光纤测温技术在E-Gas气化炉壁温检测上的应用

周建欣，郭宗斌，任艳庆，陈 杰,周建华

(1.中海油惠州石化有限公司，广东惠州 516086；2.浙江中欣动力测控技术有限公司，浙江宁波 315010)

1 概述

E-Gas气化炉是一种两段进料的气流床气化炉，外形呈十字架型，水平段为气化炉一段，竖直段为气化炉二段，竖直段弯头后为气化炉停留段，停留段后接余热锅炉。气化炉一段进料为高压氧气和煤浆，气化炉二段进料只有煤浆。气化炉一段反应的合成气经过上行通道到气化炉二段，和二段喷入的煤浆激冷后进入停留段，最后控制温度后进入余热锅炉。

E-Gas气化炉一段反应温度为1 350～1 472 ℃，气化炉承受高温的热通道比较长。气化炉壁温检测关乎气化炉安全运行，为了保证炉壁温度处于安全可靠区间，采用分区检测思路，将整个E-Gas气化炉热通道分为13个区，每个区配置1根特氟龙管。特氟龙管一端封闭，另一端通入仪表空气，连接到压差变送器。当气化炉外壁某一位置过热时，特氟龙管就会熔断，管内的仪表空气就会泄漏，压差变送器的测量信号出现变化。操作员监控到某一测温区域的压差变化后，就会联系现场操作人员进行排查。通过查找特氟龙管泄漏的具体位置，就可以对应具体的高温点。特氟龙管熔断后，必须对熔断位置重新续接，才可以重新检测对应的压差变化。E-Gas气化炉的外壁温度检测分区见图1。

图1 气化炉表面测温分区示意图

2 气化炉外壁测温技术现状

气化炉的壁温监测分为直接接触式和非直接接触式两类。GE气化炉、四喷嘴气化炉使用的热电阻热点预警系统，以及E-Gas气化炉上使用的特氟龙管壁温预测系统都属于直接接触式测温系统，通过壁温测温元件与气化炉外壁紧密接触来获取气化炉表面温度的变化情况。红外壁温检测系统属于非直接接触式，将红外热成像摄像机按照一定方式排布，做到气化炉表面全覆盖监测，通过连续扫描来发现气化炉壁温的变化情况[1]。

直接壁温监测系统通过部件将热电阻黏附在气化炉的外壁，只能显示气化炉某一区域(沿着热电阻测温元件)的最高温度[2]，而不能确定高温点的具体位置。特氟龙管测温只能发现某一区域内存在超过特氟龙管熔断温度的高温点，并不能确定高温点的具体位置，同时特氟龙管破损后必须予以修复方可继续监控。

对于非直接测温的红外热成像摄像仪，不仅可以实时显示气化炉炉壁任意一点的温度，还能显示炉壁表面整体的温度及其变化情况。一般工业应用的红外热成像摄像仪都有专用的图像及数据处理软件，温度图像显示、报警模式及参数设置、数据处理等功能全面。当设备故障时，系统会立即提示可能的故障原因及维修方式等，以便及时检修。

直接测温元件能够准确、及时反馈气化炉外壁的真实高温点分布区域，不受气化炉外表面或施工条件的影响。非直接测温的红外热成像摄像仪则受气化炉附近障碍物的影响，气化炉检修时的架子也会遮挡红外热成像摄像仪的监测效果，出现监测死区。

3 光纤测温技术的特点和优势

3.1 光纤测温的原理

管线测温技术以其较高的空间分辨率和温度分辨率，能够实时监测温度。多年来，管线测温技术因耐腐蚀、抗电磁干扰、防火防爆以及传输距离远等优点，为水利、电力和长输管道系统的安全运行提供了保障[3-5]。光纤测温技术使用分布于气化炉表面的光纤来监测气化炉外壁温度变化。利用特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯，当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[3-5]。其中拉曼散射对温度最为敏感，光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光均匀分布在整个空间角内。

拉曼散射是由光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光；如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光。斯托克斯光强度受温度的影响很小，可忽略不计;而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化。光在光纤中传输时，一部分拉曼散射光沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收，通过测量背向拉曼散射光中反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值的变化，就可以实现对外部温度变化的监测。根据光在光纤中的传输速率，以及入射光与背向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。光纤测温的原理示意见图2[6]。

图2 光纤测温原理示意图

3.2 光纤结构

光纤由石英玻璃拉制而成，通过各种封装形成各种特性的光缆，光缆既是信号传输介质，又是温度感测元件。考虑到气化炉苛刻的工作环境，感温探测光缆应具备耐高温、抗啮咬、抗震特性，即用于气化炉壁温监测的探测光缆不但需要具备坚固的护套，而且需要提供良好的温度传导性能，以保证快速的温度探测。

基于气化炉内部的高温和高压环境，测温光纤采用耐高温设计，光纤外表面辅以铠装保护结构，以提高光纤在使用过程中的安全性和可靠性。光纤的结构示意图见图3。

3.3 用户界面和功能

针对气化炉温度监测系统，专门定制开发操作界面友好的分布式光纤温度、事件监测应用软件。该软件具备温度监测、事件报警、数据分析、可视化显示、报警联锁动作等功能。通过图形组态模块将光纤位置映射到图像上，一旦光纤某点发生温度异常，报警信息直接显示在图像上(见图4)，形象直观、准确可靠。

图4 光纤测温系统的用户界面

3.4 光纤测温系统的特性

根据气化炉设备的工艺要求和特点，气化炉光纤测温系统的性能见表1。

表1 光纤测温系统性能

4 光纤测温技术的应用效果

结合实际运行中关注要素，E-Gas气化炉炉壁划分为15个监测区域，其中气化炉一段和气化炉二段因温度较高、反应条件苛刻划分为9个重点监控区域，其他部分划分为6个区域。

重点监控区域的测温光缆以“S”型双光缆并行敷设方式紧贴气化炉炉壁表面，采用耐高温强力吸铁石和耐高温工业胶水黏结双重固定，光缆左右间距10 cm、上下间距20 cm，上下两排“S”型光缆间隔5 mm，光纤敷设效果见图5。

图5 气化炉炉壁耐高温光缆敷设示意图

考虑气化炉的设备安全性，光纤测温系统中设置了每一区域的超温报警，并将每一区域3个最高温度及位置实时显示在用户界面，以提醒操作人员注意。

安装有光纤测温系统的E-Gas气化炉于2021年8月投入运行，气化炉点火升温前和运行期间的测温系统显示见图6。光纤测温系统使用可视化界面，通过实时的色谱差异来动态显示气化炉表面的温度变化。经现场使用红外热成像仪进行对照检查，光纤系统测温偏差可以控制在5 ℃以内，能够比较准确地反应气化炉实际的表面温度。

(a)运行前

5 结语

光纤测温系统在E-Gas气化炉上使用后，改变了以前特氟龙管不能显示实际温度的弊端，克服了E-Gas气化炉原有壁温监测系统热点位置及温度不确定的缺点，动态实时地在显示屏上显示气化炉的表面温度，形象直观地显示气化炉表面的局部高温位置。目前，其功能优于国内大多数热壁炉采用的热电阻测温系统，对于气化炉的安全运行提供更大的借鉴和帮助。