热套式热电偶工作情况的分析

热套式热电偶工作情况的分析发表时间:2003-2-9作者：饶纪杭一、热电偶测温过程中保护套管引起的误差安装在保护套管内的热电偶在测温过程中的误差，除了热电偶本身的误差外，保护套管引起的误差也是不能忽视的。保护套管引起的误差来源主要有以下三方面：(1)热电偶的热点没有插到保护套管端部并与端部紧密接触。这时热电偶所测温度实际上只是保护套管端部腔内的空气温度。(2)保护套管的安装不当，未能保证热电偶的热点位于被测温度范围内。其原因有保护套管的长度过长或不足、保护套管的安装角度不当等。(3)在测量较高温度时，保护套管暴露在空气中的部分保温不妥，由于传导散热造成测量误差。在上述三类原因中，(1)和(3)两类问题是比较容易解决的，只需要在安装过程中严格按照规定稍加注意即可以避免，而且在运行过程中发现这些问题也可以随时解决。至于第(2)类问题，由于保护套管安装后无法随时改变，必须在设计过程中缜密考虑，在安装过程中精心施工。通常认为管道中心的温度最高，而且偏离管道中心后温度会较快地降低。因此在安装保护套管时，要求保护套管的端部要略微超过管道中心以保证热电偶的热点能位于温度最高点。这样做使得保护套管插入管道内的长度较大。一般大容量机组的主蒸汽管道直径多在300～800mm之间，因此保护套管插入管道的深度约为150～400mm。对于热电偶而言，这一插入深度并不大。但是对于保护套管来说，由于管道内的介质流速较高，温度和压力也高，恶劣的工作条件对于保护管来说是很难承受的。对于中压机组，其压力为4MPa、温度435℃：对于亚临界机组，其压力为18MPa、温度540℃；对于所有机组，流速都达到40～60m／s。在上述工作条件下，为了提高保护套管的强度，需要增加保护套管的壁厚，也就是保护套管的直径。但是，保护套管壁厚的增加又会降低热电偶的动态特性。因此，不得不将保护套管作成锥形，使得套管端部壁薄而根部壁厚。在采取这一措施后，用于机组主蒸汽管道上的热电偶保护管仍然经常发生断裂事故。美国EBASCO咨询公司提供过使用316SS(0Cr18Nil2M02Ti)不锈钢材料制造的保护套管在不同温度、压力和流速下的最大允许插入深度，具体数据见表1。表中数据是仅就材料强度而作的限制。根据表列数据可以看出，介质压力越高、流速越高、温度越高时，由于保护套管强度的限制，允许插入深度越短二、热套式电偶在这一情况下，人们开始考虑缩短保护套管的插入深度，打算以牺牲测量精度的方式来提高保护管的可靠性。但是对于主蒸汽管道上的热电偶而言，测量精度又是要求最高的。因此，缩短保护套管插入深度的设想始终未能实施。七十年代初期，英国中央发电局CEGB(CentralElectricityGeneratingBoard)编写的《现代电站实践》一书(ModemPowerStationPractice)第2版引入我国，书中介绍了CEGB开发的具有蒸汽套的热电偶保护套管，其结构如图1所示。在热电偶保护套管和安装套管之间留有足够的空间作为熟套，进入热套中的蒸汽可以对保护管加热。保护管的中部有一个三角形的棱柱，以保证蒸汽可以顺利地进入热套，棱柱支持在蒸汽管道的开孔内，用以保持热电偶保护套管的位置，并允许套管在温度变化时能沿轴向自由移动。保护套管的尺寸正好使热电偶的热点位于管道中心线。开发这种保护套管的目的是为了减少温度测量的时延。这种保护套管的时延比…般保护套管的时延要小，书中还提供了与其它形式保护套管比较的试验曲线。在CEGB型保护套管的启发下，基于当时的认识水平，我们认为如果热电偶被蒸汽加热部分的长度不变，则插入管道的深度缩短对测量精度的影响应该是不大的。在这一思路的指导下，七十年代中期，由电力部所属某研究所和一机部仪表局所属某仪表厂联合开发了用于测量主蒸汽温度的热套式保护套管。保护套管的结构与CEGB的保护套管基本接近。为了稳妥起见，防止保护套管断裂后落入管道造成更大的事故，保护套管的棱柱部分作成锥形。在安装时，将棱柱的锥面压紧在管道开孔上以确保保护套管的棱柱锥面在管壁上牢固地固定。热套式保护套管的结构和安装如图2所示。热套式保护套管在中压机组上应用时并没有发现断裂问题，但是随着蒸汽参数的不断增高，热套式保护套管也出现了断裂现象。三、故障原因的分析热套式保护套管的安装步骤如下：(1)在被测介质的管道上开孔。