温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。在20世纪和本世纪工业化进程中,温度测量仪表在电力、石油化工产业的应用中也随着超临界、超超临界热电厂,大炼油,大化肥及石油大化工等新项目的应用而不断发展。


随着可持续性发展的战略方针逐渐在国家立项审批过程中越来越被注重,更多的国外先进技术被引入和吸收,如异丁烷脱氢、丙烷脱氢的UOP 工艺包,煤制天然气的甲烷化DAVY 工艺包,托普索合成氨、施拉姆大化肥的工艺包等。众多先进工艺引进的同时,国内化工技术也取得了突破性的进展,特别是在煤化工领域的气化工段,各家博采众长,根据国内各地煤质不同相继研发出航天炉、清华炉、五环炉、鲁西炉、中科院气化炉等,随着工艺技术的提升,也使得温度仪表的技术要求与制造规范展现给国内温度仪表厂商一个全新的面貌。传统的温度仪表设计理念受到震撼,简单落后的产品选型受到冲击。目前的现状是,很多高端的温度仪表技术掌握在国外同行中,特别是温度变送器国内的需求市场几乎被独霸,导致国内的生产厂商只能在温度传感器的常规产品上争抢比拼。“尽快学习国外的先进技术,提升国内温度仪表生产的整体水平”是摆在每一个企望提升自身,强大中国温度仪表民族水平的企业家面前的愿望与使命。


近年来国内温度仪表厂商也在不断地调整自身企业,许多厂家新置或扩建了新的厂房,购置了新的设备,厂容厂貌也焕然一新,在产品制造上基本淘汰了装配式元件,采用了铠装式元件,温度传感器套管从普遍使用的无缝钢管到现在采用的钢棒单端整体钻孔套管。

由于温度传感器套管质量的提高使得温度传感器保证了长周期运行,在线可以更换检测元件,可以说在常规产品的工艺及加工流程上与国外同类产品相差无几。但在特殊产品上和加工细节及零配件上还是有一些差距,国内厂商也在不断地改进这种状况。只是在产品价格、供货周期及服务上,国内厂家占有明显的优势了。许多企业通过摸索和自身的努力使企业都在不同的领域找到了自己的定位,以在某一领域所拥有的独门绝技或专攻某一行业而使企业得以发展。通过实践总结出,温度仪表行业不是靠“大而全”,而是靠“专精特”来发展的。还有许多企业为国外知名公司做OEM,或出口配套,国内企业越来越重视技术的创新工作,每年温度行业企业申报的专利就达几十项,体现了各企业对知识产权的重视。由于该行业的特殊性,许多加工设备都是非标的,因此基本设备都是企业自己研发制造。各企业的技术基础和加工能力的不同,导致所制造的专用设备也存有很大的差异。幸好有同行企业在制造出售一些专用设备,为行业水平的提升做出了贡献,行业目前在有些方面也面临着许多问题和需要完善的地方,例如专门从事温度仪表的技术人员不好找,以前有专科的仪表学校和国企仪表企业专门培训技术人员现在国企基本都转制减员了,除个别还具有一些规模外,其他企业当年的辉煌已不复存在。对于民营企业的快速崛起面临着技术人员匮乏也是当前各企业的实际问题,部分企业过分重视市场的销售工作,忽略了产品的研发和提升产品性能的测试工作,能够具备企业自己做产品全性能试验的厂家还为数不多,企业也缺少熟悉和掌握产品全性能试验的技术人员。温度仪表专业协会也在积极的针对目前行业所存在的共性问题列入协会的工作日程当中,相信在同业共同努力下,国内温度仪表企业在开拓了高精尖温度市场的同时,需求催生压力,压力产生动力,动力促进发展,中国的温度仪表领域毕竟会加快追赶甚至赶超国外技术的步伐。

1 温度仪表在各类应用场合举例

主动学习、不断进取是中华民族的优良传统。在国外工艺包引进的同时,先进的温度仪表技术的学习平台也随之搭建,国内温度企业如饥似渴地汲取着丰富的养分。如用于GE气化炉的高温热电偶、用于石化的刀刃热电偶、用于核工业中的铠装热电偶、用于LNG储罐中的温度变送器等等。下面,以几个应用现场为例,说明各企业对不同工况的理解和相应的产品设计制造方案与应用。

1.1 煤化工行业中GE气化炉

1.1.1 工况特点

GE气化炉具有高温、高压、氧化性和还原性气氛共存、强冲刷、温度压力骤变的特殊工况。燃烧室操作温度为1350℃~1500℃,操作压力2.5~8.7MPa。焰气含有CO、H2、CO2、H2O、CH4、Ar、N2及H2S等组分;煤灰熔点为1310℃~1370℃。燃烧室壳体与内衬耐火砖因受热膨胀系数不同,易发生相互剪切。最关键的是,因气化炉内冲刷磨损极为严重,所以温度计的测点必须位于距炉墙内壁15~25mm处。但是炉壁在砌制过程中难以保证均匀一致,而正因炉内冲刷和磨损的存在,炉壁在生产进程中会发生不可避免的逐渐减薄的变化。

1.1.2 对温度计的性能要求

由于上述的特殊工况,要求测温传感器必须具备的性能包括:能承受达1600℃的高温和8.7MPa的高压;能同时抵抗氧化性和还原性气氛的双重腐蚀;具有可调整的插入长度和可随动的结构,当内衬发生厚度变化和扭曲剪切时,能进行相应的结构变化。

