K型熱電偶是工程上廣泛使用的溫度傳感器，被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的溫度測(cè)量中。電廠需要使用較多的熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然而，電廠煙道環(huán)境對(duì)熱電偶的耐用性與測(cè)溫穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一方面，煙道內(nèi)高溫，通常為600～1000℃，會(huì)加速熱電偶保護(hù)管的氧化與熱疲勞，且316 L不銹鋼套管在900℃下長(zhǎng)期使用時(shí)，年氧化速率可達(dá)0.2mm；另一方面，燃煤產(chǎn)生的飛灰沖刷套管表面，導(dǎo)致套管壁厚均勻性下降，甚至出現(xiàn)局部穿孔，使內(nèi)部熱電偶絲直接暴露于腐蝕環(huán)境中。因煙道灰塵沖刷與高溫腐蝕，常規(guī)K型熱電偶的平均使用壽命較短，且報(bào)廢前測(cè)溫誤差過(guò)大，并因誤差過(guò)大而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。
為解決上述問(wèn)題，可采用帶GH3039材質(zhì)保護(hù)套管的K型熱電偶，但套管是否加裝堵頭的設(shè)計(jì)差異尚未得到系統(tǒng)研究。若堵頭能阻斷灰塵與腐蝕氣體進(jìn)入套管內(nèi)部，可減少熱電偶絲污染與腐蝕，提升測(cè)溫精度；但堵頭可能增加熱傳導(dǎo)阻力，延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。基于此，本研究設(shè)計(jì)保護(hù)管封頭與保護(hù)管不封頭兩種K型熱電偶，通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，從測(cè)溫精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性三方面展開(kāi)對(duì)比，為電廠等高溫工業(yè)場(chǎng)景的熱電偶選型提供數(shù)據(jù)支撐。
1、材料與方法
1.1 儀器與設(shè)備
黑體輻射爐(精度±0.25%)；34970A數(shù)據(jù)記錄儀(精度±0.08%，用于熱電偶測(cè)試，美國(guó)安捷倫科技有限公司)。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 黑體輻射爐實(shí)驗(yàn)采用黑體輻射爐作為標(biāo)準(zhǔn)熱源，其核心功能是提供穩(wěn)定、均勻的高溫環(huán)境，模擬電廠煙道的高溫工況。為確保熱源精度，實(shí)驗(yàn)前需對(duì)黑體輻射爐進(jìn)行溯源校準(zhǔn)：使用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)器，在500、800、1200、1600℃4個(gè)關(guān)鍵溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果顯示各點(diǎn)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差均小于±0.1℃。具體參數(shù)為：溫度調(diào)節(jié)范圍500～1600℃，黑體輻射強(qiáng)直徑40mm，溫度分辨率1℃，溫度精確度±0.25%(滿量程)，有效發(fā)射率0.99，溫度穩(wěn)定性±3℃，溫度傳感器為雙鉑銠熱電偶。該黑體輻射爐采用剛玉輻射腔，輻射腔內(nèi)涂高溫涂料(發(fā)射率在0.9以上)，穩(wěn)定性和均勻性好，黑體輻射爐外部尺寸為600mm×460mm×610mm。
1.2.2 測(cè)試熱電偶
兩種測(cè)試熱電偶的核心結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致，僅保護(hù)套管端部是否加裝堵頭存在差異。保護(hù)套管選用GH3039材質(zhì)，該材質(zhì)的鉻元素在高溫下可形成連續(xù)致密的Cr2O3氧化膜，氧化膜與基體結(jié)合力強(qiáng)，在950℃空氣中的年氧化速率小于等于0.1mm，遠(yuǎn)低于316L不銹鋼(950℃年氧化速率約0.3mm)；同時(shí)，鉬、鈮元素可抑制Cl-、SO42-等腐蝕性離子對(duì)套管的侵蝕，適配電廠煙道中含硫、含氯的腐蝕環(huán)境，避免套管內(nèi)壁因腐蝕產(chǎn)生剝落物污染熱電偶絲，確保測(cè)溫穩(wěn)定性。熱電偶絲采用鎳鉻-鎳硅材質(zhì)(分度號(hào)K)，直徑0.5mm，其在-200～1200℃范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與溫度線性度良好，誤差小于±2.5℃或±0.75%t (t為測(cè)量溫度)。保護(hù)管封頭熱電偶的保護(hù)管采用GH3039材質(zhì)，堵頭端面為弧形設(shè)計(jì)，可減少灰塵沖刷時(shí)的局部應(yīng)力集中，降低磨損速率。
為驗(yàn)證保護(hù)管封頭對(duì)于熱電偶的耐磨性影響，分別使用了保護(hù)管封頭的K型熱電偶與保護(hù)管不封頭的K型熱電偶，其余部件均保持一致。保護(hù)管不封頭的K型熱電偶記編號(hào)為301，保護(hù)管封頭的K型熱電偶記編號(hào)為302，見(jiàn)圖1。
圖1 左側(cè)為保護(hù)管不封頭的K型熱電偶，右側(cè)為保護(hù)管封頭的K型熱電偶
1.3 數(shù)據(jù)采集儀器
