熱套式熱電偶工作情況的分析

　　一、熱電偶測(cè)溫過程中保護(hù)套管引起的誤差
　　
　　安裝在保護(hù)套管內(nèi)的熱電偶在測(cè)溫過程中的誤差，除了熱電偶本身的誤差外，保護(hù)套管引起的誤差也是不能忽視的。保護(hù)套管引起的誤差來源主要有以下三方面：
　　
　?。?）熱電偶的熱點(diǎn)沒有插到保護(hù)套管端部并與端部緊密接觸。這時(shí)熱電偶所測(cè)溫度實(shí)際上只是保護(hù)套管端部腔內(nèi)的空氣溫度。
　　
　?。?）保護(hù)套管的安裝不當(dāng)，未能保證熱電偶的熱點(diǎn)位于被測(cè)溫度范圍內(nèi)。其原因有保護(hù)套管的長(zhǎng)度過長(zhǎng)或不足、保護(hù)套管的安裝角度不當(dāng)?shù)取?br />　　
　?。?）在測(cè)量較高溫度時(shí)，保護(hù)套管暴露在空氣中的部分保溫不妥，由于傳導(dǎo)散熱造成測(cè)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(yán)格按照規(guī)定稍加注意即可以避免，而且在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)這些問題也可以隨時(shí)解決。至于第（2）類問題，由于保護(hù)套管安裝后無法隨時(shí)改變，必須在設(shè)計(jì)過程中縝密考慮，在安裝過程中精心施工。
　　
　　通常認(rèn)為管道中心的溫度zui高，而且偏離管道中心后溫度會(huì)較快地降低。因此在安裝保護(hù)套管時(shí)，要求保護(hù)套管的端部要略微超過管道中心以保證熱電偶的熱點(diǎn)能位于溫度zui高點(diǎn)。這樣做使得保護(hù)套管插入管道內(nèi)的長(zhǎng)度較大。
　　
　　一般大容量機(jī)組的主蒸汽管道直徑多在300～800mm之間，因此保護(hù)套管插入管道的深度約為150～400mm。對(duì)于熱電偶而言，這一插入深度并不大。但是對(duì)于保護(hù)套管來說，由于管道內(nèi)的介質(zhì)流速較高，溫度和壓力也高，惡劣的工作條件對(duì)于保護(hù)管來說是很難承受的。
　　
　　對(duì)于中壓機(jī)組，其壓力為4MPa、溫度435℃：對(duì)于亞臨界機(jī)組，其壓力為18MPa、溫度540℃；對(duì)于所有機(jī)組，流速都達(dá)到40～60m／s。
　　
　　在上述工作條件下，為了提高保護(hù)套管的強(qiáng)度，需要增加保護(hù)套管的壁厚，也就是保護(hù)套管的直徑。但是，保護(hù)套管壁厚的增加又會(huì)降低熱電偶的動(dòng)態(tài)特性。因此，不得不將保護(hù)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(jī)組主蒸汽管道上的熱電偶保護(hù)管仍然經(jīng)常發(fā)生斷裂事故。
　　
　　美國(guó)EBASCO咨詢公司提供過使用316SS（0Cr18Nil2M02Ti）不銹鋼材料制造的保護(hù)套管在不同溫度、壓力和流速下的zui大允許插入深度，具體數(shù)據(jù)見表1。　　
　　表中數(shù)據(jù)是僅就材料強(qiáng)度而作的限制。根據(jù)表列數(shù)據(jù)可以看出，介質(zhì)壓力越高、流速越高、溫度越高時(shí)，由于保護(hù)套管強(qiáng)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(hù)套管的插入深度，打算以犧牲測(cè)量精度的方式來提高保護(hù)管的可靠性。但是對(duì)于主蒸汽管道上的熱電偶而言，測(cè)量精度又是要求zui高的。因此，縮短保護(hù)套管插入深度的設(shè)想始終未能實(shí)施。七十年代初期，英國(guó)中央發(fā)電局CEGB（CentralElectricityGeneratingBoard）編寫的《現(xiàn)代電站實(shí)踐》一書（ModemPowerStationPractice）第2版引入我國(guó)，書中介紹了CEGB開發(fā)的具有蒸汽套的熱電偶保護(hù)套管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在熱電偶保護(hù)套管和安裝套管之間留有足夠的空間作為熟套，進(jìn)入熱套中的蒸汽可以對(duì)保護(hù)管加熱。保護(hù)管的中部有一個(gè)三角形的棱柱，以保證蒸汽可以順利地進(jìn)入熱套，棱柱支持在蒸汽管道的開孔內(nèi)，用以保持熱電偶保護(hù)套管的位置，并允許套管在溫度變化時(shí)能沿軸向自由移動(dòng)。保護(hù)套管的尺寸正好使熱電偶的熱點(diǎn)位于管道中心線。開發(fā)這種保護(hù)套管的目的是為了減少溫度測(cè)量的時(shí)延。這種保護(hù)套管的時(shí)延比…般保護(hù)套管的時(shí)延要小，書中還提供了與其它形式保護(hù)套管比較的試驗(yàn)曲線。