1.1.3 解决方案

针对这些要求,由天津某仪表公司研制的“气化炉可调防振热电偶”通过特殊的材料选用和结构设计,满足了气化炉工况对温度传感器的苛刻要求,是一种可调防振、耐冲刷、抗氧化、多级阻漏的气化炉专利产品。

首先,热电偶的主体结构采用可调防振的设计理念,其突出特征是当气化炉炉壁衬里厚度发生变化时,热电偶可通过伸缩结构±100mm范围内进行调节,以实现测量元件始终保持在最佳位置。当炉壳和内衬发生剪切时,利用万向转球可使探头随倾斜而进行旋转,并在限位管和减振弹簧的作用下,使振动得以缓解,避免了热电偶在炉墙发生变形时,产生应力剪切造成折断。具有多级阻漏的结构设计,如果热电偶套管发生损坏,可防止炉内气体通过套管与大气对流,致使炉内高温传导甚至泄漏而发生的安全隐患,体现安全意识和环保理念。

其次,保护管材料采用通过无压烧结亚微米碳化硅粉末制造的进口碳化硅材料,该材料具有陶瓷和金属的双重特性,即使在超过1750℃高温时,仍能可靠的使用,但其热导性与不锈钢相当,是氧化铝的5倍;其硬度是仅次于金刚石的最硬的高性能材料之一;小于10μm的超细结晶,经氦气检漏测试,其气孔率几乎为0,可有效阻止H2和CO通过管壁上的气孔对热电偶丝造成损坏;超高的硬度和密度,使其具有理想的耐磨损性能,能长期抵抗物料的冲刷,即使在超高温度下也能工作于氧化性和还原性气氛,以及强酸强碱的腐蚀性环境中。

1.2 石油炼油化工行业的刀刃式热电偶

1)在石油炼油工业中,加热炉、常压塔、催化裂化装置、分馏塔、加氢装置是燃料加工方案中不可缺少的设备,为保证装置的安全运行和化学反应的顺利进行,各种参数控制必不可少,这里简单介绍一下加热炉炉壁温度测量的实现。

2)刀刃式表面热电偶用于对加热炉炉壁,炉管表面温度测量。其测温过程是刀刃测量端通过热电偶定位卡将刀刃焊接在炉壁、炉管部位上,炉壁、炉管温度通过刀刃头传热到热电偶丝,偶丝将感受到的温度转换成热电势信号,再传送到仪表系统,实现温度显示、控制。

3)我国的中石油、中石化及其他化工、油类储存企业,对刀刃式表面热电偶需求量大。由于被测温物体与本热电偶的刀刃头的刀刃焊接存在“特殊性”,而传统的刀刃头是直接利用本热电偶铠装元件管磨削而成。

因铠装管管壁薄,磨削后焊接时易焊穿,容易造成整支热电偶报废。为攻克这一难关,经过创新改变结构,专门另配刀刃头再将它与热电偶铠装管组装焊接。结果,方便了用户焊接,增加了牢固性,也不会损伤热电偶。

4)主要性能

① 特性:耐高温,耐氧化,耐腐蚀,测温准确、迅速,自适应热膨胀。

② 正常使用温度:0℃~1200℃,最高使用温度为1300℃。


1.3 核辐照环境中的铠装热电偶

K型(镍铬-镍铝)铠装热电偶可以在核电站核辐照环境中使用,铠装热电偶安装在安全壳内,测量端部分插在反应堆压力壳内,快速插拔连接器在压力壳外,核岛一旦运行,整套装置是不能有人靠近检修的,所以可靠性在核电厂至关重要。

1)在高温气冷堆中,多点式铠装热电偶从压力壳穿出,采用贯穿件结构,较好地实现了穿越密封问题



2)快速插拔连接器是为了在故障时维修人员能够在最短时间内进行检修,但连接器接触不良故障时有发生,除选用最好品牌的产品外,还应对增加插针冗余和防护外壳,以提高可靠性。

1.4 温度传感器在环保领域,特别在“固定污染源连续监测系统CEMS2000B”中的应用

为了监督存在污染物排放单位的排放指标,安装固定污染源连续监测系统CEMS2000B,一方面便于对当前排放指标的了解和控制,另一方面通过互联网便于环保部门的监督。该系统采用全热法的原理,对温度要求特别高,因此对其中的温度传感器Pt100的安全性和准确性非常重要。

杭州某公司生产的CEMS2000B分为(0℃~250℃)和(0℃~650℃),高温主要用于脱硝工艺的温度监测。该温度传感器性能稳定,大量节约了售后服务费用,提高了产品信誉。

两个温度范围的测量系统,前述为0℃~250℃;0℃~650℃于2012年底用该公司成功研制和生产的“零温漂”高精度智能一体化温度变送器得到彻底解决。

1.5 温度传感器在制药领域,特别在隧道烘箱及灭菌柜等设备上的应用

最典型的是用在丽珠集团丽珠制药厂隧道烘箱上的应用。第一,工作温度高,350℃左右能长期工作,准确度有保障;第二,不污染环境;第三,电缆经得起弯直的经常性的高温环境下的升降变化不坏。

灭菌的温场测试及穿透测试,它的工作环境非常恶劣,有蒸汽,不使用金属的铠装方式。关键的问题是解决密封问题和元件的可靠性和准确性问题。

1.6 温度仪表在天然气LNG中游储运设备上的解决方案

LNG储罐是终端站中的关键设备,其绝热性及密封性的好坏直接影响到LNG的蒸发和泄漏速度,即LNG的损耗速度和使用率。作为低温容器,LNG储罐必须满足国家及行业标准中的相关技术要求,温度测量尤为重要,以下介绍多通道温度变送器和多点热电阻在LNG储罐上的测量解决方案。

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