1、2009年 第4期儀表技術與傳感器Instrum ent T echn i que and Sensor 2009 N o 4收稿日期:2009-01-05氣化爐可調防振熱電偶在神華寧煤水煤漿加壓裝置中的應用劉漢杰1,郭中山2,李 馨1,劉自忠2(1.天津市中環溫度儀表有限公司,天津 300021;2.神華寧夏煤業集團有限責任公司甲醇廠,寧夏銀川 750411 摘要:神華寧煤甲醇廠水煤漿加壓氣化爐(GE 氣化爐裝置使用氣化爐可調防振專用熱電偶后,解決了以往氣化爐熱電偶使用壽命短,頻繁更換熱電偶造成 非計劃停車 增多的生產問題,使熱電偶備件費用降低了70%,實現了氣化爐熱電偶國產化,經濟效益顯著

2、。關鍵詞:可調防振熱電偶;無壓燒結亞微米保護管;萬向轉球;限位減振;彈簧中心校正;變徑法蘭組;抽芯兩節式中圖分類號:TP216 文獻標識碼:A 文章編號:1002-1841(200904-0109-03Application of Speci al TC for Texaco i nShenhua N i ng m eiW ater coal Sl urry Pressure Qui p m entL I U H an jie 1,GUO Zhong shan 2,L I X i n 1,L I U Z i zhong 2(1.T ian ji n Zhonghuan T e m peratu

3、re M eter Co .,L td .,T i anjin 300021,Ch i na ;2.Carbinol P lant ,Shenhua N ingxia Coal G roup Co .,L td .,Y i nchuan 750411,Ch i naAbstract :A fte r using t he spec i a l ad j usted anti shock TC designed for T ex aco in w ater coa l sl urry pressure gasify f urnace (GEequ i p m ent ,Shen hua N i

4、ng m e i carb i na l plant so lvetd the o l d proble m s that the use life o f TC w as short and o ften changed caused the non p l an stop run i ng.T he cha rge of TC spare part is reduced 70%.It ach ieves t he texaco T C nati ona l and ga i ns disti nct econom y bene fit .K ey word s :adjusted an t

5、i shock TC ;non pressure sinter sub m i c ron t ube ;adjusted d i recti on ba l;l restr i ct locati on reduce shock ;spri ng center ad j ust ;chang ed dia m eter fl ange g roup ;t wo secti ons struc t ure 0 引言寧夏煤業集團年產25萬t 甲醇生產裝置于2004年9月10日開工建設,是寧東能源化工基地規劃建設的重點項目之一。項目采用德士古全廢鍋流程,是目前世界最先進的節能工藝。該裝置也是國內外

6、甲醇合成及精餾和二甲醚合成及精餾的工業化裝置中設計能力最大的。據了解,自2006年6月10日投料試生產以來,生產過程運行正常,產出的產品全部達到優等品標準。T EXACO 德士古全廢鍋流程氣化爐燃燒室的操作溫度為13501500!,操作壓力2 58 7M Pa .焰氣含有CO 、H 2、CO 2、H 2O 、CH 4、A r 、N 2及H 2S 等組分;由S i O 2、Ca O 、M gO 、Fe 2O 3、A l 2O 3、N a 2O 、K 2O 、Cr 2O 3及ZnO 等構成焰氣煤灰,煤灰熔點為13101370!.燃燒室殼體材質為SA 387GRADE11CLA SS2,內襯耐火襯里

7、。TEXACO 水煤漿氣化爐采用水煤漿進料,在氣流床中加壓氣化,水煤漿與純氧在高溫高壓下反應生成煤氣。T EXA C O 德士古氣化爐具有高溫、高壓、氧化性和還原性氣氛共存、強沖刷、溫度壓力驟變的特殊工況。1 目前測溫熱電偶存在的缺點氣化爐溫度是直接反應氣化爐是否正常運行的最重要參數之一。首先,因為氣化爐內各組分需在一個嚴格控制的溫度(13501500!下才能獲得理想的轉化率;同時,溫度的穩定,能大大提高價格昂貴的耐火磚的使用壽命。所以,必須對溫度進行準確的測量和嚴格的監控。對于提高生產效率、延長設備壽命、確保安全生產、實現環保概念具有重要意義。測溫熱電偶是保證溫度測量正常進行的先決條件,而目

