以煤和氧氣為原料氣化反應的氣化爐為壓力容器，爐內正常溫度在1300℃左右，甚至高達1500℃以上。爐內所襯爐磚在高溫時會熔蝕，受熱氣體和熔渣的沖刷，耐火磚不斷變薄。在某些情況下，例如砌磚時的缺陷，爐磚會掉下，或熾熱氣體通過磚縫侵入。爐內耐火磚的減薄甚至脫落或熾熱氣體通過磚縫侵入會使氣化爐爐壁表面溫度升高，使受壓的氣化爐金屬外殼強度降低，許用應力迅速下降，造成設備不安全，進而導致安全事故發(fā)生。因此要求實時測量氣化爐表面溫度并給予報警。測量氣化爐表面溫度的另一個目的是，爐表面溫度反映了爐內耐火磚減薄的程度，可預先確定更換耐火磚的時間。
氣化爐表面測溫系統(tǒng)是將測溫元件敷設在氣化爐容器殼上來進行工作的，測溫元件是一種能夠探測一條連續(xù)路線上存在的最高溫度的線型熱點探測器，能夠連續(xù)產生與其敷設區(qū)域內的最高溫度相對應的毫伏信號，將此信號轉換、傳送到DCS，以監(jiān)控最高溫度出現的位置。昌暉儀表生產的熱點探測器與普通熱電偶不同之處在于它的熱接點不固定，而是始終與線纜上的最高溫度相對應。如果把熱點探測器合理地敷設在一個面上，測溫電纜反映出的溫度可視為其所達面上存在的最高溫度。
熱點探測器工作原理
熱點探測器的基本工作原理為熱電效應原理。
熱電效應是德國科學家Seebeck(塞貝克)在1821年發(fā)現的：將兩種不同材質的導體A和導體B，首尾焊接起來，構成一個閉合回路，這兩個焊接點稱之為參比點和熱接點。當參比點與熱接點之間存在溫差時，這個閉合回路就會產生一個熱電勢。熱電勢的大小只與參比點和熱接點的溫度有關；這種現象就是熱電效應。普通熱電偶就是利用此原理工作。
熱點探測器內部填充了NTC熱敏材料-一種負溫度系數很大的半導體熱敏材料。這種材料在常溫時呈高阻，受熱時呈低阻。
當熱點探測器上任何一點(T1)的溫度高于其它部分的溫度時，該處的熱電偶導線之間的絕緣電阻(R)降低，從而出現“臨時”熱接點，相當于點式熱電偶的金屬熱接點，作用與普通熱電偶的熱接點相同，如圖1所示。
當熱點探測器上另外一點(T2)的溫度高于(T1)點時，該處的熱電偶導線之間的絕緣電阻會變的更低，從而出現新的“臨時”熱接點，如圖2所示。
昌暉熱點探測器采用具有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；同時加以先進的生產工藝，產品始終輸出與所鋪設區(qū)域的最高溫度相對應的溫度信號。測溫性能優(yōu)越，可有效感應熱點探測器沿線溫度的細微變化，對熱點的捕捉能力優(yōu)異。
氣化爐表面溫度測量系統(tǒng)實施
氣化制氫裝置共有6臺氣化爐(分別用A、B、C表示)，為了真實準確地探測氣化爐表面各個區(qū)域的溫度，本系統(tǒng)采用溫區(qū)(單支熱點探測器所探測的區(qū)域)的概念將每臺爐劃分為32個溫區(qū)，針對各溫區(qū)選用最佳溫度等級的熱點探測器實現對氣化爐表面溫度的最佳監(jiān)測。
溫度采集系統(tǒng)選用本安溫度采集系統(tǒng)。每臺氣化爐配備1套溫度采集系統(tǒng)，分別接入每臺氣化爐各自的DCS系統(tǒng)。每套采集系統(tǒng)內含1塊母板，2塊電源模塊，2塊網關模塊，9塊溫度輸入模塊，其中1塊溫度輸入模塊用于環(huán)境溫度補償。每套溫度采集系統(tǒng)采集32路熱點探測器信號。
整套本安溫度采集系統(tǒng)放置于現場防護接線箱內。每套溫度采集系統(tǒng)使用2塊段耦合器，實現通信的冗余。
1、熱點探測器的連接方法
昌暉熱點探測器采用兩端連接冗余設計，增加設備的可靠性。通過耐高溫補償導線接入溫度采集系統(tǒng)。熱點探測器安裝示意圖如圖3所示。
2、熱點探測器在氣化爐上的安裝
本項目為6臺氣化爐，爐體直徑為Φ3.2m。每臺氣化爐外表面設32個溫區(qū)，其中拱頂按四象限設8個溫區(qū)，筒體設24個溫區(qū)，共采用32支熱點探測器對氣化爐表面溫度進行監(jiān)測。
熱點探測器固定件由供貨商配套，分為加固夾具和壓板，壓板是保護層。氣化爐爐體在設計時按要求布置爐壁表面溫度檢測點，并畫出固定預焊件螺母的位置，制造廠在壓力容器制造時將預焊件螺母焊接在爐壁上。每臺爐使用約2800個固定螺母，螺母規(guī)格是M6。安裝時壓板上涂以填料，使之與熱點探測器之間的接觸更好，易于元件緊貼爐壁。
熱點探測器從氣化爐頂部到底部，按布置圖敷設，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探測器固定，使熱點探測器與爐體表面接觸良好。壓板內側粘貼耐高溫玻璃纖維帶，不僅能使熱點探測器與爐壁接觸良好，還能有效延緩熱點探測器所及區(qū)域溫度散失，使熱點探測器更加真實反映被測區(qū)域的最高溫度。
