炉顶上使用热电偶的几点联想

 

赵民生 沈佩忠 卢澄宇

 

摘要：文章介绍了热电偶用于玻璃窑炉炉顶上的情况，分别叙述了测点的定位和安装热电偶的注意事项。根据玻璃窑炉的特点的交换与断偶等工况进行了说明及解决方法。最后对热电偶日常操作与维护等作了阐述。

关键词：窑炉炉顶  热电偶 补偿导线  窑炉交换  断偶保护  日常维护

 

一  热电偶的介绍

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，有人曾将其比喻为工业生产上的”眼睛”。

玻璃的熔化需要高温，玻璃窑炉炉顶的测温均采用热电偶，其测温的准确性对玻璃熔制是至关重要的，窑炉自动控制也是以炉顶测点为准。如果此点温度过低会影响到玻璃的质量与出料量，温度过高则会造成能源的浪费且会影响到窑炉的寿命，热电偶的“眼睛”重要性在玻璃窑炉上充分得到体现。现就此点的温度测量与关联之事浅谈本人的体会。

 

二  炉顶热电偶的定位

马蹄形（End Fired）窑炉此温度测量点一般在喷枪处向前2/3处或者更前处。见图一。

图1 炉顶热电偶安装的位置

此点是窑炉的热点，同时马蹄型窑炉其左右火焰均在此位置转向，对交换后火焰的影响也最小。此点的温度反应较快、灵敏度高，基本能代表窑炉内的温度情况。一般窑炉后期炉顶烧损大都先在炉顶的前端，这也间接证明了此点是窑炉炉顶温度的最高处。

熔化池（Melter）内的温度高达1540℃左右，因此选用分度号为B型热电偶。

 

三  炉顶热电偶安装使用中的注意点      

由于玻璃窑炉内的温度高，粉尘多以及腐蚀性气氛强偶，有经验证明，热电偶过早损坏，其很大原因是由于不适宜的安装所致。安装使用中的几点理解与体会供同行们参考：

1.插入此点的热电偶，插入的深度距窑顶内表面要<19～25毫米，也有使用双层护套管（Double Protection）的。如热电偶插入过深，就会被火焰冲刷、料粉腐蚀，其热电偶的寿命会大大缩短。

插入热电偶的孔与热电偶瓷管的空隙，必须要用玻璃棉、玻璃纤维等填充物将其堵严，以防产生“烟囱效应”，使火焰冲出烧坏热电偶支架与补偿导线等。在现场我们常发觉由于热电偶插入过深，该热电偶被粉尘腐蚀或者热电偶弯曲等现象，它缩短了热电偶的寿命。或由于该热电偶的空隙没有堵严，造成火焰窜出烧毁补偿导线等。

2.该点的热电偶必须要有足够的长度，如太短接线盒会过热而损坏。其热电偶接线盒距窑顶表面长度须 > 150～300毫米，且接线盒还需用耐高温材料包裹。如安装不良接线盒处的温度过高，其测量的温度将会产生较大的误差，甚至烧毁接线盒。

3.如该点的热电偶砖如采用的是盲孔，为了提高该温度灵敏度，可将该测温砖多插入一些，使热电偶的测点基本与窑顶内壁平口以提高其灵敏度。

盲孔测温砖，其盲孔测温的修正值有以下的经验：测出的温度一般比正常测玻璃液温度低50℃，此点为个人的体会，望各位在工作中验证。（测量砖盲砖的测点距砖外表面的距离一般为50毫米左右）

同时其盲孔的热电偶瓷管的空隙，也要用玻璃棉、纤维等填充物，将此空隙堵严。以防砖有小裂纹，从而产生“烟囱效应”，使火焰窜出。

另外在现场处理盲孔砖有经验说明，在建炉过程中由于各项工作交叉进行，难免有一些疏忽。在盲孔测温孔里现场我们常发现有螺丝、螺帽、小砖块等掉落盲孔内。窑炉点火升温后，处理起来十分麻烦。提醒同行在建炉时可用纸张、木块等物将其先塞住。点火升温需插热电偶时，纸张等处理较为方便些。