　　
　　在CEGB型保護(hù)套管的啟發(fā)下，基于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平，我們認(rèn)為如果熱電偶被蒸汽加熱部分的長(zhǎng)度不變，則插入管道的深度縮短對(duì)測(cè)量精度的影響應(yīng)該是不大的。在這一思路的指導(dǎo)下，七十年代中期，由電力部所屬某研究所和一機(jī)部?jī)x表局所屬某儀表廠聯(lián)合開發(fā)了用于測(cè)量主蒸汽溫度的熱套式保護(hù)套管。保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)與CEGB的保護(hù)套管基本接近。為了穩(wěn)妥起見，防止保護(hù)套管斷裂后落入管道造成更大的事故，保護(hù)套管的棱柱部分作成錐形。在安裝時(shí)，將棱柱的錐面壓緊在管道開孔上以確保保護(hù)套管的棱柱錐面在管壁上牢固地固定。熱套式保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)和安裝如圖2所示。熱套式保護(hù)套管在中壓機(jī)組上應(yīng)用時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)斷裂問題，但是隨著蒸汽參數(shù)的不斷增高，熱套式保護(hù)套管也出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。　　
　　三、故障原因的分析
　　
　　熱套式保護(hù)套管的安裝步驟如下：
　　
　　（1）在被測(cè)介質(zhì)的管道上開孔。為了使保護(hù)套管的三角錐面牢固地安裝在管壁上，可先鉆一個(gè)直徑38mm的通孔，再擴(kuò)大到直徑42mm，擴(kuò)孔時(shí)將直徑38mm的孔保留10mm長(zhǎng)。
　　
　　（2）焊接安裝套管。安裝套管的長(zhǎng)度，應(yīng)確保保護(hù)套管的三角錐面牢固地抵在直徑38mm的孔內(nèi)。
　　
　?。?）插入保護(hù)套管。當(dāng)保護(hù)套管的三角錐面已與38mm孔密合時(shí)，保護(hù)套管和安裝套管之間應(yīng)留有足夠的焊接間隙。
　　
　?。?）將保護(hù)套管焊接在安裝套管上。
　　
　　從熱套式保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)和安裝方式可以看出，在安裝時(shí)要求將保護(hù)套管的棱柱錐面壓緊在管道開孔上，以確保保護(hù)套管的棱柱錐面在管壁上牢固地固定。當(dāng)溫度升高后，由于保護(hù)套管和安裝插座的溫升不同，保護(hù)套管的溫度明顯高于安裝插座，保護(hù)套管的膨脹也大于安裝插座。但是，熱套式保護(hù)套管的安裝方式使得保護(hù)套管和安裝套管之間無法產(chǎn)生位移，因此在機(jī)組運(yùn)行過程中保護(hù)套管始終受到壓應(yīng)力，而安裝插座始終受到拉應(yīng)力。在長(zhǎng)期運(yùn)行和多次啟停后，套管受到應(yīng)力的影響就可能導(dǎo)致斷裂。在中壓機(jī)組上，由于材料的強(qiáng)度足夠，斷裂的可能性??；當(dāng)壓力增高后，由于接近材料的強(qiáng)度極限，斷裂的情況就容易發(fā)生。
　　
　　四、熱套式熱電偶的效果
　　
　　使用熱套式熱電偶后，測(cè)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(jìn)行過多次對(duì)比。對(duì)比的結(jié)果是，兩種不同插入深度的熱電偶，所測(cè)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(dāng)時(shí)對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)的溫柔度分布情況不夠了解，因此就錯(cuò)誤地認(rèn)為熱套式熱電偶保護(hù)套管的開發(fā)是成功的。
　　
