热工测量及仪表课程设计闫煜Word下载.docx

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设计题目

火力发电厂锅炉温度测量系统设计（以600MW机组为例）

课

程

设

计

目

的

热工测量及仪表课程设计是在学生学完了《热工测量及仪表》这门课后，进行的又一重要教学环节。

通过课程设计，一方面使学生将所学知识融会贯通，特别是对热工测量及仪表在火力发电厂中的实际应用及重要性有更深刻的了解和掌握。

课程设计主要通过分别对600MW火力发电机组锅炉HG-2072/25.4的水冷壁壁温，炉膛尾部烟道烟气温度，主蒸汽管的蒸汽温度。

设计温度测量系统。

包括选择测量方法，测量元件及配线，显示仪表等。

分析测量过程中可能引起误差的因素及应采取的措施。

从而培养了学生分析问题、解决问题的力。

要

求

1．分析设计说明书一份，（十五页左右,有图）

2．按上课要求在教室进行设计。

缺勤超1/2者，不予评定成绩。

3．说明书要求内容正确、文字通顺、分析合理、说明简洁、书写工整。

4．按时独立完成任务，不得抄袭他人成果。

参

考

资

料

1.《热工测量及仪表》朱小良方可人编

2．《热工测量和控制仪表的安装》中国电力出版社1998

3．《热工参数测量与处理》

4．《热工参数测量及仪表》.

5．《误差理论与应用》中国计量出版社.1985

时间

三周

应完成内容

查阅资料，进行设计分析，编写提纲，草稿，并最终完成课程设计报告。

指导教师签字

教研室主任签字

说明：

1、此表一式三份，院、学生各一份，报送教务处一份。

2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。

一、温度测量概述

温度测量，使用测温仪表对物体的温度进行定量的测量。

根据温度测量所依据的物理定律和所选择作为温度标志的物理量。

测量温度的方法很多，按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。

接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。

这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。

此外，非接触式测温法热惯性小，可达1/1000S，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。

由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影戏那个，这种方法一般测温误差较大。

1.热电偶测温的应用原理

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

2.热电偶测温基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。

当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。

热电偶就是利用这一效应来工作的。

3.热电偶的种类及结构形成

（1）热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。

非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

（2）热电偶的结构形式 

为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

4.热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 

金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 

端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

5.温度测量仪表的分类 

温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。

通常来说接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；

但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交金刚，帮需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。

非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；

但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

二、锅炉水冷壁温度测量设计

1.温度测量的方法比较及选择

（1）热电偶：

热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。

（温度→电势）广泛地用于测量100℃—1600℃范围内的温度，也可以测量更高或者更低范围内温度。

结构简单、使用方便、精度高、热惯性（热容量）小。

热电偶温度计的优点：

a.测量精准度高；

b.测量范围广；

c.构造简单，使用方便；

d.输出信号线好。

（2）热电阻：

把对温度的测量转化为对随着温度变化的电阻的测量。

热电阻由金属材料制成，大多数的金属导体的电阻，都具有随温度变化的特性。

热电阻温度计的优点是：

a.准确度高；

输出信号大，灵敏度高；

b.测温范围广，稳定性好；

c.不需要参考温度点。

但是抗机械冲击差，元件结构复杂、尺寸较大，热响应时间长。

（3）、热敏电阻：

一种对温度反应较敏感、阻值会随着温度的变化而变化的非线性电阻器，通常由单晶、多晶半导体材料制成。

热敏电阻的特点：

•优点：

电阻温度系数大，灵敏度高，热容量小，响应速度快，而且分辨率很高，可以达到10-4℃；

•缺点：

互换性差，热电特性非线性大。

可以用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或者并联，使得等效电阻与温度在一定的范围内是线性的。

