光纖測溫技術(shù)在E-Gas氣化爐壁溫檢測上的應(yīng)用

周建欣，郭宗斌，任艷慶，陳 杰,周建華

(1.中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086；2.浙江中欣動力測控技術(shù)有限公司，浙江寧波 315010)

1 概述

E-Gas氣化爐是一種兩段進(jìn)料的氣流床氣化爐，外形呈十字架型，水平段為氣化爐一段，豎直段為氣化爐二段，豎直段彎頭后為氣化爐停留段，停留段后接余熱鍋爐。氣化爐一段進(jìn)料為高壓氧氣和煤漿，氣化爐二段進(jìn)料只有煤漿。氣化爐一段反應(yīng)的合成氣經(jīng)過上行通道到氣化爐二段，和二段噴入的煤漿激冷后進(jìn)入停留段，最后控制溫度后進(jìn)入余熱鍋爐。

E-Gas氣化爐一段反應(yīng)溫度為1 350～1 472 ℃，氣化爐承受高溫的熱通道比較長。氣化爐壁溫檢測關(guān)乎氣化爐安全運行，為了保證爐壁溫度處于安全可靠區(qū)間，采用分區(qū)檢測思路，將整個E-Gas氣化爐熱通道分為13個區(qū)，每個區(qū)配置1根特氟龍管。特氟龍管一端封閉，另一端通入儀表空氣，連接到壓差變送器。當(dāng)氣化爐外壁某一位置過熱時，特氟龍管就會熔斷，管內(nèi)的儀表空氣就會泄漏，壓差變送器的測量信號出現(xiàn)變化。操作員監(jiān)控到某一測溫區(qū)域的壓差變化后，就會聯(lián)系現(xiàn)場操作人員進(jìn)行排查。通過查找特氟龍管泄漏的具體位置，就可以對應(yīng)具體的高溫點。特氟龍管熔斷后，必須對熔斷位置重新續(xù)接，才可以重新檢測對應(yīng)的壓差變化。E-Gas氣化爐的外壁溫度檢測分區(qū)見圖1。

圖1 氣化爐表面測溫分區(qū)示意圖

2 氣化爐外壁測溫技術(shù)現(xiàn)狀

氣化爐的壁溫監(jiān)測分為直接接觸式和非直接接觸式兩類。GE氣化爐、四噴嘴氣化爐使用的熱電阻熱點預(yù)警系統(tǒng)，以及E-Gas氣化爐上使用的特氟龍管壁溫預(yù)測系統(tǒng)都屬于直接接觸式測溫系統(tǒng)，通過壁溫測溫元件與氣化爐外壁緊密接觸來獲取氣化爐表面溫度的變化情況。紅外壁溫檢測系統(tǒng)屬于非直接接觸式，將紅外熱成像攝像機按照一定方式排布，做到氣化爐表面全覆蓋監(jiān)測，通過連續(xù)掃描來發(fā)現(xiàn)氣化爐壁溫的變化情況[1]。

直接壁溫監(jiān)測系統(tǒng)通過部件將熱電阻黏附在氣化爐的外壁，只能顯示氣化爐某一區(qū)域(沿著熱電阻測溫元件)的最高溫度[2]，而不能確定高溫點的具體位置。特氟龍管測溫只能發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域內(nèi)存在超過特氟龍管熔斷溫度的高溫點，并不能確定高溫點的具體位置，同時特氟龍管破損后必須予以修復(fù)方可繼續(xù)監(jiān)控。

對于非直接測溫的紅外熱成像攝像儀，不僅可以實時顯示氣化爐爐壁任意一點的溫度，還能顯示爐壁表面整體的溫度及其變化情況。一般工業(yè)應(yīng)用的紅外熱成像攝像儀都有專用的圖像及數(shù)據(jù)處理軟件，溫度圖像顯示、報警模式及參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等功能全面。當(dāng)設(shè)備故障時，系統(tǒng)會立即提示可能的故障原因及維修方式等，以便及時檢修。

直接測溫元件能夠準(zhǔn)確、及時反饋氣化爐外壁的真實高溫點分布區(qū)域，不受氣化爐外表面或施工條件的影響。非直接測溫的紅外熱成像攝像儀則受氣化爐附近障礙物的影響，氣化爐檢修時的架子也會遮擋紅外熱成像攝像儀的監(jiān)測效果，出現(xiàn)監(jiān)測死區(qū)。

3 光纖測溫技術(shù)的特點和優(yōu)勢

3.1 光纖測溫的原理

管線測溫技術(shù)以其較高的空間分辨率和溫度分辨率，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度。多年來，管線測溫技術(shù)因耐腐蝕、抗電磁干擾、防火防爆以及傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，為水利、電力和長輸管道系統(tǒng)的安全運行提供了保障[3-5]。光纖測溫技術(shù)使用分布于氣化爐表面的光纖來監(jiān)測氣化爐外壁溫度變化。利用特定頻率的光脈沖照射光纖內(nèi)的玻璃芯，當(dāng)光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產(chǎn)生多種類型的輻射散射，如瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[3-5]。其中拉曼散射對溫度最為敏感，光纖中光傳輸?shù)拿恳稽c都會產(chǎn)生拉曼散射，并且產(chǎn)生的拉曼散射光均勻分布在整個空間角內(nèi)。

