電廠供熱系統溫度測量元件選擇技巧

　　一、電廠供熱系統溫度測量一次元件的選用
　　
　　在熱電廠中，供熱計量儀表的準確與否直接關系到用戶與電廠的貿易緒算，而供熱計量參數中，溫度測量是一個很重要的參數。在供熱系統中，熱電廠對外供熱量的計算公式為:
　　
　　Q=qm供水×h供水-qm回水×h回水-qm初水×h補水（1）
　　
　　式中，Q為熱量，kJ；qm為質量流量，kg/h；h為熱焓，kJ/kg。
　　
　　式（1）中，補水項熱量所占比例很小，為分析問題方便，忽略供熱過程中供水流量的損耗，設qm初水=0，qm回水=qm供水，則：
　　
　　Q=qm供水×（h供水-h回水）（2）
　　
　　對于熱水，熱焓與溫度對應關系近似為h≈4.18t（kJ/kg），式（2）可表示為：
　　
　　Q=4.18×qm供水（t供水-t回水）（3）
　　
　　由式（3）可見，供、回水溫差對熱量計量數值影響很大。目前國內大部分熱電廠，供熱系統的測溫元件均采用Pt100分度的鉑熱電阻，按國家質量技術監督局批準施行的JJG229-1998規程規定，Pt100鉑熱電阻實際電阻值對分度表標稱電阻值以溫度表示的允許偏差E為：
　　
　　*鉑熱電阻誤差為E（℃）=±（0.15+0.002│t│）（4）
　　
　　B級伯熱電阻誤差為E（℃）=±（0.30+0.005│t│）（5）
　　
　　式中，│t│是被測溫度的值，℃。
　　
　　現以遼寧某熱電廠（以下簡稱S電廠）供熱系統為例，討論熱電阻誤差對供熱計量的影響。該廠主要運行參數為：供水平均溫度：65℃，回水平均溫度：50℃，平均供水流量：9000000kg/h，年供熱期5個月。
　　
　　當采用*鉑熱電阻，誤差為：
　　
　　E供水（℃）=±（0.15+0.002×65）=0.28℃
　　
　　E回水（℃）=±（0.15+0.002×50）=0.25℃
　　
　　若2支熱電阻的誤差方向相反，則供、回水溫差的極限誤差為0.53℃,相對于溫差（15℃）的誤差為3.5%；
　　
　　當采用B級鉑熱電阻，誤差為：
　　
　　E供（℃）=±（0.30+0.005×65）=0.625℃
　　
　　E回（℃）=±（0.30+0.005×50）=0.55℃
　　
　　此時，供、回水溫差的極限誤差為1.175℃,相對于溫差（15℃）的誤差為7.8%。
　　
　　可見，采用B級鉑熱電阻的誤差比采用*鉑熱電阻的誤差高4.3%。這個誤差對貿易結算的影響有多大？仍以S電廠為例來算一筆帳。該廠的供熱單價是20元/GJ。由于溫度測量誤差影響，該廠每小時的供熱量偏差為：
　　
　　采用*鉑熱電阻時，每小時的熱量誤差：
　　
　　△Qh=4.18×9000000×0.53=19938600（kJ）≈20（GJ）
　　
　　按全年供熱期5個月計算，熱量偏差折算成金額：20元×（20×24×150）=144萬元。
　　
　　采用B級鉑熱電阻時，每小時的熱量誤差：
　　
　　△Qh=4.18×1.175×9000000=44203500（kJ）≈44.2（GJ）
　　
　　全年金額偏差:20元×（44.2×24×150）=318萬元
　　
　　采用不同等級的熱電阻時，兩者相差不到174萬元。
　　
　　近些年來，無論是電廠還是熱用戶都非常關注溫度計量的準確性，在國內發生的供熱計量貿易糾紛中，多數問題是由于溫差測量的精度引起。熱電阻是熱水供熱計量系統中zui大的誤差源，而談論供熱計量的精度時這一zui大的誤差源往往被忽視。
　　
　　過去，由于*鉑熱電阻精度高，對其生產工藝水平和檢測水平要求也高，生產起來較困難。而在目前，隨著生產工藝和檢測水平的提高，生產*鎧裝鉑熱電阻已不是什么難事。建議在涉及到供熱貿易結算用的供熱計量系統中，必須選用*鉑熱電阻，并要通過有資質的計量部門檢定，選取誤差方向相同、誤差數值盡可能一致的鉑熱電阻，作為供、回水溫度的測量元件，以此才能實現盡可能準確及公平的測量。
　　
　　二、取消溫度變送器
　　
　　目前在電廠測溫系統中，仍有一部分設計是采用溫度變送器將溫度信號轉換成4～20mA的直流電流后，再送到二次儀表或計算機數據采集系統進行溫度顯示，這樣一來，每一個測溫點都需要用一個溫度變送器。這種系統的缺點一是成本高，每一個變送器都價值幾千元;二是由于溫度變送器的存在，系統增加了一個誤差環節，又多了一層故障點。因此，在電廠測量中應*擯棄溫度變送器，將各種類型的熱電偶或熱電阻信號作為模擬量輸入信號直接送到DCS或其它監視儀表中，即提高了系統測量的精度和可靠性，又降低了成本。
　　
　　三、推廣使用N型熱電偶
　　