8、前國內外所使用的熱電偶普遍存在溫度漂移大、使用壽命短的缺點。其原因如下:(1在大于1350!的高溫下,對于氣孔率高的套管,爐內的H 2、CO 、F e 、N a 等會對偶絲產生劣化作用,使偶絲在短時間內產生100!以上的溫度漂移,如未能及時發現,這種溫度漂移甚至會達到300!.此時,對溫度的觀測便失去意義,造成爐內 過燒 情況的發生。(2在發生 非計劃停車 時,氣化爐內會發生溫度和壓力的驟變,其變化對保護管的破壞相當嚴重,會導致爐內的H 2和C O 直接進入熱電偶內部,使熱電偶絲產生 氫脆 和 碳中毒 ,從而喪失測量溫度的能力。(3爐內物料沖刷嚴重,如果熱電偶的強度和抗熱振性不強,或者安裝時的

9、測點位置掌握不合理,則在極短的時間內便被振斷或沖折。(4爐內的耐火磚襯里在燃燒過程中會由于沖刷而逐漸變薄,同時熱電偶將由于內襯層的變薄而探入到爐內,此時在強烈的物料沖刷下,熱電偶會瞬間斷裂,損壞率100%。(5在熱電偶的密封結構被破壞的情況下,高溫腐蝕性氣體極易發生泄漏,使安全生產存在極大隱患。這些缺點直接導致的結果是 非計劃停車 增多,燒嘴、內襯等貴重部件由于 過燒 而縮短了使用壽命,不僅使生產運行110Instru m ent T echn i que and Sensor A pr 2009無法保證,而且大大增加了設備運行成本和生產費用,嚴重降低生產效率。2 測溫傳感器的技術性能要求(1

10、耐高溫。在13501500!的高溫下能正常穩定的工作。(2耐高壓。能承受2 58 7M P a的高壓而不被損壞。(3耐腐蝕。能同時抵抗氧化性和還原性氣氛的雙重腐蝕。(4抗沖刷。具有一定的機械強度和可調整的插入長度,主要是當內襯發生變化時,能抵抗物料、煤灰的長期沖刷。(5壽命長。因氣化爐一般在開車2個月左右需要停車檢修,所以要求所使用的熱電偶能保證長時間的連續工作,減少 非計劃停車。即使在溫度壓力驟變的情況下也不被損壞。熱電偶的使用壽命要求3個月。針對這些要求,由某公司研制的 氣化爐可調防振專用熱電偶通過特殊的材料選用和結構設計,滿足了氣化爐工況對溫度傳感器的苛刻要求,并通過近1年運行,其使用效

11、果和反應出的經濟效益均已得到充分的展現。3 氣化爐可調防振專用熱電偶氣化爐可調防振專用熱電偶,也稱水煤漿加壓氣化專用高溫熱電偶,是某公司根據水煤漿加壓氣化的工況特點,專門研制的一種可調防振、耐沖刷、抗氧化、多級阻漏的氣化爐專用熱電偶,現已申報了專利,專利號為200820075479.5。該產品于2007年1月開始立項研制,到2007年6月便正式投入生產,并且其功能已在神華寧夏煤業集團甲醇廠的應用中得以證實。3.1 保護管材料的選用根據氣化爐的工況環境及以上分析,在選擇熱電偶保護管材料時,必需具有良好的機械強度和耐高溫氧化、耐沖擊、耐腐蝕、氣密性好的特性,能同時承受高溫高壓的物料和溶渣對其腐蝕和