通过上述的比较，用热电偶温度计测量水冷壁的温度，方便于操作。

常见的热电偶：

（1）铂铑（＋）—铂（－）热电偶因为含有含量较高的铂，属于贵金属热电偶。

可耐受高温，长期0℃－1300℃，短期0℃－1600℃。

测量精度高。

（2）铜—康铜热电偶用于-200℃—200℃的温度测量，0℃以下，铜为＋，0℃以上，铜为－。

2.热电偶测温原理（附原理图）

热电效应：

在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为赛贝克电势。

——这个物理现象称为热电效应。

3.热电偶的安装与焊接方法（附图）

（1）热电偶的安装方法：

①、安装方向：

安装热电偶时，应尽量保持垂直，以防保护管在高温下产生变形。

若水平安装热电偶，则在高温下会因自重的影响而向下弯曲，可用耐火砖或耐热金属支架来支撑，以防止弯曲。

②、安装位置：

热电偶的测量端应处于能够真正代表被测介质温度的地方。

③、安装时插入的深度：

在实际测温过程中，如热电偶的插入深度不够，将会受到与保护管接触的侧壁或周围环境的影响而引起测量误差。

对金属保护管热电偶，插入深度应为直径的15-20倍；

对非金属保护管热电偶，插入深度因为直径的10-15倍。

此外，热电偶保护管露在设备外的部分应尽可能短，最好加保温层，以减少热损失。

④、接线盒安装：

导线几电缆等在穿管前应检查其有无断头和绝缘性能是否达到要求，管内导线不得有接头，否则应加接线盒。

热电偶接线盒的盖子应朝上，以免雨水或其它液体的侵入，影响测量的准确度。

（2）热电偶的焊接方法：

焊接方法及注意事项：

用碳棒尖头和双绞的热电偶相触，利用尖端放电的电弧把双绞的热电偶两极焊接，焊时带墨镜保护眼睛。

焊接过程也就三、五秒钟，焊完后观察下焊点是否牢固，是否圆滑、有无夹渣，认为满意时用自来水清洗一下焊点。

才开始焊可能掌握不好，会出现焊点不圆滑，或烧断热偶电极的情况，如果焊点不圆滑有夹渣说明电压低了，如果易烧断热偶电极说明电压太高了，可改变下电压再试试。

焊接的电流要合适，这是很重要的，热电偶丝材质、直径不同，熔点也不相同。

热电偶双绞时不要绞的太多，焊接时碳棒尖头对热电偶成垂直状态，焊前在热电偶端放点硼砂，这样焊点易成形并圆滑。

焊时碳棒和偶丝尽可能的少接触以避免渗碳。

焊接好的热电偶要经过校验，合格的才能使用。

4.热电偶的误差分析

（1）分度误差：

由于热电偶材料成分不符合要求和材料的均匀性差等原因，使热电偶的热点性质与统一的分度表之间产生风度误差。

（2）补偿导线所致误差：

由于补偿导线和热电偶材料在100摄氏度以下的热电性质不同将产生误差。

（3）参比端温度变化引起的误差：

在利用补偿电桥法进行参比端温度补偿时，由于不能完全补偿而产生误差。

（4）由于热电偶变质，使热电性质变化而产生误差。

除此之外还有响应时间导致的误差、测量系统带来的误差、沿线材导热引起的误差、安装方式带来的误差等等。

（5）热电偶的故障分析及处理与检修：

热电偶常见故障原因及处理方法：

故障现象

原因分析

检修方法

热电势比实际值小

（

显示指示偏低

）

1.热电偶内部电极漏电（短路）。

2.热电偶内部潮湿。

3.热电偶接线盒内接线柱间短路。

4.补偿导线因绝缘烧坏而短路。

5.热电偶的电极变质或热接点将要腐蚀断。

6.补偿导线与热电偶在型号上配接错误。

7.补偿导线与热电偶极性接反。

8.热电偶安装位置和插入深度不符合要求。

9热电偶冷端温度过高。

1.经检查若是由于潮湿所引起,则可将热电偶烘干,若是由于瓷管绝缘不良,则应予以更新。

2.将热电偶保护套管和热电偶分别烘干,并检查保护套管是否有漏气、漏水现象、对不合格的保护套管应予以更新。

3.打开接线盒,把接线板刷干净。

4.将短路点找出处理或更换新的补偿导线。

5.更换热电偶。

6.更换成同类型的补偿导线。

7.重新接正确。

8.改变安装位置和插入深度。

9.冷端移开高温区。

热电势比实际值大（显示偏高）

1.热电偶的型号与仪表型号不符合.

2.补偿导线型号与热电偶型号不符合.

3.热电极变质.

