温度是天然气净化装置生产的一个重要工艺参数, 常用的接触式工业用温度测量仪表有热电阻、热电偶、双金属温度计等。天然气净化装置也采用这类测温仪表。
重庆天然气净化总厂忠县分厂(以下简称忠县净化厂)于2005年5月20日建成投产, 天然气处理量为2×300×104 m3/d。由于热电偶具有测量精度高、测量范围广、结构简单、使用方便等优点, 而热电阻、双金属温度计的应用工况条件有一定的局限性, 因此忠县净化厂大量采用热电偶作为测温仪表。忠县净化厂使用的热电偶分度号有S、E、K、T型, 共计121支, 其中T型91支、S型4支、K型8支、E型18支。
热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的。它是将两种不同金属导体的一端焊接在一起构成热电极, 焊接的一端作为热端, 另一端作为冷端。测量时将热电偶的热端置于被测温度场中, 冷端处于环境温度下, 由于热电偶冷热两端的温度不同, 在热电偶上将产生与冷热两端的温度差大小有关的热电势, 测量时若保持冷端温度不变, 热电偶的热电势就是所测温度的单值函数。这样, 测出热电势的大小, 就可知道所测温度的大小。忠县净化厂热电偶测温回路主要由热电偶、补偿导线、温度变送器、DCS系统组成, 如图 1所示。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差, 并有统一的标准分度表的热电偶。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶, 一般也没有统一的分度表, 主要用于某些特殊场合的测量。
标准热电偶是指我国从1988年1月1日起, 全部按IEC国际标准生产, 并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准分度号的热电偶。热电偶的类型、分度号和温度范围见表 1[1]。
热电偶一般都是在冷端温度为0℃时进行分度的。由于冷端温度(环境温度)是变化的并且很难保持在0℃不变, 这样就会产生较大的测量误差。为了提高测量精度, 一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿。通常是用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内, 连接到仪表端子上。必须指出, 热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极, 使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上, 它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响, 不起补偿作用。因此, 还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。同时, 在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配, 极性不能接错, 补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
热电偶在使用前应预先进行校验或检定。热电偶经一段时间使用后, 由于热电偶的高温氧化、外来腐蚀和污染、晶粒组织变化等原因, 热电偶的热电特性逐渐发生变化, 使用中会产生测量误差, 有时此测量误差会超出允许范围。为了保证热电偶的测量精度, 必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种:比较法和定点法。忠县净化厂热电偶执行的检定周期为一年, 热电偶检定单位为重庆天然气净化总厂质量计量检测站(以下简称质量计量检测站), 其采用的检定方法为“比较法”。
2007年忠县净化厂新购9支“T”分度号的热电偶芯, 精度等级为Ⅰ级, 长度分别为L=300 mm、L=350 mm、L=400 mm, 经质量计量检测站检定, 检定结果因出现负偏差均不符合Ⅱ级允差要求, 检定不合格率为100%。结合装置每年的大修工作安排, 经质量计量检测站对在用的T型热电偶进行检定, 其检定不合格率达到40%以上。对两次大修期间检定不合格的T型热电偶总计85支进行统计, 发现其偶芯长度小于等于400 mm为81支, 占不合格总数的95.3%。
不合格原因分析:①根据国家计量检定规程JJG368-2000《工作用铜、铜镍热电偶检定规程》第3.1.1条的规定“热电偶测量端和参考端的插入深度不得小于200 mm”。在实际的检定过程中, 热电偶芯长度小于等于400 mm, 均需使用补偿导线才能满足检定规程关于“插入深度不得小于200 mm”的要求。②热电偶正极“铜”的热传导系数过大。由于上述原因, 热电偶参考端和测量端过于接近, 加之热电偶正极“铜”的热传导系数远远高于其负极“铜镍”, 造成热电偶参考端正极与负极出现温度梯度, 而补偿导线接在热电偶接线柱上并未与热电偶电极相连, 从而导致不能有效地延长热电偶参考端, 极易造成计量检定时出现负偏差。
整改措施:忠县净化厂共有T型热电偶91支, 其中热电偶芯长度小于等于400 mm共有68支。为避免每年周期检定时不合格更换大量T型热电偶芯造成生产成本浪费, 计划在2010年忠县净化厂装置大修期间, 将热电偶芯长度小于等于400 mm的T型热电偶全部更换为长度为600 mm热电偶。此外, 建议设计选型时, 在选用T型热电偶时可以考虑用热电阻来替代。
