锅监工程师热工知识培训1

电力行业锅炉监/检师培训考核教材(热工部分)中电联锅监工程师和锅炉压力容器检验师考核委员会华东电力试验研究院热工专业编写2005.10第一章热工测量第三章热工保护附录：相关标准及规程介绍第二章热工自动目录概述本教材编制依据根据中电联锅监/锅检师考核委员会组织编制本教材由中电联锅监/锅检师考核委员会提出并归口本教材归口华东电力试验研究院本标准负责编制单位测量控制与仪器仪表的作用及地位1.电站机组的测量、控制、保护；2.化工、石油、冶金、食品等行业的测量、控制及保护；3.航天器、人造卫星、飞机、舰艇等军事领域。测量用仪器仪表作为信息采集、处理和控制的手段和设备，已成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术之一。王大珩院士指出：“在当今以信息技术带动工业化发展的时代，仪器仪表与测试技术是信息科学技术重要的组成部分”。仪器仪表是工业生产的“倍增器”、科学研究的“先行官”、军事上的“战斗力”、国民活动中的“物化法官”。发达国家已把发展现代仪器仪表列为一项重要的战略措施。例如日本科学技术厅把测量传感器技术作为本世纪首位发展的技术；欧共体则将测量和检测技术列为15个专项之一；美国则更是投入大量的人力物力开发新的测量控制仪器仪表，提高其在军事及科学技术领域领先地位。第一章、热工测量温度、压力、流量、液位四大量是确保电厂热力生产过程安全、经济运行的重要参数，也是锅炉、压力容器检验人员最常遇到和应该了解、掌握的参数。第一节温度测量技术及应用温度是重要的热工参数，如过热蒸汽温度控制不好，过热器和水冷壁管就可能引过热而爆管；汽包和汽缸在机组启停时，若温度不均就会产生危险的应力，又如给水温度和排烟温度是保证锅炉经济运行的重要参数，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机的安全经济运行。升压过程中汽缸壁温上下温差不得超过50℃。因此，准确的测量与控制温度，是保证锅炉、压力容器、承压部件安全的重要手段。1、温度及温标温度是指从特定的标尺上测量出来的物体的冷热程度。当以数值表示温度时，称之为温度度数。温标是衡量物体温度高低标尺，统一了表示方法，明确了温度单位。目前温度计量采用1990国际温标，即ITS-90温标，代替1968年国际实用温标IPTS-68和1976暂用的0.5K到30K温标。1990国际温标有热力学温度和摄氏温度两种表示方法。符号T90代表热力学温度，它的单位名称是“开尔文”，符号为“K”。t90表示摄氏温度，单位名称为“摄氏度”，符号为“℃”。其换算公式为：t=T-273.16，式中的单位符号以℃或K表示。它们的区别仅在于计算的温度起点不同。热力学温度的起点是“绝对零度”，而摄氏温度起点则是水的冰点，彼此只差常数273.16。国际温标是经国际协议而采用的易于高精度复现，在当时水平和技术条件下，属于能接近热力学温标的一种在国际上通用的经验温标。我国目前采用的温标是1990年国际温标，其代号为ITS-90，它是目前国际上通用的温标。我国从1991年7月1日起实施，并自94年1月1日起，所有温度计量仪器的生产、使用、量值传递均需按照“ITS-90”要求进行。《计量法》于85年9月6日由国家主席令第28号公布。2、常用温度计及特性温度计分类工作原理测量范围主要特性接触式膨胀式温度计（1）液体膨胀式（2）固体膨胀式利用液体（水银、酒精等）或固体（金属片）受热时产生热膨胀特性。-200～700℃结构简单，价格低廉，一般只用作就地测量。压力式温度计（1）气体式（2）液体式（3）蒸汽式利用封闭在一定容积中的气体、液体或某些液体的饱和蒸汽受热使其体积或压力变化的性质。0～300℃结构简单，具有防爆性，不怕震动，可作近距离传送；精确度低，滞后性较大。热电阻温度计用导体或半导体受热后电阻值变化的性质。-200～650℃精确度高，能远距离传送，适于低、中温测量；体积较大，测点温较困难。热电偶温度计利用物体的热电性质。0～1600℃测温范围广，能远距离传送，适于中、高温测量；需冷端温度补偿，在低温端测量精度较低。