氣化爐拱頂處的熱點探測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探測器豎排安裝，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。
熱點探測器通過成套陶瓷接插件與補償導線連接，陶瓷接插件置于不銹鋼接線盒內保護。補償導線另一端穿管或走橋架接入溫度采集系統(tǒng)。通過溫度采集系統(tǒng)接入全廠DCS系統(tǒng)，實現對氣化爐表面溫度的實時監(jiān)測。
3、信號采集系統(tǒng)
信號采集產品是遠程I/O技術、安全柵技術與現場總線技術的完美結合，是一種可以直接放置在危險1/2區(qū)中連接本安開關量或模擬量現場設備的新型總線部件。
該系統(tǒng)由母板以及插在它上面的電源模塊、網關模塊、I/O模塊組成。母板起到分配電源、傳輸數據以及連接現場設備的作用。電源模塊為系統(tǒng)的正常工作提供充足的電源供應。電源模塊的冗余配置確保了整個系統(tǒng)供電的可靠性。網關模塊控制著I/O模塊與控制系統(tǒng)之間的數據通信工作。它肩負著主設備和從設備的雙重任務，網關模塊的冗余配置，確保了系統(tǒng)數據通信的可靠性。
I/O模塊作為外圍設備的接口，處理具有EExiaⅡC防爆等級的現場設備的輸入/輸出信號。母板最多可插接16個I/O模塊，模塊的供電均由母板提供，無需外接電源。所有模塊均可用手進行簡單的插拔而無需借助任何工具。系統(tǒng)內部連接好后，外圍部件即可進行連接。
系統(tǒng)的PROFIBUS-DP地址通過母板上的3個旋鈕進行設定，其最大的地址數為125。如果一個網絡連接的節(jié)點超過32個，就需要通過中繼器和/或段耦合器將該網絡分成幾個網段。段耦合器可將普通的PROFIBUS-DP總線RS485隔離成兩個對等通信的本安PROFIBUS網段，通信速率范圍9.6-1.5Mbps。
熱點探測器優(yōu)勢
1、優(yōu)異的材料特性
熱點探測器采用先進的NTC熱敏材料成分，其電阻可隨溫度劇烈變化，溫度性能測試圖如圖4所示。
熱點探測器內部填充的NTC熱敏材料在常溫(或低溫段)時，阻值為兆歐以上；隨著溫度的上升，阻值迅速降低。在高溫時，可以降到和金屬相當的阻值范圍，有利于形成“臨時”熱接點，對熱點的捕捉能力強。同時，這種NTC材料熱敏電阻常數偏差小，檢測精度優(yōu)良，一致性強。在實際使用過程中，性能非常穩(wěn)定、可靠。
2、先進的工藝-獨特的分級技術
氣化爐爐體表面溫度各個不同部位(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，其表面溫度會有較大差異。為了對氣化爐表面各不同溫度范圍的區(qū)域進行更精密的監(jiān)測，根據熱點探測器材料的新特性及多年經驗，調整了NTC絕緣材料的配比，在熱點探測器上率先采用了分級技術。每一級都制定有最佳工作溫度范圍，以使其性能得到最佳發(fā)揮，極大增強了“熱點”探測能力。
分級方法及原理簡述如下：
①熱點探測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，其電阻值呈指數關系迅速減小。阻值范圍為從兆歐級到歐姆級。
②在-40~900℃的溫度范圍內，將熱點探測器分為7個等級。在每一級特定范圍內NTC絕緣材料的阻值(后簡稱阻值)變化都是從兆歐級到歐姆級。熱點探測器的分級曲線圖如圖5所示。
其中，橫坐標為溫度(從低到高)，縱坐標為阻值。工作在特定范圍內時(如I級在37℃左右，Ⅱ級在93℃左右…)，不同級別的熱點探測器阻值范圍均為從兆歐級到歐姆級。分級后熱點探測器單位溫度阻值變化相比分級前增大，顯著提升了熱點探測器的“分辨率”，實現對氣化爐表面溫度細微的變化更精確、更靈敏的“熱點捕捉”。
熱點探測器實時監(jiān)測氣化爐表面各區(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”溫度，使操作人員直觀了解爐體“熱點”分布情況，從容安排生產，達到“防患于未然”：
①可在-40~900℃之間自行設定報警值；
②從頂部到底部，可水平、垂直鋪設，360°全面覆蓋氣化爐表面；
③可直接連接到DCS系統(tǒng)，無需變送、轉換；
④自動產生mV信號，無需外加電源，系統(tǒng)安裝維護簡單、方便，大大降低成本。
作者：郎微微(中海殼牌儀表工程師)
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