12、沖刷的多重作用。3.1.1 外保護套管氣化爐可調防振熱電偶采用進口碳化硅作為外保護套管,該材料是通過無壓燒結亞微米碳化硅粉末制造的,該燒結工藝產生的自結合細晶(小于10 m碳化硅產品具有硬度極大、重量輕且空隙率低等特點,具有陶瓷和金屬的雙重特性。(1高溫強度。即使在超過1750!高溫時仍能可靠地使用。(2高硬度。其硬度是僅次于金剛石的高性能材料之一。(3低氣孔率。小于10 m的超細結晶,經氦氣檢漏測試,其氣孔率幾乎為0,可有效阻止H2和CO通過管壁上的氣孔對熱電偶絲造成損壞。(4高熱導性。與不銹鋼的導熱性相當,是氧化鋁的導熱性的5倍。(5耐磨損。超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨損,能長期抵

13、抗物料的沖刷。(6耐腐蝕、抗氧化。由于碳化硅的高密度、低氣孔率和化學惰性,使得它即使在超高溫度下也能工作于氧化性和還原性氣氛以及強酸強堿的腐蝕性環境中。(7多規格系列性。直徑 10mm 38mm,經過科學推算和實際現場的考證,可調防振熱電偶采用 31 8mm直徑作為外保護套管。3.1.2 內襯套管。為提高外保護管在高溫下承受焰氣和溶渣的強烈沖刷,在碳化硅外套管內襯雙層復合陶瓷管作為內襯保護管,并在復合陶瓷管與碳化硅管之間填充高溫密封物和粘合劑,使其成為復合型多重套管,見圖1 。圖1 復合型多重套管示意圖該復合型保護管的材料選用和工藝配合方法,使套管的整體強度得以提升,并且提高了套管在溫度、壓力

14、驟變時的性能,有效地滿足了氣化爐內需要耐高溫高壓、氣密性好、能同時適應氧化性還原性氣氛、耐腐蝕和抗沖刷的苛刻要求。3.2 熱電偶特殊結構的設計運用氣化爐可調防振熱電偶的主體結構采用了可調防振的設計理念,其突出特征是當氣化爐爐壁襯里厚度發生變化時,熱電偶可通過調節自身的伸縮量來達到最佳的測量位置,測量芯體更換方便,并通過萬向轉球、限位導向管、校正減振彈簧、變徑法蘭組等結構的配合,使該產品具有超強的抗振性、抗沖刷性和準確高效的測溫效果,使用安全性高。3.2.1 主要結構組成熱電偶結構示意圖見圖1 。1#接線盒; 2#萬向轉球;3#小法蘭上片;4#小法蘭下片;5#大法蘭;6#收縮式螺紋套鋼管;7#進

15、口碳化硅外保護管;8#測溫芯體;9#復合型保護管;10#校正減振彈簧;11#限位導向管;12#二級密封阻漏;13#一級密封阻漏圖2 熱電偶結構示意圖3.2.2 結構特點主要結構特點為插入長度可調節。該產品主體由測溫芯體、保護管、限位器導向管、伸縮螺紋套管、校正減振彈簧、萬向轉球和防爆接線盒構成,測溫芯體和插入長度通過收縮式螺紋套管和校正減振彈簧,可以在120mm范圍內進行調節。該插入長度可調的結構設計主要是為解決氣化爐內的兩個工況特點:(1一般情況下,在設計熱電偶的插入長度L時,采用鐵絲第4期劉漢杰等:氣化爐可調防振熱電偶在神華寧煤水煤漿加壓裝置中的應用111鉤探入內襯的方法,L=鐵絲鉤探測的

16、長度-25mm,測多次后取其平均值。而氣化爐內襯為非金屬耐火磚,其內表面是不均勻的。所以只有插入長度可調節,才能滿足不同測點、不同位置時探頭長度均能調整到最佳位置。(2在煤氣化反應進行當中,爐壁襯里的厚度會隨著焦化沖刷被逐漸地減薄,內壁向外擴延。為確保傳感器前端仍然保持在內壁處的最佳測量位置,其長度必須進行相應的縮短調節。根據目前國內外德士古爐工作運行情況的統計,其襯里厚度最大變化量為100mm,所有120mm的伸縮量足以滿足實際生產的需要,并保證安全生產。4 氣化爐可調防振熱電偶在神華寧夏煤業集團甲醇廠的應用該產品目前在神華寧夏煤業集團甲醇廠使用一直處于良好的運行狀態。其結構中的兩個突出特點

