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浅谈玻璃熔窑中热电偶的选型、安装和补偿方法

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2017-10-31 16:03:19

         摘 要: 熔窑温度直接关系到熔窑内火焰燃烧情况和玻璃液状态,对于生产流程的控制有着重要意义,该文根据玻璃生产线熔化工段的测温要求和实际项目经验,介绍并讨论了热电偶的选型、安装和补偿方法,为进一步的优化策略提出了改进的方向。

 
        平板玻璃生产线的主要工艺环节包括熔化、成形以及退火等工序。玻璃生产原料通过投料机投入熔窑加热熔化为玻璃液,再经过成形和退火逐步冷却,形成玻璃板。在玻璃的生产过程中,玻璃液温度及空间温度是最重要的工艺参数,直接关系到玻璃的质量以及整个设备的使用寿命。通过对温度的严格监控,可以实时掌握熔窑燃烧的情况,以及成形、退火工段中玻璃液冷却的情况。因此在熔化、成形和退火工段中,会布置有大量的温度测点,以热电偶作为主要的温度仪表,采集各个阶段的玻璃液和介质空间温度,用于生产流程的监控。熔化工段是最重要的工艺流程,该文从选型、安装和补偿等几个方面,对熔窑热电偶进行介绍。
 
1 热电偶的基本原理和分类
        热电偶是工业中最常使用的温度检测元件之一,可用于测量液体和气体介质以及固体表面温度。其作为一次侧仪表,一般与显示仪表等二次仪表配套使用。热电偶具有测量范围广、精度高、构造简单、安装方便等优势,因此在玻璃生产线上被广泛应用。
 
        热电偶的工作原理基于赛贝克效应,其感温元件由两种不同材质的电导体或半导体A和B组成并将其焊接构成闭合回路,见图1,当回路两端存在温度差,回路中将产生热效应并出现热电流及相应的热电势,其大小由温度差决定,方向取决于温度梯度的方向。在热电偶回路中接入测量仪表测得热电势后即可推断回路温差。热电偶回路的两端被分别定义为测量端(热端)及参考端(冷端)。标定时,将参考端置于恒定温度(如0℃)中,测量热端在不同温度下的热电势与回路温差的函数关系,在实际应用中,冷端与二次仪表连接,二次仪表测得热电势后即可根据该关系获得热端温度值。
 热电偶测量原理图
        热电偶回路温差与热电势的函数关系与被焊接的材料有关,使用不同的材料可制作成不同分度表的热电偶。工业热电偶较为常见分度号有S、B、K、E、T等几种。其中,玻璃生产线内因介质高温、高控制精度等需求,主要选用S、B、K及E型分度号。这里对该几种分度号热电偶的特性进行简单介绍。
 
        1)铂铑10-铂热电偶(S型)准确度高、稳定性好、测温范围广,最高可达1 600℃,一般用于精度要求较高的高温测量。其不足之处在于热电势较小,需配置高灵敏度的二次显示仪表,且仪表及补偿电缆的材料价格较为昂贵。
        2)铂铑30-铂铑6热电偶(B型)与S型一样同属于贵金属热电偶,其特性也与S型相似。但B型热电偶具有更高的测量上限,使用温度可达1 800℃,适用于介质温度更高的测量场合。以上两种热电偶在高温场合精度较高,用于熔窑火焰、玻璃液及成形工段锡液温度的测量。
        3)镍铬-镍硅热电偶(K型)热电势比S型热电偶大4~5倍,长期使用温度1 000℃,且具有良好的稳定性、均匀性和高灵敏度。同时,其造价低廉,是目前使用最为普遍的热电偶。熔窑烟道和退火工段基本使用的都是K型热电偶。
        4)镍铬-康铜热电偶(E型)热电势最大且灵敏度高,长期使用温度800℃,但其抗氧化性能较差。成形工段的空间温度及锡槽底钢壳温度采用E型热电偶测量。
        5)铜-康铜热电偶(T型)普遍用于低温状态温度测量,其测量范围-40~350℃,在此温度范围下,其灵敏度、稳定性等可以满足绝大部分工艺测量要求。熔窑鼓泡系统常用该热电偶。热电偶根据结构形式不同可分为铠装式热电偶和装配式热电偶。铠装式热电偶通过拉制方法将热电极丝固封在金属套管内,其热节点处热容量小故响应快速,且可随测量需要而弯曲。装配式热电偶是将热电极丝及其引线焊接好放入保护套管内,故其导热速率弱于铠装式热电阻,响应速度较慢。但是保护套管具有良好的抗震、抗冲击能力,适用于管道流速较快的工况,使用寿命较长。
 