 

四 窑炉交换后的处理

玻璃窑炉一般20～30分钟均要换向交换，其交换的步骤（如：从左到右）：1.切断左侧的燃油（燃气），2.开启右侧雾化空气，3.助燃空气机械翻板——运行，4.延时3～6秒，开启右侧的燃油（燃气），5.关闭左侧的雾化空气。整个交换过程大约10秒左右。当交换结束后，此时炉顶热电偶测得炉内温度下降较多，如系统马上进入自动调节，控制仪表的输出必然是大开度，它会对窑炉造成冲击。我们可以利用智能仪表的“Hold”功能，见图 二。

图2  智能仪表的“Hold”暂停示意图

它可记住交换前的输出值，并保持着原输出值不变，人为定时使得此功在交换后保持10～20秒左右，然后再撤销“Hold”功能。因此时玻璃窑炉经10～20秒正常燃烧后，已逐步恢复了一定的温度，此时仪表进入正常调节状态。其输出就不会出现大幅度的增加。

 

五  热电偶断偶后的应对措施，（炉顶设二根热电偶的必要性）

热电偶是易耗品，它的老化主要是由于铑从一根电线迁移到另一根，这取决于温度及其气氛，其老化的影响是不能定量的。它的损坏有一定的突然性与随机性。窑顶控制点的热电偶，一旦断线、断偶，其输出为0mv，这时自动控制仪表输出为最大值，这会导致事故的发生。如果采用断偶保护措施，则会将燃油（天然气）全关。输出阀门的全开与全关都会对窑炉产生不利的冲击影响。

有一经验供参考：热电偶一旦断偶，一是立刻发出灯与声报警信号，提醒操作人员迅速干预调整。二是设计为自动转入一固定的安全输出值。比如：正常窑炉操作时控制仪表输出值为70%（14mA）。我们可将断偶安全输出值定为60～65%（12～13.2mA）。这样一旦热电偶断偶或者损坏，其信号自动地切入输出60～65%安全运行。这样的处理比单纯地切断仪表输出比较合理，对窑炉正常燃烧冲击也小。

现在大型窑炉对炉顶温度自动控制与监视是十分重要的，当通孔热电偶损坏后，我们不但要有一系列的自动措施，当人工干预时也需要该点的温度显示，图三。

 图3  炉顶热电偶双孔测温砖示意图

从图三可见，在炉顶同一块砖上钻有二个孔，一通孔一盲孔，其中一个通孔的热电偶信号是作为自动控制窑炉温度的。另一盲孔作为单纯的温度显示，一旦通孔内的热电偶损坏，窑炉操作人员可立即将自动控制切换到手动，并以盲孔热电偶温度作为参考值，手动调节以维持正常生产。

 

六 热电偶补偿导线等电缆的布线

热电偶补偿导线以及窑炉上的各类传感器的电缆线，它们均要排放到窑炉控制室内，下图四的排线法可供参考。首先窑炉各热电偶的补偿导线与各类传感器的电缆线等均先排放到现场的一接线盒处，然后从此现场接线盒再排放导线到窑炉控制室，此处所排放到控制室的导线的数量要放出余量，一般为110%，以便原导线有损害或者窑炉新增测量设备等，它可作为储备使用。由于现场接线盒距窑炉较近，操作人员在调试与寻找故障时，只要松开现场接线盒处的电缆，即可检查导线的短路、开路以及电阻值等，比较方便，见图四。

图 4  热电偶补偿导线等电缆的布线示意图

我们将窑炉从现场接线盒到控制室的布线，设计为长期性的，一般为3～4个窑期。而当窑炉大修时只要调换热电偶变送器等到现场接线盒的这段线即可。这样可以节约用线，同时也大大减少窑炉大修时现场的施工量。

 

 七. 热电偶定期调换

窑顶的作为控制点的热电偶一般半年要定期调换下来（此时换下的热电偶丝可以回收利用），以免在正常工作中损坏影响窑炉的正常工作。在此提醒：热电偶它是易损件，要将炉顶热电偶作为制瓶机上的易损件一样对待，必须定期调换。

