熱套式熱電偶的工作情況

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　　熱套式熱電偶不少人對于這款產品是陌生的，它其實是用于測量蒸汽管道及鍋爐的溫度，這也是它的主要用途。本文我們來講講熱套式熱電偶的工作情況是怎樣的。
一、熱電偶測溫過程中保護套管引起的誤差
　　安裝在保護套管內的熱電偶在測溫過程中的誤差，除了熱電偶本身的誤差外，保護套管引起的誤差也是不能忽視的。保護套管引起的誤差來源主要有以下三方面：
　　（1）熱電偶的熱點沒有插到保護套管端部并與端部緊密接觸。這時熱電偶所測溫度實際上只是保護套管端部腔內的空氣溫度。
　　（2）保護套管的安裝不當，未能保證熱電偶的熱點位于被測溫度范圍內。其原因有保護套管的長度過長或不足、保護套管的安裝角度不當等。
　　（3）在測量較高溫度時，保護套管暴露在空氣中的部分保溫不妥，由于傳導散熱造成測量誤差。
　　在上述三類原因中，（1）和（3）兩類問題是比較容易解決的，只需要在安裝過程中嚴格按照規定稍加注意即可以避免，而且在運行過程中發現這些問題也可以隨時解決。至于第（2）類問題，由于保護套管安裝后無法隨時改變，必須在設計過程中縝密考慮，在安裝過程中精心施工。
　　通常認為管道中心的溫度最高，而且偏離管道中心后溫度會較快地降低。因此在安裝保護套管時，要求保護套管的端部要略微超過管道中心以保證熱電偶的熱點能位于溫度最高點。這樣做使得保護套管插入管道內的長度較大。
　　一般大容量機組的主蒸汽管道直徑多在300～800mm之間，因此保護套管插入管道的深度約為150～400mm。對于熱電偶而言，這一插入深度并不大。但是對于保護套管來說，由于管道內的介質流速較高，溫度和壓力也高，惡劣的工作條件對于保護管來說是很難承受的。
　　對于中壓機組，其壓力為4MPa、溫度435℃：對于亞臨界機組，其壓力為18MPa、溫度540℃；對于所有機組，流速都達到40～60m／s。
　　在上述工作條件下，為了提高保護套管的強度，需要增加保護套管的壁厚，也就是保護套管的直徑。但是，保護套管壁厚的增加又會降低熱電偶的動態特性。因此，不得不將保護套管作成錐形，使得套管端部壁薄而根部壁厚。在采取這一措施后，用于機組主蒸汽管道上的熱電偶保護管仍然經常發生斷裂事故。
　　美國某咨詢公司提供過使用316SS（0Cr18Nil2M02Ti）不銹鋼材料制造的保護套管在不同溫度、壓力和流速下的zui大允許插入深度。數據是僅就材料強度而作的限制。根據數據可以看出，介質壓力越高、流速越高、溫度越高時，由于保護套管強度的限制，允許插入深度越短。
　　二、熱套式電偶
　　在這一情況下，人們開始考慮縮短保護套管的插入深度，打算以犧牲測量精度的方式來提高保護管的可靠性。但是對于主蒸汽管道上的熱電偶而言，測量精度又是要求最高的。因此，縮短保護套管插入深度的設想始終未能實施。七十年代初期，英國中央發電局CEGB（CentralElectricityGeneratingBoard）編寫的《現代電站實踐》一書（ModemPowerStationPractice）第2版引入我國，書中介紹了CEGB開發的具有蒸汽套的熱電偶保護套管。在熱電偶保護套管和安裝套管之間留有足夠的空間作為熟套，進入熱套中的蒸汽可以對保護管加熱。保護管的中部有一個三角形的棱柱，以保證蒸汽可以順利地進入熱套，棱柱支持在蒸汽管道的開孔內，用以保持熱電偶保護套管的位置，并允許套管在溫度變化時能沿軸向自由移動。保護套管的尺寸正好使熱電偶的熱點位于管道中心線。開發這種保護套管的目的是為了減少溫度測量的時延。這種保護套管的時延比…般保護套管的時延要小，書中還提供了與其它形式保護套管比較的試驗曲線。
　　在CEGB型保護套管的啟發下，基于當時的認識水平，我們認為如果熱電偶被蒸汽加熱部分的長度不變，則插入管道的深度縮短對測量精度的影響應該是不大的。在這一思路的指導下，七十年代中期，由電力部所屬某研究所和一機部儀表局所屬某儀表廠聯合開發了用于測量主蒸汽溫度的熱套式保護套管。保護套管的結構與CEGB的保護套管基本接近。為了穩妥起見，防止保護套管斷裂后落入管道造成更大的事故，保護套管的棱柱部分作成錐形。在安裝時，將棱柱的錐面壓緊在管道開孔上以確保保護套管的棱柱錐面在管壁上牢固地固定。熱套式保護套管在中壓機組上應用時并沒有發現斷裂問題，但是隨著蒸汽參數的不斷增高，熱套式保護套管也出現了斷裂現象。
　　三、故障原因的分析
　　熱套式保護套管的安裝步驟如下：