17、在現場使用中表現非常明顯。一個是其長度的可調性,滿足了德士古爐在運行中爐壁厚度變化的需要,因此其使用壽命得以提升,自投入使用以來,從未因熱電偶的質量問題造成停車。另一是其變徑雙法蘭組的安裝方式和抽芯式結構的結合運用。氣化爐整個工作流程中涉及預熱、正式測量、更換測溫元件等步驟,所以在氣化爐投料前會產生反復的安裝與拆卸。該熱電偶采用ANS I DN100PN11.0大法蘭與DN50PN11.0小法蘭的變徑雙法蘭組合的形式,并配合測量芯體的抽芯兩節式的結構,可實現大法蘭的最初安裝固定和小法蘭隨測溫芯體隨時進行更換的安裝拆卸方式,即安全又輕便快捷。比如,在預熱爐升溫時,采用K 型熱電偶,當溫度升至10

18、00!時便需更換為B型氣化爐專用熱電偶進行正式測溫,并開始加壓。以往產品采用單一的大法蘭形式,不僅笨重,而且整個產品反復安裝極其不方便,造價也極高。而采用法蘭組和可抽芯式結構后,便可先將與氣化爐連接的DN100PN11.0的大法蘭與氣化爐安裝好,而在更換熱電偶時便不再需要拆換大法蘭,只需更換小法蘭及測溫元件即可。且抽芯式結構使更換產品時只需更換小法蘭以上部分,小法蘭以下及大法蘭套管無需再進行更換或購買,使備件費用降低了70%,同樣實現了維修工作量的減少和良好的經濟效益。從實際的生產運行情況看,該產品非常適合現場的需要,又因其良好的先進性,將具有很廣泛的發展空間。5 結束語通過氣化爐可調防振熱電

19、偶的使用,有效解決了德士古氣化爐生產過程中的溫度測量問題,減少了 非計劃停車,從而延長了整個氣化爐的工作壽命,為企業帶來了顯著的經濟效益。該熱電偶耐腐蝕、抗沖刷、高溫下測量精度高、長度可調節的突出特點填補了國內外氣化爐測溫產品的空白。該產品的研制有效解決了在化肥和煤化工行業中的水煤漿加壓氣化爐(德士古爐中的高溫測量問題。利用特殊的結構形式和合理的材料,使其可在同時具有高溫、高壓及溫度壓力驟變,強沖刷的特殊條件下穩定可靠工作,完全能替代進口產品。實現了氣化爐測溫用熱電偶的國產化。(上接第82頁代入式(14有:D W Tn (a,b=|a|-0 5%N-1n=0cos(2ftn&exp(-

20、t2n/2&cos(5tn &(tn+1-tn(15式中tn =2f(tn-b/a.通過改變尺度因子a和b,使得tn不斷變化,從而實現不同尺度因子的一簇小波去逼近信號。如果5tn =2ftn,小波函數與信號的乘積的累加為最大值(所有的乘積均為正數,小波函數最好地逼近于信號,從而檢測出信號;如果tn =2ftn,小波函數與信號的乘積的累加很小(乘積有正有負。比較不同tn下的DW T值,其最大值對應信號頻率值,可檢測出信號頻譜。3 實驗結果為了驗證兩種頻率估計方法的有效性,基于圖1作了以下實驗:兩種方法在標準胎壓、85%標準胎壓、70%標準胎壓估計得頻率值和耗時,結果如表1所示。表1 不同胎壓下兩種估計方法所得的共振頻率值和運算耗時項目用方法1計算的共振頻率值/H z用方法2計算的共振頻率值/H z用方法1估計所耗時間/s用方法2估計所耗時間/s標準胎壓48 649 16 01330 7314標準胎壓的85%45 3846 46 01390 7309標準胎壓的70%43 2943 56 01270 73174 結束語在不同胎壓狀態下,輪速信號的共振頻率出現了偏移。當胎壓減小時,共振頻率減小;當胎壓增大時,共振頻率相應地增加。兩種方法估得的共振頻率值相差不大,說明兩種方法均可有效提取輪胎共振頻率,實現TPM S系統的監測。實驗結