非接触式辐射式温度计（1）光学式（2）比色式（3）红外式利用物体辐射能随温度变化的性质。600～2000℃适用于不能直接测量的高温场合，测温范围广；但精确度受环境条件的影响，需对测量值修正才能获得真实温度。1-1常用温度计及性能指标1）热电偶测温原理热电偶的测温原理基于一种金属和另一种金属之间的热电现象，其理论基础是热电效应。当两种不同材料的金属导体A和B按图1-1组成闭合回路时，2端放在被测介质中感受温度的变化，称为热端（工作端t），另一端称为冷端（自由端t0），组成热电偶的金属导体称为热电极。当热端和冷端温度不同时，在回路中就会产生有一定方向和大小的电势EAB（t，t0），此电势包括接触电势和温差电势。接触电势是两种不同的金属导体A和B的材料性质不同，其内部电子密度也不同，要产生电子扩散，即电子密度大的金属中的电子向电子密度小的金属内扩散。在一定温度下，当电子的扩散力和电力场达到平衡时，在两种金属导体的接触处产生了电位差。3、热电偶温度计温差电势是金属本身两端温度不同而产生的电势（即存在温差，且t＞t0）。由于温度不同自由电子所具有的能量也就不同，温度高则能量大，能量大的自由电子要往温度低的一端移动，使温度高的一端带正电，温度低的一端带负电，于是在两端之间产生了电位差，这就是温差电势。若以EAB（t，t0）表示热电偶回路的总电势，则EAB（t，t0）=EAB（t）+EB（t，t0）-EAB（t0）-EA（t，t0）由于温差电势比接触电势小得很多，可以忽略不计，所以上式可改写成EAB（t，t0）=EAB（t）-EAB（t0）它表示了热电偶的热电势与温度的关系。有式可见，若t0不变，则EAB（t0）为常数，EAB（t，t0）和t之间就有单值对应关系，这就是热电偶测温的基本关系式。当t0有变化而不加校正时，就会引起测量误差。在用实验来确定热电性质时，常使t0=0℃，然后求取EAB（t，t0）的数值，并将其实验数据列成表格，称之为热电偶分度表。热电极的极性确定：在热电势符号EAB（t，t0）中，规定写在前面的A和t为正极和高温，写在后面的B和t0为负极和低温。若把前后位置颠倒，则热电势极性相反。因此在实践中要判断热电偶热电势时，可将热电偶热端稍加热，然后在冷端用电位差计来识别。当热电偶两电极材料一定时，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。2）热电偶冷端温度处理由于热电偶分度表和根据温度刻度的温度仪表都是以热电偶冷端温度等于0℃为条件的，如果冷端温度不等于0℃，尽管被测温度t保持不变，但热电势E(t，t0)也将随着冷端温度的变化而变化。例如，在主蒸汽管道上装有一K型热电偶，与其配用的仪表刻度范围为0～600℃。当保持热电偶冷端温度为0℃时，若热电偶产生的热电势为22.346mV,则仪表指示为540℃，表示主蒸汽温度为540℃。如果在主蒸汽温度不变的情况下，热电偶冷端的温度升高为30℃，则热电偶产生的热电势就会下降到21.143mV，此时仪表指示将为512℃，比实际温度低28℃。如果冷端温度是变化的，则引入的测量误差将是个变量。因此需要对冷端温度采取一些补偿措施，以消除冷端温度变化所引起的误差，确保测温的准确性。常用的补偿法有如下几种：（1）热电势修正法各种热电偶的分度值是在冷端温度0℃时获得的，也就是只给出E（t，t0）与t之间的关系。当冷端温度不是0℃而是t0时，则可应用中间温度定律校正：E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）可见，当t0≠0℃时，只要在热电势E（t，t0）上加上修正值E（t0，0），得出E（t，0）后再查相应的分度表，即可求得被测温度。如：用一支S型热电偶测温，冷端处在20℃室温下，测的热电势为7.341mV，求被测温度t是多少？解：根据t0=20℃差分度表的Es（20，0）=0.113mV，代入下式：Es（t，0）=Es（t，t0）+Es（t0，0）=7.341+0.113=7.454mV根据此电势值，在分度表上查得被测温度t=810℃。