　　（1）在被測介質的管道上開孔。為了使保護套管的三角錐面牢固地安裝在管壁上，可先鉆一個直徑38mm的通孔，再擴大到直徑42mm，擴孔時將直徑38mm的孔保留10mm長。
　　（2）焊接安裝套管。安裝套管的長度，應確保保護套管的三角錐面牢固地抵在直徑38mm的孔內。
　　（3）插入保護套管。當保護套管的三角錐面已與38mm孔密合時，保護套管和安裝套管之間應留有足夠的焊接間隙。
　　（4）將保護套管焊接在安裝套管上。
　　從熱套式保護套管的結構和安裝方式可以看出，在安裝時要求將保護套管的棱柱錐面壓緊在管道開孔上，以確保保護套管的棱柱錐面在管壁上牢固地固定。當溫度升高后，由于保護套管和安裝插座的溫升不同，保護套管的溫度明顯高于安裝插座，保護套管的膨脹也大于安裝插座。但是，熱套式保護套管的安裝方式使得保護套管和安裝套管之間無法產生位移，因此在機組運行過程中保護套管始終受到壓應力，而安裝插座始終受到拉應力。在長期運行和多次啟停后，套管受到應力的影響就可能導致斷裂。在中壓機組上，由于材料的強度足夠，斷裂的可能性小；當壓力增高后，由于接近材料的強度極限，斷裂的情況就容易發生。
　　四、熱套式熱電偶的效果
　　使用熱套式熱電偶后，測量主蒸汽溫度的熱電偶插入深度已由150mm左右縮短到80mm左右。為了弄清熱套式熱電偶的效果，曾與插入管道中心線的熱電偶進行過多次對比。對比的結果是，兩種不同插入深度的熱電偶，所測得溫度的差值不大于3℃，沒有超過熱電偶的允許誤差。由于當時對管道內介質的溫柔度分布情況不夠了解，因此就錯誤地認為熱套式熱電偶保護套管的開發是成功的。
　　七十年代末期，我國從幾個國家進口了一批大容量機組。在對它們進行調查研究后發現，所有機組的主蒸汽熱電偶的熱點都沒有按照傳統的做法插入到管道的中心，插入深度都已縮短，但是保護套管仍采用傳統的結構，并未使用蒸汽熱套等方式。這些機組主蒸汽熱電偶的插入深度見表2。
　　這一情況引起了我國火電廠自動化專業工作人員的注意，部分專業工程技術人員進行了大量的分析和試驗工作，終于將這一問題弄清了。
　　五、汽、水流體的溫度場
　　流體在管道中沿直徑方向的溫度場是隨著流體流速不同而改變的。當流體的流速較低、雷諾數低于臨界值（2200）時，流體的流動為層流狀態。管道內的流體流速以管道中心為最高，離開中心線后流速會很快的降低并沿管道直徑方向呈拋物線形變化。而管道截面上的溫度分布情況與流速分布情況相似，也是管道中心溫度最高，越接近管壁，溫度就越低。其溫度場也類似拋物線形，因此，在層流流體的管道中測量溫度時，必須將熱電偶的熱點準確安置在管道中心。
　　當管道中的流體流速較高、其雷諾數超過臨界值時，流體的流動為紊流狀態。這時，管道內流體分子相互作用加強，以至只有緊靠管壁的一薄層流體還保持著層流特性。流體大部分截面上的流速幾乎是相同的，而管道內溫度場的情況也類似，因此，在紊流流體的管道中測量溫度時，只需將熱電偶的熱點插入流體的等溫區就可以準確地測量出流體的溫度，而插入深度完全無需達到管道的中心。根據在一臺200MW機組上的試驗結果，對于直徑為273X20mm的主蒸汽管道，熱電偶的熱點在管道內插入50mm即可進入流體的等溫區。
　　根據上述理論分析和試驗結果，結合國外進口機組情況，可以看出：在紊流流體的管道中測量溫度時，熱電偶保護套管的插入深度選擇在65～90mm之間就可以準確地測量出流體的溫度。目前市場上熱電偶保護套管的插入深度系列一般均為50、100、150mm等，為了穩妥起見，選用插入深度100mm顯然是zui合理的。
　　為了提高熱電偶和熱電阻保護套管的工作可靠性，在火力發電廠中，主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度和給水溫度等高溫高壓介質的溫度測量，都可以采用上述減少保護套管插入深度的方式進行測量。這些管道中的介質在工作過程中，其雷諾數始終是超過臨界值的。
　　六、結論
　　（1）由于受到材料強度的限制，在高溫、高壓和高流速管道中，熱電偶保護套管的插入深度是有限的。在大多數情況下，是不能插入到管道中心線的。
　　（2）由于高速流體在管道截面上的溫度分布特性，在高溫、高壓和高流速管道中，熱電偶保護套管插入深度超過50mm就可以準確地測量管道內介質的溫度。
　　（3）專門開發的熱套式保護套管，對于準確地測量管道內介質的溫度并沒有任何幫助，相反地還可能帶來事故，完全沒有繼續使用的價值。
　　（4）在高溫、高壓和高流速管道中測量溫度時，建議采用國際上通用的保護套管形式。

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