拉曼散射是由光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。如果一部分光能轉(zhuǎn)換成為熱振動，那么將發(fā)出一個比光源波長更長的光，稱為斯托克斯光；如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換成為光能，那么將發(fā)出一個比光源波長更短的光，稱為反斯托克斯光。斯托克斯光強度受溫度的影響很小，可忽略不計;而反斯托克斯光的強度隨溫度的變化而變化。光在光纖中傳輸時，一部分拉曼散射光沿光纖原路返回，被光纖探測單元接收，通過測量背向拉曼散射光中反斯托克斯光與斯托克斯光的強度比值的變化，就可以實現(xiàn)對外部溫度變化的監(jiān)測。根據(jù)光在光纖中的傳輸速率，以及入射光與背向拉曼散射光之間的時間差，可以對不同的溫度點進(jìn)行定位，這樣就可以得到整根光纖沿線上的溫度并精確定位。光纖測溫的原理示意見圖2[6]。

圖2 光纖測溫原理示意圖

3.2 光纖結(jié)構(gòu)

光纖由石英玻璃拉制而成，通過各種封裝形成各種特性的光纜，光纜既是信號傳輸介質(zhì)，又是溫度感測元件?？紤]到氣化爐苛刻的工作環(huán)境，感溫探測光纜應(yīng)具備耐高溫、抗嚙咬、抗震特性，即用于氣化爐壁溫監(jiān)測的探測光纜不但需要具備堅固的護套，而且需要提供良好的溫度傳導(dǎo)性能，以保證快速的溫度探測。

基于氣化爐內(nèi)部的高溫和高壓環(huán)境，測溫光纖采用耐高溫設(shè)計，光纖外表面輔以鎧裝保護結(jié)構(gòu)，以提高光纖在使用過程中的安全性和可靠性。光纖的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

3.3 用戶界面和功能

針對氣化爐溫度監(jiān)測系統(tǒng)，專門定制開發(fā)操作界面友好的分布式光纖溫度、事件監(jiān)測應(yīng)用軟件。該軟件具備溫度監(jiān)測、事件報警、數(shù)據(jù)分析、可視化顯示、報警聯(lián)鎖動作等功能。通過圖形組態(tài)模塊將光纖位置映射到圖像上，一旦光纖某點發(fā)生溫度異常，報警信息直接顯示在圖像上(見圖4)，形象直觀、準(zhǔn)確可靠。

圖4 光纖測溫系統(tǒng)的用戶界面

3.4 光纖測溫系統(tǒng)的特性

根據(jù)氣化爐設(shè)備的工藝要求和特點，氣化爐光纖測溫系統(tǒng)的性能見表1。

表1 光纖測溫系統(tǒng)性能

4 光纖測溫技術(shù)的應(yīng)用效果

結(jié)合實際運行中關(guān)注要素，E-Gas氣化爐爐壁劃分為15個監(jiān)測區(qū)域，其中氣化爐一段和氣化爐二段因溫度較高、反應(yīng)條件苛刻劃分為9個重點監(jiān)控區(qū)域，其他部分劃分為6個區(qū)域。

重點監(jiān)控區(qū)域的測溫光纜以“S”型雙光纜并行敷設(shè)方式緊貼氣化爐爐壁表面，采用耐高溫強力吸鐵石和耐高溫工業(yè)膠水黏結(jié)雙重固定，光纜左右間距10 cm、上下間距20 cm，上下兩排“S”型光纜間隔5 mm，光纖敷設(shè)效果見圖5。

圖5 氣化爐爐壁耐高溫光纜敷設(shè)示意圖

考慮氣化爐的設(shè)備安全性，光纖測溫系統(tǒng)中設(shè)置了每一區(qū)域的超溫報警，并將每一區(qū)域3個最高溫度及位置實時顯示在用戶界面，以提醒操作人員注意。

安裝有光纖測溫系統(tǒng)的E-Gas氣化爐于2021年8月投入運行，氣化爐點火升溫前和運行期間的測溫系統(tǒng)顯示見圖6。光纖測溫系統(tǒng)使用可視化界面，通過實時的色譜差異來動態(tài)顯示氣化爐表面的溫度變化。經(jīng)現(xiàn)場使用紅外熱成像儀進(jìn)行對照檢查，光纖系統(tǒng)測溫偏差可以控制在5 ℃以內(nèi)，能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)氣化爐實際的表面溫度。

(a)運行前

5 結(jié)語

光纖測溫系統(tǒng)在E-Gas氣化爐上使用后，改變了以前特氟龍管不能顯示實際溫度的弊端，克服了E-Gas氣化爐原有壁溫監(jiān)測系統(tǒng)熱點位置及溫度不確定的缺點，動態(tài)實時地在顯示屏上顯示氣化爐的表面溫度，形象直觀地顯示氣化爐表面的局部高溫位置。目前，其功能優(yōu)于國內(nèi)大多數(shù)熱壁爐采用的熱電阻測溫系統(tǒng)，對于氣化爐的安全運行提供更大的借鑒和幫助。