光纖測溫技術在E-Gas氣化爐壁溫檢測上的應用

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有限公司，浙江寧波 315010)

1 概述

E-Gas氣化爐是一種兩段進料的氣流床氣化爐，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。氣化爐一段進料為高壓氧氣和煤漿，氣化爐二段進料只有煤漿。氣化爐一段反應的合成氣經過上行通道到氣化爐二段，和二段噴入的煤漿激冷后進入停留段，最后控制溫度后進入余熱鍋爐。

E-Gas氣化爐一段反應溫度為1 350～1 472 ℃，氣化爐承受高溫的熱通道比較長。氣化爐壁溫檢測關乎氣化爐安全運行，為了保證爐壁溫度處于安全可靠區間，采用分區檢測思路，將整個E-Gas氣化爐熱通道分為13個區，每個區配置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。當氣化爐外壁某一位置過熱時，特氟龍管就會熔斷，管內的儀表空氣就會泄漏，壓差變送器的測量信號出現變化。操作員監控到某一測溫區域的壓差變化后，就會聯系現場操作人員進行排查。通過查找特氟龍管泄漏的具體位置，就可以對應具體的高溫點。特氟龍管熔斷后，必須對熔斷位置重新續接，才可以重新檢測對應的壓差變化。E-Gas氣化爐的外壁溫度檢測分區見圖1。

圖1 氣化爐表面測溫分區示意圖

2 氣化爐外壁測溫技術現狀

氣化爐的壁溫監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警系統，以及E-Gas氣化爐上使用的特氟龍管壁溫預測系統都屬于直接接觸式測溫系統，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測，通過連續掃描來發現氣化爐壁溫的變化情況[1]。

直接壁溫監測系統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現某一區域內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方可繼續監控。

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。一般工業應用的紅外熱成像攝像儀都有專用的圖像及數據處理軟件，溫度圖像顯示、報警模式及參數設置、數據處理等功能全面。當設備故障時，系統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確、及時反饋氣化爐外壁的真實高溫點分布區域，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測效果，出現監測死區。

3 光纖測溫技術的特點和優勢

3.1 光纖測溫的原理

管線測溫技術以其較高的空間分辨率和溫度分辨率，能夠實時監測溫度。多年來，管線測溫技術因耐腐蝕、抗電磁干擾、防火防爆以及傳輸距離遠等優點，為水利、電力和長輸管道系統的安全運行提供了保障[3-5]。光纖測溫技術使用分布于氣化爐表面的光纖來監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的玻璃芯，當光脈沖沿著光纖玻璃芯下移時，會產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，光纖中光傳輸的每一點都會產生拉曼散射，并且產生的拉曼散射光均勻分布在整個空間角內。

拉曼散射是由光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換而產生的。如果一部分光能轉換成為熱振動，那么將發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換成為光能，那么將發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，就可以實現對外部溫度變化的監測。根據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 光纖結構

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，又是溫度感測元件。考慮到氣化爐苛刻的工作環境，感溫探測光纜應具備耐高溫、抗嚙咬、抗震特性，即用于氣化爐壁溫監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性能，以保證快速的溫度探測。

基于氣化爐內部的高溫和高壓環境，測溫光纖采用耐高溫設計，光纖外表面輔以鎧裝保護結構，以提高光纖在使用過程中的安全性和可靠性。光纖的結構示意圖見圖3。

3.3 用戶界面和功能

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

圖4 光纖測溫系統的用戶界面

3.4 光纖測溫系統的特性

根據氣化爐設備的工藝要求和特點，氣化爐光纖測溫系統的性能見表1。

表1 光纖測溫系統性能

4 光纖測溫技術的應用效果

結合實際運行中關注要素，E-Gas氣化爐爐壁劃分為15個監測區域，其中氣化爐一段和氣化爐二段因溫度較高、反應條件苛刻劃分為9個重點監控區域，其他部分劃分為6個區域。

重點監控區域的測溫光纜以“S”型雙光纜并行敷設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膠水黏結雙重固定，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，光纖敷設效果見圖5。

圖5 氣化爐爐壁耐高溫光纜敷設示意圖

考慮氣化爐的設備安全性，光纖測溫系統中設置了每一區域的超溫報警，并將每一區域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顯示見圖6。光纖測溫系統使用可視化界面，通過實時的色譜差異來動態顯示氣化爐表面的溫度變化。經現場使用紅外熱成像儀進行對照檢查，光纖系統測溫偏差可以控制在5 ℃以內，能夠比較準確地反應氣化爐實際的表面溫度。

(a)運行前

5 結語

光纖測溫系統在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氣化爐原有壁溫監測系統熱點位置及溫度不確定的缺點，動態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，其功能優于國內大多數熱壁爐采用的熱電阻測溫系統，對于氣化爐的安全運行提供更大的借鑒和幫助。