采用34970A型數(shù)據(jù)記錄儀記錄K型熱電偶的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。該記錄儀配備20通道輸入模塊，支持熱電偶、電阻、電壓等多種信號(hào)類型，本次實(shí)驗(yàn)選用K型熱電偶專用通道，采樣頻率設(shè)定為每10s采集1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，溫度分辨率0.01℃，測(cè)量誤差±0.05℃，確保數(shù)據(jù)采集的精度與時(shí)效性。
為減少數(shù)據(jù)干擾，數(shù)據(jù)記錄儀與黑體輻射爐的距離保持在2m以上，避免爐體電磁輻射對(duì)記錄儀的影響；信號(hào)傳輸線采用屏蔽雙絞線(型號(hào)RVVP 2×0.5mm2)，屏蔽層接地電阻小于1Ω，有效抑制外界電磁干擾。采集的溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)為表格格式，便于后續(xù)通過(guò)軟件進(jìn)行曲線繪制與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
此外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境嚴(yán)格控制溫度保持在25℃，相對(duì)濕度50%，通過(guò)空調(diào)與除濕機(jī)實(shí)現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用防震設(shè)計(jì)，避免人員走動(dòng)或設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)影響熱電偶與黑體輻射爐的對(duì)接精度，確保熱電偶探頭位于輻射腔中心位置，減少因位置偏移導(dǎo)致的溫度場(chǎng)不均勻誤差。
1.4 數(shù)據(jù)處理
本研究通過(guò)301#K型熱電偶與302#K型熱電偶單獨(dú)放置在黑體輻射爐中與兩種熱電偶同時(shí)放置在黑體輻射爐中進(jìn)行測(cè)試，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，數(shù)據(jù)采集使用安捷倫34970A數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行收集并上傳至電腦軟件中，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后用Orgin 2017軟件進(jìn)行圖表繪制。
2、結(jié)果與分析
2.1 測(cè)試方法與結(jié)果
測(cè)試兩種帶有不同型式不銹鋼保護(hù)套管的熱電偶測(cè)溫性能、響應(yīng)時(shí)間，采用黑體輻射爐作為標(biāo)準(zhǔn)熱源，34970A數(shù)據(jù)記錄儀作為數(shù)據(jù)讀取儀器。實(shí)驗(yàn)工況為升溫階段保持到800、850、900、950℃，4個(gè)節(jié)點(diǎn)直到熱電偶讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行升溫，降溫節(jié)點(diǎn)為950℃降至800℃。同時(shí)測(cè)試時(shí)加有750、700、650℃3個(gè)降溫節(jié)點(diǎn)。
圖2(a)～(c)分別是301、302#K型熱電偶單獨(dú)放置以及301#與302#K型熱電偶同時(shí)放入黑體輻射爐中的溫度/時(shí)間曲線圖。
圖2(a) 301#保護(hù)管不封頭的K型熱電偶單獨(dú)檢測(cè)
結(jié)合圖2中數(shù)據(jù)可得出，如圖2(a)所示，301#保護(hù)管不封頭的K型熱電偶在黑體輻射爐升至800℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為5.011℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為40s；在黑體輻射爐升至850℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為5.152℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為50s；在黑體輻射爐升至900℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.345℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為40s；在黑體輻射爐升至950℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.89℃。平均響應(yīng)時(shí)間為43.333s，平均溫差為4.345℃。
圖2(b) 302#保護(hù)管封頭的K型熱電偶單獨(dú)檢測(cè)
如圖2(b)所示，302#保護(hù)管封頭的K型熱電偶在黑體輻射爐升至800℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.43℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為70s；在黑體輻射爐升至850℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為2.67℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為190s；在黑體輻射爐升至900℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為2.62℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為80s；在黑體輻射爐升至950℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為2.50℃。平均響應(yīng)時(shí)間為113.33s，平均溫差為2.805℃。