4.热电偶安装方法.位置或插入深度不当

5.绝缘破坏造成外电源进入热电偶回路

6.补偿导线与热电极连接处两点温度不同

7.有干扰信号进入

1.更换成同类型的

2.更换成同类型的

3.更换热电偶

4.按规定要求重新安装

5.修复或更换绝缘材料

6.处理补偿导线,使两接点温度相同

7.检查排除干扰源

测量指示值不稳定

1.热电极在接线柱处接触不良

2.热电偶有断续短路或接地现象

3.热电偶电极似断非断

4.热电偶安装不牢固,发生摆动

5.补偿导线有接地断续短路现象

1.重新接好.

2.将热电偶的热电极从保护套管中取出,找出故障点并予以消除.

3.更换新电极.

4.安装牢固.

5.找出故障点并予以消除.

热电偶电势误差大

1.热电极变质.

2.热电偶的安装位置与安装方法不当.

3.热电偶的保护套管的表面积垢过多.

4.测量线路（热电偶和补偿导线）短路.

5.热电偶回路断线.

6.接线柱松动.

1.更换热电极.

2.改变安装位置与安装方法.

3.进行清理.

4.将短路处重新进行绝缘处理.

5.找到断线处,并重新连接.

6.拧紧接线柱.

三、锅炉炉膛尾部烟道烟气温度测量

1.炉膛测量温度方法的选择：

（1）、声波在线测温：

（附图）声波在线测温是近几年发展起来较为先进的炉膛测温方式，它既具备红外测温的上述各种优点，又避免了红外测温误差大的缺点但声波测温装置价格较高，也一定程度上影响了它的普遍应用。

（2）、红外在线测温。

红外在线测温是基于红外探测器的原理。

CO2在高温下会产生红外线辐射。

红外眼具有红外线滤波器，只允许CO2所产生的红外线通过。

红外眼的薄膜电热元件对于CO2产生的红外线光谱产生感应，从而测出CO2的气体温度。

红外线在线测温具有一下有点：

①、红外线是静止设备，减少了运动机械故障的可能性。

②、可以直接由安装在燃烧器上方的沿炉膛宽度方向的两台红外眼来测量和监视。

③、可以监视最高烟气温度，一是避免发生结渣，二是防止水冷壁过热爆管；

但由于炉膛烟气是气态发光，温度分布不均匀，成分不固定，再加上飞灰颗粒辐射的存在，因此，组成的光谱长和穿透力等不确定，从而导致被测区域不确定，测量误差比较大。

（3）传统测温方法：

烟温探针是一种将热电偶送入炉膛或烟道，检测烟气温度分机电设备。

热电偶固定在探针的头部。

在烟气中作伸缩运动，可实现就地、远程自动操作。

主要用于锅炉启动期间监测炉膛出口处的烟气温度，防止再热器管子烧坏。

也可以作为辅助控制工具测量锅炉低负荷运行时的烟气温度。

在本次课程设计中我选用热电偶作为测量炉膛烟气温度的工具，原因是适应范围广，造价低，便于安装及测量。

2.热电偶的安装（附图）：

3.测温元件的安装要求：

（1）在管道中按逆流或正交流向插入。

（2）感温点应处于管道中流速最大处。

一般来说，热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管的末端应分别越过流束中心线5～10mm、50～70mm、25～30mm。

（3）应有足够的插入深度，以减小测量误差。

为此，测温元件应斜插安装或弯头处安装。

（4）若工艺管径小，需安装扩大管。

（5）接线盒面应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量。

（6）应插在右保温层的管道或设备处。

（7）在负压管中，应保证其密封性。

4、仪表的选用：

（1）、仪表的种类：

、仪表的种类分为很多种，主要为动圈式显示仪表，平衡式显示仪表及数字式显示仪表。

动圈式仪表制造时本身的内部特性和质量等方面的缺陷可能引起基本误差，此外，线路电阻不符合规定，环境温度变化引起的线圈电阻及线路电阻变化，外界强电、磁场的影响等也会引起附加误差。

