电厂温度测量技术介绍

温度是重要的热工参数，准确地测量和控制温度，是保证锅炉、压力容器、承压部件安全和电力生产经济运行的重要指标之一。锅炉主蒸汽温度是必须监视和控制的参数，过高或过低均会影响锅炉和汽轮机的安全经济运行。过热器管壁温度和汽包壁温度是保证锅炉安全运行的重要参数指标，给水温度和排烟温度是保证锅炉经济运行的重要参数。同样，锅炉压力容器内的介质温度也必须精确地显示和可靠地控制。

下面介绍电厂常用的温度测量方法。

一、就地温度计和温度表

在目前的机组上，虽然DCS系统已非常发达，几乎到了无所不包容的地步，但就地温度计仍然占有很重要的位置。主要应用的有水银温度计、压力式温度计和双金属温度计等。

水银温度计、压力式温度计主要用于测量温度较低的场合，一般在150℃以下，用于机组辅机的轴承温度等的测量。双金属温度计由于采用金属敏感元件，可以测量较高的温度。用于高压加热器蒸汽温度等的测量。

二、热电偶测温

1.热电偶测温的原理

热电偶测温在发电厂应用非常广泛，它具有测温范围广泛（-200～+1300℃）、性能稳定、测量准确可靠、便于远距离传递和记录，也可以集中检测和控制等优化。热电偶是根据热电效应原理测量温度的，即两种不同成分的导体形成闭合回路，当两端温度不同时，在回路中产生热电势，这是由温差电势和接触电势组成的。

（1）温差电势。在同一根均质的金属导体上，如果存在温差（t＞t0），那么就会产生热电势EA（t1t0），称为温差电势。

（2）接触电势。两种不同成分的导体A、B连接在一起时，由于自由电子密度不同，在接触处就会产生电子扩散，假如A导体的自由电子密度比B导体大，则A导体扩散到B导体的自由电子数比B导体扩散到A导体的多。A导体失去电子带正电，B导体得到电子带负电，在接触处形成电位差，即接触电势。

（3）热电偶回路的热电势。最简单的热电势闭合回路如图3-4所示，在两个接触点1和2处有两个接触电势EAB（t）和EAB（t0）；因t＞t0，所以热电极A、B各有温差电势EAB（t）和EAB（t0）。其电势方向如图所示，总电势EAB（t1t0）为四个电势的代数和。

图3-4 最简单的热电偶闭合回路

当热电偶A、B电极材料一定时，热电偶产生的热电势仅与热端温度成单值函数关系，而与热电偶丝长短和粗细无关。这是热电偶测温原理。

2.常见热电偶种类

（1）铂铑10—铂热电偶。是一种贵金属热电偶，热电性能稳定、抗氧化性能好。

（2）铂铑30—铂铑6热电偶。是20世纪60年代发展起来的一种高温热电偶。此种热电偶火电厂用得较少。

（3）镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶。500℃以下可在还原性、中性、氧化性介质中可靠地可作，500℃以上只能在氧化性或中性介质中工作，它的热电势率比铂铑10—铂热电偶高4～5倍，且热电势与温度关系近似直线，价格比较便宜，在工业上广泛应用。火电厂通常用它测量过热器高温段管壁温度、烟气温度、主蒸汽温度等。它的不足之处是含镍量高，镍硅（铝）有明显磁性。

（4）镍铬—考铜热电偶。其特点是热电势率大，均为60～70μV/℃，因而与其配套的显示仪表其灵敏度可以较低。它与镍铬—镍硅热电偶相比，这种热电偶含镍量较小、价格较低，但考铜在高温下易氧化变质，长期使用时上限温度仅为600℃。

（5）铜—康铜热电偶。这种热电偶的热电势率较大，线性很好，且价格低廉。但由于铜易氧化，所以它在氧化性介质中使用不宜超过300℃。

3.热电偶冷端温度补偿

热电偶分度表和根据分度表刻度的显示仪表，均以热电偶冷端温度等于0℃为条件，在使用中必须遵循这一条件。如果冷端温度不等于零，尽管被测介质温度不变，热电偶将随冷端温度变化而变化。要使冷端温度严格保持在0℃是比较麻烦的，只有在实验室比较容易做到。在现场热电偶冷端温度往往不是0℃，而是处于室温或波动变化的温度，要测出被测介质温度就必须采用补偿措施。

（1）补偿导线。普通型热电偶的热电极较短，通常热电偶的冷端靠近热源，其冷端温度不高，但变化很大。如果把冷端移到远离热源、温度比较稳定的地方，但加长了热电偶电极尺寸，很不经济。在一定温度范围内，某种材料的热电特性与热电偶电极材料的特性一致，这种材料又是廉价金属，可以在低温范围内代替热电偶材料，这种做热电偶延伸线的材料叫补偿导线。

（2）冷端补偿器。补偿导线仅把热电偶的冷端引入温度比较稳定的地方，但不能保持冷端稳定不变，因为热电偶的冷端温度随大气环境温度的变化而变化，所以测量结果仍然有误差。有一种较精确的办法就是采用冷端补偿器。热电偶冷端补偿器实际上是一个不平衡电桥，它与热电偶冷端串联相接，它们处于同一环境温度中。