2 熔窑热电偶
2.1 熔窑热电偶的布置和种类
        火焰温度可以体现熔窑的燃烧情况,不同温度下玻璃液的熔融状态和成分也不相同,所以空间火焰温度和玻璃液温度是熔窑最重要的工艺参数。同时,熔窑温度参数对于火焰换向控制也有校正作用。在窑池碹顶、窑底、蓄热室碹顶、烟道等位置布置有不同类型的热电偶,测量熔窑玻璃液或空间温度。图2~图4中的圆圈代表熔窑中的热电偶测点示意。熔窑内介质温度一般在1 200~1 600℃左右,故大部分热电偶都是S型或B型,见表1。
 烟道温度测量点碹顶温度测量点窑底温度测量点
2.2 熔窑热电偶的安装
        根据实际项目经验,热电偶在投产后经常会过早损坏,很大程度上是因为安装不当导致的,热电偶及补偿导线价格昂贵,所以需要特别重视热电偶的安装问题。熔化部碹顶的温度对于燃烧状态的体现最为直观,而窑底温度则最能反应玻璃液的情况,所以这两处测点最为重要,其热电偶的测量精度及响应时间直接关系到燃烧控制效果。在国内项目中,这两处测点大多采用的是非穿透的安装方式,即用砖温来近似代替实际介质温度。由于碹砖或底部砖与被测介质长期稳定接触,在温度波动不大的情况下,其温差较小(温差主要是因为冷却风机对砖有降温作用),而且温差比较稳定,基本可以反应实际介质的温度。在温度波动频繁的时候,砖温就不能很好的反映出实际介质温度的变化。
 
        以碹顶安装为例。非穿透安装方式是将热电偶插入碹砖孔中,见图5、图6,根据实际项目经验,温度修正值一般为40~100℃。测温灵敏度与其插入深度相关,为了改善灵敏度,应适当深插。孔隙需要用玻璃棉等进行防火封堵。
碹顶非穿透式热电偶安装图(盲孔) 碹顶非穿透式热电偶安装图(非盲孔)
        第二种非穿透式将热电偶探入熔窑空间中,以耐火砖进行保护。这种方式虽然还是以砖温代替空间温度,但间接增大了热电偶与空间的接触面积,提高了热电偶响应速度。
 
        有些对灵敏度要求更高的场合采用穿透式的安装方式,直接测量火焰温度或玻璃液温度。由于热电偶直接接触高温被测介质,特别是窑底处,热电偶直接插入玻璃液中,对保护套管材质要求就会很高,热电偶开孔封堵的要求也更加严格。窑底穿透式热电偶套管见图7。
 窑底穿透式热电偶套管样式
        窑底穿透式热电偶开孔应为热态开孔,这是由于在烤窑时窑底上铺面的耐火材料热膨胀系数不同,如果预先开孔,就会发生各层开孔难以对准的问题。开孔孔径不应过大(热电偶一般为9),过大的孔径会增加孔隙封堵的难度;也不应过小,以防热电偶插入后,由于耐火砖膨胀不均而导致热偶折弯断裂。
 