　　主蒸汽溫度是火電機組運行的重要參數，它的準確與否對于電廠的安全經濟運行具有重要意義。目前普遍采用K型熱電偶測量主蒸汽溫度，它存在以下幾點不足:
　　
　　（1）K型熱電偶在250-550℃范圍內循環使用時，因其鎳鉻合金的不均勻性，顯微結構發生變化，形成短程有序結構，導致在升溫和降溫過程中，在同一溫度點所產生的熱電勢不同（即所謂K狀態），其差值可達2～5℃，在熱電偶的有關規程和標準中，對誤差的描述和檢定是不含這個誤差的。所以，K型熱電偶的這一缺點對于主蒸汽溫度的準確監控非常不利。
　　
　　（2）K型熱電偶高溫穩定性不好，在高溫大氣環境中使用時，由于合金受到氧化，直徑D3.2mm的K型熱電偶，在1100℃下工作600h，熱電勢就超過0.4mV。
　　
　　（3）按照規程規定，K型熱電偶的允許誤差為±0.75%t，當主汽溫度為545℃時，允許誤差為±4.08℃，再加上補償導線和計算機數據采集方面的誤差，就可能超出機組運行規程規定的主蒸汽溫度的波動范圍。
　　
　　為克服K型熱電偶的不足，電工委員會（IEC）在1986年正式推薦一種新型的標準化熱電偶:鎳鉻硅一鎳硅熱電偶，這是一種新型鎳基合金熱電偶，它是在K型熱電偶的基礎上，對其合金成分和含量進行優化選擇和配比而制成的一種高鉻高硅鎳基熱電偶。它的主要特點是:
　　
　　（1）在1300℃以下使用時，高溫抗氧化能力強，熱電動勢的長期穩定性及短期熱循環的復現性好，耐核輻射及耐低溫性能也好。特別是在250-550℃范圍內的短期熱循環穩定性好。實驗證明，在250-550℃范圍內的升、降溫過程中，N型熱電偶的熱電動勢非常穩定，其變化不超過10μV（<0.4℃）。
　　
　　（2）在400-1300℃范圍內，N型熱電偶的熱電特性的線性要比K型好，其非線性誤差僅占1300℃熱電動勢的0.4%，而K型的則為1.75%。
　　
　　（3）使用壽命長。由于合金成分的改進，將內氧化轉化為外氧化，大大提高了N型熱電偶在高溫時的穩定性，使用壽命較K型熱電偶明顯提高。
　　
　　目前N型熱電偶的價格約比K型熱電偶貴30%左右，但由于N型熱電偶壽命長，測量精度高，有利于機組的安全經濟運行，性能價格比上明顯占優勢，應大力推廣。
　　
　　四、關于銅熱電阻
　　
　　銅熱電阻在我國應用已有50多年歷史，早在20世紀50年代就已廣泛用于發電廠中，它具有電阻一溫度變化率大、價格低廉、材料來源容易等優點。但從20世紀80年代起就逐漸被淘汰，由鉑熱電阻所代替。原因是用戶普遍反應銅熱電阻產品合格率很低，在使用中電阻值不穩定、0℃電阻值漂移大等，因此在電廠中不受歡迎。實際并非如此，銅熱電阻質量不過關的主要原因是生產廠家的生產工藝粗糙，沒有的檢測手段，因而生產不出高質量的產品。如果對銅電阻生產工藝進行認真研究，并進行大膽創新，如進行合理的老化，對0℃進行精細調整，再加上高精度的測試手段，就可生產出性能好、質量穩定、壽命長的銅熱電阻產品，達到國家質量技術監督局批準施行的JJG229-1998規程標準。
　　
　　五、關于鎧裝熱電阻的檢定
　　
　　多年來，熱電阻溫度計檢定所采用的規程，都是執行國家質量技術監督局批準施行的JJG229-1998（1998年以前為JJG229-83）工業鉑銅熱電阻檢定規程。規程中第8.2款規定:"在偏差檢定前，應將熱電阻的感溫元件從內襯管和保護管中取出，并放置在玻璃試管中…"。然后再將裝有測溫元件的玻璃試管插入0℃的冰水混合物或100℃的油槽中進行檢定。這個規定的由來是因我國長期以來發電廠中使用的熱電阻測溫元件為裸露型（如把鉑絲繞在云母片上或繞在陶瓷管上），這種熱電阻元件是不能直接浸入冰水混合物或油中，必須用玻璃管加以保護。而在實際使用時，則是把測溫元件裝入金屬保護管內插到所測介質中使用，由于玻璃管和金屬管的傳熱系數不同，因而產生了偏差值。
　　
　　近年來，隨著測溫元件生產技術的提高，鎧裝熱電阻取代了老式的云母骨架和陶瓷骨架熱電阻。鎧裝熱電阻是采用微型薄膜熱電阻封裝到不銹鋼管內，管內填充導熱性能好的絕緣材料。對鎧裝熱電阻的檢定方法，應把它直接插入冰水混合物或油槽中檢定，而不需再用玻璃管來保護。但有不少電廠的溫度計檢定室在檢定鎧裝熱電阻和汽輪機軸瓦用半鎧裝熱電阻時，仍將它們套入玻璃管內插到冰水混合物（0℃）和油槽（100℃）中檢定。這樣一來，就經常發生電廠用戶和制造廠之間由于在檢定值上存在差異而發生糾紛。試驗結果表明，把鎧裝熱電阻套以玻璃管插入0℃的冰水混合物中的檢定值要比鎧裝熱電阻直插入時偏大0.3℃，如果在玻璃管內充入油時，在0℃的檢定值也偏大0.1～0.15℃。
　　
　　目前，對檢定鎧裝熱電阻檢定時應不應該套玻璃管，其說法不一，還存在爭議。因此建議國家質量技術監督部門能早日制定和頒發適合鎧裝熱電阻的檢定規程。