另外动圈表的运动部分容易损坏。

电位差计可大大减小上述原因引起的误差，因此，用电位差计测量直流电动势的方法在实验室和工业生产中得到广泛应用。

数字式显示仪表测量准确高、速度快、稳定性好但他电路复杂，抗干扰性差，要求采用的的精密元件多，因此成本也高。

（2）、电子电位差计原理（附图）：

电子电位差计是根据电压平衡原理自动进行工作的。

与手动电位差计比较，它用伺服电机及一套机械传动机构代替人工进行电压平衡操作，用放大器代替检流计来检查不平衡电压并控制伺服电机的工作。

手动电位差计不能连续、自动地指出被测电动势的值，不适用于工业装置。

5、误差分析：

（1）主要误差：

在测量锅炉烟道中烟气的温度时，往往在测温管附近有温度较低的受热面，因此测温管表面有辐射散热，造成测量误差。

热辐射误差（用热力学温度表示）由下式决定：

T1-Tb=-C_1/α_1〖（T〗_1^4-T_2^4）

C_1=σε_T

由此可见热辐误差和T1、T2的的四次方差成正比，因此T1、T2若有少许差别，差生的误差就很大。

这种情况会使测量工作完全失去意义。

（2）误差处理：

减少误差的方法之一是把测温管和冷的管壁隔离开来，使测温管不直接对冷壁管进行辐射。

（附图）

用防辐射隔离罩的测温的示意

1-测温管2-冷表面3-隔离罩

由于烟气直接流过隔离罩的内外壁，加热了隔离罩，隔离罩的温度比管壁面温度要搞得多，这时对冷避面的辐射由隔离罩来负担。

同事，隔离罩和测温管之间的温度差大大减小，辐射管的辐射散热量大大减小，这使得测温管表面温度较接近与烟气温度，从而减小测量误差。

四、主蒸汽管的蒸汽温度测量

1.主蒸汽管的蒸汽温度：

发电厂中主蒸汽温度的测量，其一次元件均采用分度号为K型的镍铬-镍硅或分度号为EA-2的镍铬-考铜热电偶；

显示仪表采用XGZ-101型指示仪或自动电子电位差计记录仪表。

测量电路如图，测量误差分析计算如下。

2.热电偶：

当主蒸汽温度为535℃时，其允许误差分别为

__D_Dd__________ĎƆϨϨ__________

计算如下：

=

3.显示仪表：

XCZ-101型动圈指示仪表的允许相对误差为±

1.0%；

自动电子差位计式记录仪表的允许引用相对误差为±

0.5%；

并用δ_表表示。

XCZ-101型动圈指示仪表原理附图：

4.XCZ-101型仪表故障现象及排除措施：

故障现象

原因

排除措施

输入信号后指针不动

短路线未拆除

张丝断

动圈焊接脱落

拆除短路线

换张丝

重焊

指针往零外偏转

热电偶极性接反

改接

指针有呆滞现象

指针碰面板、屏风板

动圈和铁芯、极靴间有毛刺、铁销

指示值误差偏大

指示值偏高

指示值偏低

增大串阻或磁分路片

减小串阻或磁分路片

5.主蒸汽管热电偶的安装：

在超高参数管道上必须采用可靠的焊接方式以保证设备安全，根据热电偶选型的不同，其焊接方式也不同。

（1）、管道直接焊接方式：

管道直接焊接方式是直接在管道上开孔、打坡口，热电偶与管道完全焊接，附图，这种方式的优点在于焊接几乎与管道壁厚相同，焊接非常牢靠，介质冲击完全在管道壁上，当热电偶套管受热膨胀时可沿上、下两个方向自由膨胀，减小热应力冲击。

（2）、带管座的热套式焊接方式（附图）：

先在管道上开一个φ40mm的孔，然后在管道壁上焊一个φ88.9mm×

23.5mm的管座，再将热电偶插入管座内，将热电偶与管座焊在一起，它对管座制作及热电偶焊接过程要求非常严格，必须同时满足下列条件：

①、管座焊接时，必须保证管道开孔与管座同心。

②、热电偶焊接过程中必须保证热电偶完全卡在φ40mm的孔上，这样才能保证受力点在管道内壁上。

③、热电偶与管壁之间必须保证有3mm左右的间隙，才能焊接。

6.误差分析及处理方法：

气流温度测量的一个困难问题，就是在一般流速下气流和测温管之间的放热系数α_1比液体小得多，这就使得气流和测温管之间换热困难，误差增加。

目前采用小误差抽气热电偶。

当高压蒸汽或压缩空气从蒸汽喷嘴喷出时，由于速度很大，气流高速的被抽走，这样就在热电偶处形成了高速气流，使放热系数α_1增大，抽气的速度越快α_1越大，误差就越小。

为了减少热辐射损失，在热电偶哇哦装设了隔离罩。

隔离罩数目越多，测量误差越小。

五、主要参考文献

3．《热工参数测量

与处理》