　　七十年代末期，我國(guó)從幾個(gè)國(guó)家進(jìn)口了一批大容量機(jī)組。在對(duì)它們進(jìn)行調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，所有機(jī)組的主蒸汽熱電偶的熱點(diǎn)都沒有按照傳統(tǒng)的做法插入到管道的中心，插入深度都已縮短，但是保護(hù)套管仍采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并未使用蒸汽熱套等方式。這些機(jī)組主蒸汽熱電偶的插入深度見表2。　　
　　這一情況引起了我國(guó)火電廠自動(dòng)化專業(yè)工作人員的注意，部分專業(yè)工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的分析和試驗(yàn)工作，終于將這一問題弄清了。
　　
　　五、汽、水流體的溫度場(chǎng)
　　
　　流體在管道中沿直徑方向的溫度場(chǎng)是隨著流體流速不同而改變的。當(dāng)流體的流速較低、雷諾數(shù)低于臨界值（2200）時(shí)，流體的流動(dòng)為層流狀態(tài)。管道內(nèi)的流體流速以管道中心為zui高，離開中心線后流速會(huì)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zui高，越接近管壁，溫度就越低。其溫度場(chǎng)也類似拋物線形，如圖3中的（a）所示。因此，在層流流體的管道中測(cè)量溫度時(shí)，必須將熱電偶的熱點(diǎn)準(zhǔn)確安置在管道中心。　　
　　當(dāng)管道中的流體流速較高、其雷諾數(shù)超過臨界值時(shí)，流體的流動(dòng)為紊流狀態(tài)。這時(shí)，管道內(nèi)流體分子相互作用加強(qiáng)，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(nèi)溫度場(chǎng)的情況也類似，如圖3中的（b）所示。因此，在紊流流體的管道中測(cè)量溫度時(shí)，只需將熱電偶的熱點(diǎn)插入流體的等溫區(qū)就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出流體的溫度，而插入深度*無需達(dá)到管道的中心。根據(jù)在一臺(tái)200MW機(jī)組上的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于直徑為273X20mm的主蒸汽管道，熱電偶的熱點(diǎn)在管道內(nèi)插入50mm即可進(jìn)入流體的等溫區(qū)。
　　
　　根據(jù)上述理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合表1所列國(guó)外進(jìn)口機(jī)組情況，可以看出：在紊流流體的管道中測(cè)量溫度時(shí)，熱電偶保護(hù)套管的插入深度選擇在65～90mm之間就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出流體的溫度。目前市場(chǎng)上熱電偶保護(hù)套管的插入深度系列一般均為50、100、150mm等，為了穩(wěn)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(hù)套管的工作可靠性，在火力發(fā)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(zhì)的溫度測(cè)量，都可以采用上述減少保護(hù)套管插入深度的方式進(jìn)行測(cè)量。這些管道中的介質(zhì)在工作過程中，其雷諾數(shù)始終是超過臨界值的。
　　
　　六、結(jié)論
　　
　　（1）由于受到材料強(qiáng)度的限制，在高溫、高壓和高流速管道中，熱電偶保護(hù)套管的插入深度是有限的。在大多數(shù)情況下，是不能插入到管道中心線的。
　　
　?。?）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(hù)套管插入深度超過50mm就可以準(zhǔn)確地測(cè)量管道內(nèi)介質(zhì)的溫度。
　　
　?。?）專門開發(fā)的熱套式保護(hù)套管，對(duì)于準(zhǔn)確地測(cè)量管道內(nèi)介質(zhì)的溫度并沒有任何幫助，相反地還可能帶來事故，*沒有繼續(xù)使用的價(jià)值。
　　
　?。?）在高溫、高壓和高流速管道中測(cè)量溫度時(shí)，建議采用上通用的保護(hù)套管形式。圖4中給出了比較常見的兩種，其中（A）為EBASCO咨詢公司推薦的形式，（B）為BABCOCK公司推薦的形式。