4.热电偶的结构形式(www.xing528.com)

（1）铠装热电偶。铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，套管有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分是氧化镁。套管中的热电极有单丝、双丝和四丝，彼此之间互相绝缘。目前生产的铠装热电偶，其外径一般为1～6mm，长度为1～20m，外径最细的有0.2mm，长度最长的有超过100m的。用于测量过热器、再热器的金属壁温要用到较长的铠装热电偶。

（2）耐磨热电偶。由于锅炉风道或烟道的流速过快，且带有粉尘，对测温元件的磨损也非常强，因此，近几年出现了专门用于烟道和磨煤机煤粉管等上面的耐磨热电偶。一般采用渗透技术或采用非金属材料做热电偶的套管材料，有效地减少了热电偶磨损的程度，延长了热电偶的使用周期。

三、热电阻测温

测量500℃以下的温度，由于热电偶产生的热电势较小，灵敏度低，常用热电阻来测温，例如：锅炉的给水温度、排烟温度等。

常见的热电阻种类如下。

1.铂热电阻

铂是比较理想的热电阻材料，化学性能稳定、耐高温，容易获得高纯度的铂，比电阻较大、热电阻体积小。不仅可供工业使用，而且能做温标的基准器。

2.铜热电阻

优点是价格便宜，易得到较纯的铜，具有较高的电阻温度系数，电阻与温度近似为线性关系。

由于热电阻具有抗振性差，安装不方便等缺点，目前广泛采用铠装式热电阻。铠装热电阻具有如下优点：

（1）外径尺寸很小，最小可达直径1mm，因此其热惯性小，响应速度快。

（2）机械性能好，可承受强烈的震动和冲击。

（3）除感温元件外，其他部分可任意弯曲，适合在复杂结构中安装。

（4）由于感温元件与金属套管、绝缘材料形成一密封实体，不易受到有害介质的侵蚀，因此寿命比普通热电阻长。

（5）铠装热电阻的外径一般为2～8mm，最小可做到1mm，保护套管用不锈钢制成，绝缘材料为氧化镁粉。

四、温度变送器

温度变送器本身是一个直流毫伏转换器，把直流毫伏转换成0～10mADC或4～20mA DC信号。它的输出电流与输入直流毫伏成线性关系。输入回路把来自热电偶或热电阻等的测量信号变换为直流毫伏信号与放大反馈信号相减后，其差值经过调制、交流放大、检波放大而输出。由于温度变送器在制造工艺上较为复杂，且安装现场环境较差，目前应用较少，一般是输出4～20mADC信号，直接进入DCS进行显示。

五、DCS温度测量

目前，大型机组或新型机组普遍采用DCS系统代替原来的温度测量仪表或DAS系统，有必要介绍一下DCS系统的测温情况。

由于采用了DCS系统，温度测量大部分纳入到DCS中，未进入DCS的仪表，仅是一些就地水银温度表和双金属温度计。进入主控室远方监视的温度测点，只保留几块重要的温度指示，由数字温度表进行指示。一般只保留锅炉主汽温度、汽轮机主汽温度、再热汽温度，有些电厂取消后备显示盘和所有显示表，全部进入DCS，由大屏幕进行显示。

DCS测温采用常规的热电偶和热电阻，热电偶一般采用E型、K型等较廉价的热电偶，热电阻采用Pt100和Cu50。

DCS测温除温度元件采用常规仪表外，温度测量回路中的补偿、变送、显示、报警、跳闸全部采用DCS来完成，主要由I/O卡件、计算机处理卡件、通信卡件、CRT显示四部分组成。热电偶或热电阻直接接入I/O卡件，而且卡件可以分为热电偶输入卡、热电阻输入卡和通用温度输入卡，来满足系统的不同需要。一般每块卡件可以输入16个通道，16个通道通用卡件电源、通信通道来和计算机通信。测点的性质（元件的性质）、测量范围，全部由软件来完成，减少了指示表中间变送环节的校验等，极大地节省了人力物力，同时，也提高了温度测量的可靠性和准确性。I/O卡件采集的温度信号，由计算机进行处理，由通信卡件送到CRT进行显示和报警，CRT刷新的速度可以根据不同的要求进行设置，重要的温度点可能达到每1s更新一次，不重要的温度点可以刷新时间较长。所有进入DCS的温度点全部可以记录实时趋势和历史数据，给运行人员和机组性能计算提供了大量全面的数据。

对于区域性的集中温度测量，DCS系统可以设立远程站，来完成大面积的温度测量，如发电机定子线圈温度测量、锅炉过热器、再热器金属壁温度测量等，热电偶可以直接引入远程站，从而节省了补偿导线。由远程站进行处理后，以通信的方式送入DCS系统通信网络，进行温度的显示和报警，从而节省大量的补偿导线的投资。

温度测量进入DCS，是机组容量不断扩大的需要，同时也是DCS系统本身发展的需要。温度测量进入DCS后，可以增加对机组的监视点，提高对机组的远方监视，提高机组运行水平；全部纳入DCS后，可以节省大量的费用，降低工程造价。更重要的是，温度测量进入DCS，可以提高温度测量的准确性和可靠性，同时，可以提高机组的经济性。