TE-1201Ⅰ为T型热电偶, 测量脱硫再生塔塔顶温度, 属天然气净化装置的重要参数, 其控制的好坏直接决定MDEA溶液的再生效果, 从而直接影响产品天然气的质量。在生产过程中发现其测量值波动较大, 故障发生的时间没有规律。
原因分析:该故障由接线不规范而导致接触不良引起。由于热电偶的补偿导线均为单芯硬线, 在忠县净化厂建厂施工时, 施工人员为了接线方便, 在接线箱中将TE-1201Ⅰ的分支补偿导线和对应主电缆中补偿导线的正负信号线分别用线鼻子压接在一起, 然后再通过线鼻子固定在接线箱的端子排上, 如图 2所示。TE-1201Ⅰ所在的接线箱安装位置存在一定的震动, 导致线鼻子压接补偿导线处接触不良, 从而引起其测量值间隙性的波动较大。
整改措施:取消TE-1201Ⅰ的分支补偿导线和对应主电缆中补偿导线的正负信号线采用线鼻子压接的连接方式, 改为将其补偿导线正负信号线通过接线箱的接线端子排一一对应压接, 调整后TE-1201Ⅰ测量值正常。如图 2所示。
TE-14252AⅠ、TE-14252BⅠ、TE-14252CⅠ为E型热电偶, 热电偶芯长分别为L/ℓA=1106/956 mm、L/ℓB=1335/1185 mm、L/ℓC=1564/1414 mm, 是三支热电偶装配在一个保护套管(保护套管的外径为Φ16 mm)内, 分别用于测量Ⅰ套硫磺回收装置一级反应器的上部、中部、底部床层温度(正常生产时床层温度为:上部235℃左右、中部300℃左右、底部310℃左右)。据操作人员反应, 这三支热电偶在使用过程中测量值急剧上升, 在短时间内测量值便超过量程值(量程为0℃~900℃)而显示无效值。
原因分析和处理措施:初步原因分析为一级反应器内液硫发生燃烧, 产生高温导致热电偶的铠装护套管(护套管的材质为1Cr18Ni9Ti)被烧穿孔, 热电偶芯被烧断, 从而导致热电偶的测量值超过量程值。经仪表人员现场检查发现, 打开热电偶接线盒时, 有一束水蒸汽冒出, 没有出现热电偶护套管被烧穿导致酸气泄漏的现象。将热电偶芯取出, 用电吹风吹干复位后, 测量值正常。产生此次故障的主要原因为:在该故障出现之前刚下过一场大雨, 雨水顺防爆挠性管在其与热电偶接线盒连接螺纹处渗入热电偶护套管内, 由于热电偶护套管内的温度高, 雨水立即汽化为水蒸汽, 又由于热电偶护套管是一个相对密闭的空间, 导致热电偶的冷端温度远大于实际的环境温度, 在冷端产生热电势叠加效应, 从而导致热电偶的测量值出现超量程值的故障发生。为避免类似故障再次发生, 对防爆挠性管与热电偶接线盒重新连接, 并作防雨水渗漏处理。
TE-14201Ⅰ/Ⅱ为S型热电偶, L/ℓ=700/550 mm, 保护套管的外径为Φ16 mm, 用于测量两套硫磺回收装置主燃烧炉的炉膛温度(正常生产温度约为1100℃左右)。这两支热电偶自2005年5月装置开产以来至2009年6月, 使用效果一直不好, 每次投入使用后不久均因热电偶芯受酸气污染变质而导致测量值偏低故障。主燃烧炉热电偶安装位置示意图如图 3所示。
整改措施:
(1) 对热电偶进行重新选型。2005年5月装置开产时, 这两支热电偶保护套管的材质为不锈钢(1Cr18Ni9Ti), 由于选型不当, 不锈钢材质无法承受主燃烧炉运行时的高温环境, 导致热电偶在使用后不久因保护管融化而变形, 从而导致两支热电偶先后损坏无法测量。2006年5月装置大修期间对这两支热电偶重新选型安装, 将保护套管的材质由不锈钢(1Cr18Ni9Ti)改为耐高温的刚玉管材质。
(2) 对热电偶的安装套管进行整改。整改部分为:①主燃烧炉制造时, 炉外部分的安装套管与炉壁焊接不垂直(安装套管的中心线与主燃烧炉炉壁不垂直), 热电偶的安装通道在安装套管与主燃烧炉炉壁焊接处存在拐点, 易导致热电偶保护套管在该处破裂; 2007年5月装置大修期间对此进行了整改。②安装套管为DN20无缝钢管, 且贯穿保温层内; 热电偶自带的刚玉保护套管(用于保护热电偶芯)外径为Φ16 mm, 和安装套管的安装间隙小, 当主燃烧炉高温运行时, 因耐火层内的安装套管变形易导致刚玉管破裂, 从而导致两支热电偶先后损坏无法测量。2008年5月装置大修时, 将热电偶深入保温层内的安装套管长度缩短, 仅保留20 mm, 并重新安装新的S型热电偶。
(3) 对热电偶的保护套管进行处理。2009年6月装置大修时对这两支在用的热电偶进行检查发现刚玉保护管没有破裂; 在刚玉保护管和安装法兰连接处有小裂纹, 酸气由此进入热电偶导致热电偶芯污染变质, 先后损坏无法测量; 针对这种情况, 在安装之前对S型热电偶刚玉保护管和安装法兰连接处涂上一层金属修补剂, 保证热电偶护套管的密封性。从2009年7月至今, 这两支S型热电偶运行正常。
上述问题仅是忠县净化厂投产以来热电偶在使用过程中发生的几个比较有代表性的问题, 其处理措施希望能对热电偶的用户有所帮助。当然, 热电偶使用的好坏取决于许多因素, 如设计选型、使用工况条件、维护保养等。目前忠县净化厂在用的121支热电偶工作稳定、测量准确, 满足净化装置的生产要求。
2010, Vol. 39 Issue (4): 300-303
2010, Vol. 39 Issue (4): 300-303