为了使保护套管的三角锥面牢固地安装在管壁上，可先钻一个直径38mm的通孔，再扩大到直径42mm，扩孔时将直径38mm的孔保留10mm长。(2)焊接安装套管。安装套管的长度，应确保保护套管的三角锥面牢固地抵在直径38mm的孔内。(3)插入保护套管。当保护套管的三角锥面已与38mm孔密合时，保护套管和安装套管之间应留有足够的焊接间隙。(4)将保护套管焊接在安装套管上。从热套式保护套管的结构和安装方式可以看出，在安装时要求将保护套管的棱柱锥面压紧在管道开孔上，以确保保护套管的棱柱锥面在管壁上牢固地固定。当温度升高后，由于保护套管和安装插座的温升不同，保护套管的温度明显高于安装插座，保护套管的膨胀也大于安装插座。但是，热套式保护套管的安装方式使得保护套管和安装套管之间无法产生位移，因此在机组运行过程中保护套管始终受到压应力，而安装插座始终受到拉应力。在长期运行和多次启停后，套管受到应力的影响就可能导致断裂。在中压机组上，由于材料的强度足够，断裂的可能性小；当压力增高后，由于接近材料的强度极限，断裂的情况就容易发生。四、热套式热电偶的效果使用热套式热电偶后，测量主蒸汽温度的热电偶插入深度已由150mm左右缩短到80mm左右。为了弄清热套式热电偶的效果，曾与插入管道中心线的热电偶进行过多次对比。对比的结果是，两种不同插入深度的热电偶，所测得温度的差值不大于3℃，没有超过热电偶的允许误差。由于当时对管道内介质的温柔度分布情况不够了解，因此就错误地认为热套式热电偶保护套管的开发是成功的。七十年代末期，我国从几个国家进口了一批大容量机组。在对它们进行调查研究后发现，所有机组的主蒸汽热电偶的热点都没有按照传统的做法插入到管道的中心，插入深度都已缩短，但是保护套管仍采用传统的结构，并未使用蒸汽热套等方式。这些机组主蒸汽热电偶的插入深度见表2。这一情况引起了我国火电厂自动化专业工作人员的注意，部分专业工程技术人员进行了大量的分析和试验工作，终于将这一问题弄清了。五、汽、水流体的温度场流体在管道中沿直径方向的温度场是随着流体流速不同而改变的。当流体的流速较低、雷诺数低于临界值(2200)时，流体的流动为层流状态。管道内的流体流速以管道中心为最高，离开中心线后流速会很快的降低并沿管道直径方向呈抛物线形变化。而管道截面上的温度分布情况与流速分布情况相似，也是管道中心温度最高，越接近管壁，温度就越低。其温度场也类似抛物线形，如图3中的(a)所示。因此，在层流流体的管道中测量温度时，必须将热电偶的热点准确安置在管道中心。当管道中的流体流速较高、其雷诺数超过临界值时，流体的流动为紊流状态。这时，管道内流体分子相互作用加强，以至只有紧靠管壁的一薄层流体还保持着层流特性。流体大部分截面上的流速几乎是相同的，而管道内温度场的情况也类似，如图3中的(b)所示。因此，在紊流流体的管道中测量温度时，只需将热电偶的热点插入流体的等温区就可以准确地测量出流体的温度，而插入深度完全无需达到管道的中心。根据在一台200MW机组上的试验结果，对于直径为273X20mm的主蒸汽管道，热电偶的热点在管道内插入50mm即可进入流体的等温区。根据上述理论分析和试验结果，结合表1所列国外进口机组情况，可以看出：在紊流流体的管道中测量温度时，热电偶保护套管的插入深度选择在65～90mm之间就可以准确地测量出流体的温度。目前市场上热电偶保护套管的插入深度系列一般均为50、100、150mm等，为了稳妥起见，选用插入深度100mm显然是最合理的。为了提高热电偶和热电阻保护套管的工作可靠性，在火力发电厂中，主蒸汽温度、再热蒸汽温度和给水温度等高温高压介质的温度测量，都可以采用上述减少保护套管插入深度的方式进行测量。这些管道中的介质在工作过程中，其雷诺数始终是超过临界值的。六、结论(1)由于受到材料强度的限制，在高温、高压和高流速管道中，热电偶保护套管的插入深度是有限的。在大多数情况下，是不能插入到管道中心线的。(2)由于高速流体在管道截面上的温度分布特性，在高温、高压和高流速管道中，热电偶保护套管插入深度超过50mm就可以准确地测量管道内介质的温度。(3)专门开发的热套式保护套管，对于准确地测量管道内介质的温度并没有任何帮助，相反地还可能带来事故，完全没有继续使用的价值。(4)在高温、高压和高流速管道中测量温度时，建议采用国际上通用的保护套管形式。图4中给出了比较常见的两种，其中(A)为EBASCO咨询公司推荐的形式，(B)为BABCOCK公司推荐的形式。