        窑底穿透式热电偶的保护套管一般采用铂金套管。出于制造成本的考虑,插入玻璃液部分的套管采用铂材料涂层,铂材料壁厚0.5±0.05mm左右,内部衬刚玉管。套管其余部分仍用刚玉管或者高合金管。穿透式热电偶的插入深度不宜太深,否则恶劣的介质环境容易损伤热电偶,比如碹顶热电偶插入深度不应超过50mm,否则会接触料粉和火焰,窑底热电偶插入深度应在100mm左右。碹顶热电偶插入深度适宜的情况下,能够避开火焰,可以采用刚玉管套管。
 
2.3 热电偶的补偿
        在实际工程中,热电偶产生的热电势与测量端、参考端的温度有关,参考端温度T0为零或恒定不变时,热电势是测量端温度的单值函数。在实际工程中,参考端若位于窑外空间,温度会存在很大波动,难以维持恒定。温度补偿就是通过补偿导线,使参考端处于一个温度稳定的环境中,一般是在控制室机柜内。热电偶补偿原理见图8。
 热电偶补偿线路图
        补偿导线按照材质可分为两种,分度号分别为“X”和“C”。“X”为延伸型补偿导线,与热电偶的材质相同,一般的非贵金属热电偶如K型、E型等都采用该种补偿导线;“C”为补偿型补偿导线,与热电偶的材质不同,但在工作温度范围里与热电偶热电势标称值接近,主要适用于贵金属,如S分度号的铂铑10-铂热电偶,项目中补偿电缆基本都采用铜-铜镍。“C”补偿导线虽然精度会有所降低,但价格低廉,对于一般工程项目已经可以满足要求。补偿导线在选型时,还必须选择适用环境和精度,见表2。
 补偿导线分类、等级和型号
        在实际工程中,B型热电偶常常不使用补偿导线,这是由于冷端在0~50℃环境里,B型热电偶仅产生约3μV热电势,对实际测量精度影响不大。补偿导线在敷设的时候要注意抗干扰,应与动力电缆保持距离,特别是在带电助熔的熔窑中。有的项目里会为热电偶补偿导线设置接线盒,窑炉各点的热电偶补偿导线先接入接线盒中,再通过桥架送入控制室。检修时,只需要调换热电偶或者热电偶到接线盒的补偿导线,接线盒到控制室的补偿导线可以长期使用。这样的做法大大节省了维护成本,应予以推广。
 
3 冷端补偿简述
        热电偶的热电势关系式如下
        EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)
        其中,EAB(T,T0)是以冷端温度为基准的测量端温度,EAB(T,0)是以0℃为基准的测量端温度。冷端补偿的基本思路就是通过测量值EAB(T,T0)和热电势波动值EAB(T0,0)来取得目标值EAB(T,0)。热电偶参考端(冷端)的温度漂移,是影响测量精度的一个重要原因。冷端补偿的方法很多,比较经典的是电桥补偿法,见图9,利用有源电桥产生的电压补偿热电偶冷端温度的波动对热电势的影响。
 电桥法冷端补偿图
        冷端温度T0不为0℃时,会产生热电势EAB(T0,0)。通过设置电桥中补偿导线末端电阻温度传感器R1的参数,使电桥输出的电压补偿掉EAB(T0,0),即抵消了冷端温度T0波动对测量精度的影响。冷端补偿可以通过软件实现,可以根据项目情况灵活修改参数,以适应不同的冷端温度或者不同分度号的热电偶,大大提高系统的普适性。
 
4 结 语
        熔窑温度是玻璃生产工艺中的重要测点,直接反映了熔窑燃烧状态,对熔窑各参数的控制也有重要的指导意义。该文根据实际项目经验,在选型、安装和补偿等几个方面对熔窑空间和玻璃液温度测量热电偶进行了大致介绍,旨在针对不同的工艺要求提出具体可行的测量方案,并为以往项目中遇到的热电偶测量偏差和易损坏问题提供解决的思路。
 
       作者:装配式热电偶
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