注意，由于分度表的非线性性质，直接用7.341mV查分度表得800℃，在加上室温，即800℃+20℃=820℃，就认为是被测真实温度，这是不对的。（2）冷端恒温法冷端恒温法就是保持热电偶冷端温度为0℃。在保持0℃时，热电偶输出的热电势就不必进行校正。保持0℃的方法是采用冰点槽或冰瓶。这种恒温方法精度较高，常用于实验室，因不方便生产中很少采用。（3）冷端温度的补偿法利用产生补偿电势来消除冷端温度变化影响的装置，称冷端补偿器，它与热电偶冷端串联相接，它们处于同一环境温度中。它采用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势变化。（4）补偿导线法普通型热电偶的热电极较短，通常热电偶的冷端靠近热源，其冷端温度不但很高而且波动较大。为了便于进行热电偶冷端温度的修正和集中监控，必须把热电偶的冷端置于远离热源和温度波动较小的地方，但加长电极尺寸很不经济。考虑到热电偶冷端所处环境温度常在100℃以下，可以找到一种和它的热电极性相同的廉价金属材料做导线，把热电偶的冷端延伸出来，如图1-2所示。这种在一定温度范围内，其热电性能与热电偶的热电性能很相近的导线称为热电偶的补偿导线。其作用只是将热电偶冷端移至离热源较远及环境温度较稳定的地方，并不能消除冷端温度不是0℃时的影响。使用补偿导线时应注意：①不同的补偿导线只能与相应型号的热电偶配用；②使用补偿导线时切勿将其极性接反，否则将使冷端产生的误差为不使用补偿导线时的两倍；③补偿导线和热电偶连接点温度≤0～150℃，否则会增大误差；④补偿导线和热电偶连接处的两个连接点温度必须相同，否则会增大误差。目前应用最广的是补偿导线法，如在DCS中广泛采用补偿导线法。3）热电偶的材料与结构对热电偶材料的要求是：物理和化学性能稳定、热电势和热电势率（温度每变化1℃所引起的热电势的变化）大、热电势与温度之间呈线性关系、电导率高、电阻温度系数小、复现性好、价格便宜。常用热电偶材料有贵金属、廉金属、非金属和半导体等。按工业标准化的情况可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。前者工艺上比较成熟、能批量生产、性能稳定而良好并已列入国标。同一性能的热电偶互换性好、具有统一的分度号。标准化热电偶见表1-2。后者没有统一的分度表，无论从使用范围和数量上都不及标准热电偶。由于使用中因热端氧化、腐蚀、高温结晶等会引起热电特性变化而引起测量误差，因此必须定期校验。表1-2常用热电偶型号及特性名称分度号等级测温范围（℃）允许误差（℃）铂铑10-铂SⅠ0～1100、1100～1600±1、±[1+(t-1100)×0.003]Ⅱ0～600、600～1600±1.5、±0.25%t铂铑30-铂铑6BⅡ600～1700℃±0.25%tⅢ600～800、800～1700±4℃、±0.5%t镍铬-镍硅KⅠ0～400、400～1100±1.6℃、0.4%tⅡ0～400、400～1300±3℃、±0.75%t铜-康铜TⅠ-40～350±0.5、±0.4%tⅡ-40～350±1℃、±0.75%t（有Ⅲ级）镍铬-康铜EⅠ-40～800±1.5、±0.4%tⅡ-40～900±2.5、±0.75%t（有Ⅲ级）铁-康铜JⅠ-40～750±1.5、±0.4%tⅡ-0～1100±2.5、±0.75%t铂铑13-铂RⅠ-0～1100、1100～1600±1、±[1+(t-1100)×0.003]Ⅱ0～1600±1.5、±0.25%t热电偶的结构形式品种繁多，火电厂常用的热电偶有普通插入式和嵌装热电偶，其结构见图1-3和图1-4。普通插入式热电偶制造工艺简单，但体积大、材料消耗量多，不能用于狭小部位的温度测量，热惯性大，难以满足瞬间测温的要求。嵌装热电偶具有体积小、热惯性小、挠性好、寿命长、适应性强、品种多，应用十分广泛。4）热电偶的应用在火力发电厂，热电偶测温被广泛用于管壁温度、缸壁温度、轴承温度、炉膛温度、蒸汽温度等的测量和控制。但在应用过程中尤其对热