系迅速減小。阻值范圍為從兆歐級(jí)到歐姆級(jí)。

②在-40~900℃的溫度范圍內(nèi)，將熱點(diǎn)探測(cè)器分為7個(gè)等級(jí)。在每一級(jí)特定范圍內(nèi)NTC絕緣材料的阻值(后簡(jiǎn)稱阻值)變化都是從兆歐級(jí)到歐姆級(jí)。熱點(diǎn)探測(cè)器的分級(jí)曲線圖如圖5所示。

 

其中，橫坐標(biāo)為溫度(從低到高)，縱坐標(biāo)為阻值。工作在特定范圍內(nèi)時(shí)(如I級(jí)在37℃左右，Ⅱ級(jí)在93℃左右…)，不同級(jí)別的熱點(diǎn)探測(cè)器阻值范圍均為從兆歐級(jí)到歐姆級(jí)。分級(jí)后熱點(diǎn)探測(cè)器單位溫度阻值變化相比分級(jí)前增大，顯著提升了熱點(diǎn)探測(cè)器的“分辨率”，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化爐表面溫度細(xì)微的變化更精確、更靈敏的“熱點(diǎn)捕捉”。

熱點(diǎn)探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐表面各區(qū)域的溫度，可以顯示沿線最高溫度，在使用中，始終跟隨顯示“熱點(diǎn)”溫度，使操作人員直觀了解爐體“熱點(diǎn)”分布情況，從容安排生產(chǎn)，達(dá)到“防患于未然”：
①可在-40~900℃之間自行設(shè)定報(bào)警值；
②從頂部到底部，可水平、垂直鋪設(shè)，360°全面覆蓋氣化爐表面；
③可直接連接到DCS系統(tǒng)，無(wú)需變送、轉(zhuǎn)換；
④自動(dòng)產(chǎn)生mV信號(hào)，無(wú)需外加電源，系統(tǒng)安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、方便，大大降低成本。
作者：郎微微(中海殼牌儀表工程師)
 
相關(guān)閱讀
連續(xù)熱電偶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
線式熱點(diǎn)探測(cè)器與線式感溫探測(cè)技術(shù)的發(fā)展
連續(xù)熱電偶在高溫設(shè)備表面溫度測(cè)量中的應(yīng)用
連續(xù)熱電偶在圓筒出煤倉(cāng)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用