圖2(c) 301#與302#K型熱電偶同時(shí)檢測(cè)
如圖2(c)所示，301#保護(hù)管不封頭的K型熱電偶在黑體輻射爐升至800℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為5.000℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為40s；在黑體輻射爐升至850℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.492℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為120s；在黑體輻射爐升至900℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.611℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為60s；在黑體輻射爐升至950℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.10℃。平均響應(yīng)時(shí)間為73.333s，平均溫差為4.673℃。
由圖2(c)所示，302#保護(hù)管封頭的K型熱電偶在黑體輻射爐升至800℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為6.081℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為40s；在黑體輻射爐升至850℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.841℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為120s；在黑體輻射爐升至900℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為4.021℃，升溫后響應(yīng)時(shí)間為60s；在黑體輻射爐升至950℃時(shí)，熱電偶與黑體輻射爐溫差為3.232℃。平均響應(yīng)時(shí)間為73.333s，平均溫差為4.293℃。
2.2 不同工業(yè)場(chǎng)景的選型建議
基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不同高溫工業(yè)場(chǎng)景，提出以下熱電偶選型建議：
①高粉塵、強(qiáng)腐蝕場(chǎng)景
如燃煤電廠鍋爐煙道、垃圾焚燒爐排氣道，優(yōu)先選用K型(帶堵頭)熱電偶。此類場(chǎng)景中，粉塵濃度可達(dá)50～100g/m3，腐蝕性氣體(SO2、NOx)濃度高，封頭的保護(hù)管可有效延長(zhǎng)熱電偶使用壽命，降低維護(hù)成本。
②低粉塵、溫度快速變化場(chǎng)景
如燃?xì)廨啓C(jī)排氣道、航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)，溫度變化速率可達(dá)10～20℃/min，可選用優(yōu)化后的保護(hù)管封頭的K型熱電偶(如采用薄壁堵頭，壁厚0.5mm)，將響應(yīng)時(shí)間縮短至50～80s，兼顧精度與響應(yīng)速度。
③低粉塵、低腐蝕場(chǎng)熱電偶選型建議
如石油化工加熱爐，粉塵濃度低于5g/m3，腐蝕性弱，可選用保護(hù)管不封頭的K型(無(wú)堵頭)熱電偶，以較低成本滿足測(cè)溫需求。
3、結(jié)論
綜上所述，保護(hù)管封頭的K型熱電偶在高溫環(huán)境(800～950℃)下的測(cè)溫精度顯著優(yōu)于保護(hù)管不封頭的K型熱電偶：?jiǎn)为?dú)檢測(cè)時(shí)，302#K型熱電偶的平均溫差(2.805℃)較301#K型熱電偶(4.345℃)降低35.5%；同時(shí)檢測(cè)時(shí)，302#K型熱電偶的平均溫差(4.293℃)較301#K型熱電偶(4.673℃)降低8.1%，溫度穩(wěn)定性更突出。保護(hù)管封頭會(huì)導(dǎo)致熱電偶響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)：?jiǎn)为?dú)檢測(cè)時(shí)302#的平均響應(yīng)時(shí)間(113.333s)較301#K型熱電偶(43.333s)延長(zhǎng)161.6%，但延長(zhǎng)后的響應(yīng)時(shí)間仍滿足工業(yè)場(chǎng)景需求，且同時(shí)檢測(cè)時(shí)兩者響應(yīng)時(shí)間一致(73.333s)，說(shuō)明環(huán)境一致性可抵消部分響應(yīng)時(shí)間差異。封頭保護(hù)管的核心作用是阻斷粉塵與腐蝕性氣體侵入保護(hù)套管內(nèi)部，避免熱電偶絲污染與腐蝕，同時(shí)優(yōu)化套管端部熱場(chǎng)分布，是提升測(cè)溫精度的關(guān)鍵因素。302#K型熱電偶測(cè)試溫度與黑體輻射爐標(biāo)定溫度差距小，因此保護(hù)管封頭的K型熱電偶具有更好的測(cè)試性能，其在高溫環(huán)境下的平均溫差顯著低于保護(hù)管不封頭的K型熱電偶常規(guī)熱電偶，溫度測(cè)試精度與穩(wěn)定性更突出，且保護(hù)管封頭的設(shè)計(jì)未對(duì)響應(yīng)效率產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性負(fù)面影響，滿足高溫場(chǎng)景下對(duì)“高精度+穩(wěn)定響應(yīng)”的雙重需求。
作者：(國(guó)能浙江北侖第三發(fā)電有限公司)鄒峙劍、劉大蔚、張科
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