每次调换后要做好详细的记录：

1. 调换的日期，

2. 该热电偶安装的部位、

3. 热电偶的型号（包括分度号），

3. 热电偶的长度，

5. 调换者的姓名

6. 下次调换的日期等，为下次调换者一目了然。

这在当代电脑普及时代仅是举手之劳，但其管理效果却不可小视。

调换新热电偶时，要防止热电偶瞬间插入穿炉顶孔内，以避免冷热聚变使其外管爆裂。根据经验：该热电偶安装之前需在200℃～300℃的温度下预热12小时以上，然后缓慢插入，其插入速度要保持在每小时30～40毫米左右。

 

八  热电偶的补充导线

热电偶在接线时，我们要采用准确配套补偿导线，如果不用补偿导线或者错用补偿导线，那将会产生较大的测温误差。热电偶补偿导线可根据外包皮颜色肉眼分辨，见图五。

图5  热电偶补偿导线的颜色分辨

补充导线的外护套线的颜色可表示该热电偶的分度号，但由于各国对此并不统一，望同仁们参阅有关此方面的各国最新相关资料。

 

九  侧墙高温辐射计与炉顶热电偶的配合使用

我国一些地区有些玻璃工厂目前还较普遍地使用辐射高温计来测量玻璃窑炉的火焰温度，虽然它测温反应速度快，寿命长。但是它测出的温度不稳定，温度误差较大，同时它的开孔也浪费一定的能源。对习惯于使用辐射高温计的工厂，笔者建议可先安装一炉顶盲孔热电偶，将盲孔热电偶的温度数值与辐射高温计测量的数值参考对比，以后逐步过渡到以热电偶数据为主。现场高温辐射计见图六。

图6 侧墙高温辐射计与炉顶热电偶可配合参考使用

经验表明：使用炉顶盲孔热电偶的寿命一般都较长，不易损坏。

 

十  炉内火焰工况眼见为实

由于热电偶长期在高温下工作，偶丝会老化以及接线端子的松动等原因，热电偶的测量数值有时会有一定的误差。因此窑炉操作工除了在控制室内观看仪表外，必须定时要到窑炉现场观看窑炉的燃烧情况，并用手提仪器测量并对照窑炉内的温度值。有一位窑炉专家说得好：任何仪表都无法替代操作工人的眼睛，它是最真实的。这话说得中肯。

通过观察孔，我们可以看到：火焰的颜色、火焰的长度、亮度、刚度、燃烧的情况（有无黑烟）、火焰与料堆的距离、火焰与二侧胸墙的距离（是否冲刷胸墙）、火焰与炉顶的情况（是否扫到炉顶）等。

国内外对窑炉火焰的颜色辨别温度以下的经验：

颜色辨别温度COLOR SCALE FOR TEMPERATURES

火焰颜色（COLOR）	摄氏温度℃（Degrees）
可见的最低红色（Lowest Visible Red）	475
可见最低红色到暗红色（Lowest Visible Red to Dark Red）	475～ 650
暗红色到樱桃红（Dark Red to Cherry Red）	650～750
樱桃红到鲜红色（Cherry Red to Bright Cherry Red）	750～ 825
鲜红色到桔黄色（Bright Cherry Red to Orange）	825～ 900
桔黄色到黄色（Orange to Yellow）	900～1090
黄色到亮黄色（Yellow to Light Yellow）	1090～320
亮黄色到白色（Light Yellow to White）	1320～1540
白色到炫目白色（White to Dazzling White）	≥（and over）1540

以上颜色辨别温度仅供参考，要注意尽管现代技术发展迅速，但经验证明没有一个窑炉的燃烧其火焰工况是完全一样的。

 

十一  结论

炉顶热电偶测温是玻璃窑炉的重要测点位，是测量窑炉内温度的“眼睛”，它的稳定性和准确性对窑炉控制是至关重要的，不任是仪表还是计算机的显示和控制。准确地、可靠地测出炉内温度是一切工作的前提。