Основные контрольно-измерительные приборы и автоматизация обогрева коксовых печей

Основными величинами (параметрами), которые необходимо контролировать при работе коксовой батареи и с которыми приходится непосредственно работать мастеру коксовых печей, являются: температура различных сред, расход, давление и состав газов. Определение этих величин производится измерительными преобразователями (датчиками), измерительными приборами и измерительными системами. Измерительный преобразователь - это средство измерения (первичный прибор), дающее сигнал для преобразования его измерительным прибором (вторичный прибор) в форму доступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительная система — совокупность измерительных преобразователей и приборе обеспечивающих измерение физической величины без участия человека. При каждом измерении происходит сравнение той или иной физической величины с известными единицами (система СИ), которые как бы заложены в шкалу прибора.

Контрольно-измерительные приборы (КИП) должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) иметь минимальную вариацию показателей, то есть минимальную пазность между повторными показаниями прибора при неизменных внешних условиях. Появление вариации обусловлено наличием люфтов, износа, трения и

2) иметь высокую чувствительность, т. е. способность измерительного устройства количественно реагировать на изменение измеряемой величины. Например, при повышении температуры на 100°С сигнал хромель-алюмелевой термопары увеличивается на 4 мВ, следовательно, чувствительность термопары составит 4 мВ/100 град. = 0, 04 мВ/град.

Порог чувствительности — наименьшее значение измеряемой величины, способное вызвать появление выходного сигнала.

3) работать надежно, т.е. сохранять рабочие характеристики в течение требуемого промежутка времени.

4) обладать соответствующим быстродействием, которое характеризуется временем от начала измерения величины до установления показаний прибора.

Для периодических кратковременных измерений, регулировки исследований применяют средства ручного контроля производства. Это могут быть переносные или стационарно устанавливаемые местные показывающие приборы. Для автоматического контроля и автоматического регулирования применяются измерительные системы с дистанционными датчиками и регулирующими устройствами.

Приборы для измерения температуры

Следует обратить внимание на особенность этого параметра. Температура, являясь характеристикой состояния вещества, не может быть непосредственно измерена как длина, время, масса. О температуре судят косвенно, используя для этого другие характеристики, свойства, которые, с одной стороны, однозначно связаны с температурой, а с другой — могут быть измерены точно относительно простыми методами. Представление о таких свойствах, названия приборов, а также пределах температур, для которых они предназначены, дает табл. 4. Существующими датчиками можно измерять температуры от 200 до 6000 °С, то есть весь диапазон, который используется в технике.

Для измерения температур на коксовых печах применяются термометры различных видов: термометры расширения, термометры сопротивления, манометрические термометры, термоэлектрические термометры (термопары), оптические пирометры.

Термометры расширения используются для измерения сравнительно низких температур до 400 - 500°С. Как правило, термометры расширения являются жидкостными в стеклянном исполнении. В качестве рабочей жидкости чаще всего применяют ртуть и спирт. Принцип действия таких термометров: расширение жидкости при нагревании. Выпускаются такие термометры двух видов: прямые типа П и угловые типа У.

Важнейшим требованием; предъявляемым при установке такого термометра, для получения наиболее точных данных, является правильность их установки, обеспечивающей наиболее благоприятный приток тепла к термобаллону с рабочей жидкостью.

При измерении температуры ртутными термометрами необходимо учитывать поправку, зависящую от температуры выступающего из зоны измерения столбика ртути, который, как правило, имеет более низкую температуру, чем рабочая часть термометра, погруженная в измеряемую среду. Поправка вычисляется по формуле:

где t — показание термометра; ti — температура выступающего столбика; 0, 00016 — коэффициент видимого объемного расширения ртути в стекле. Например, показание ртутного термометра, установленного в патрубок подового канала, 340 °С. При этом температура в тоннеле печей на уровне подовых каналов 65 °С. Поправка будет равна 14, 9 °С, температура в подовом канале 354, 9 °С. Термометры такого типа используют для разовых замеров, их широко применяют при разогреве коксовых печей, для контроля температуры в кладке до 300- 350 °С.

Термометры сопротивления. Принцип действия такого термометра основан на изменении сопротивления электрического проводника, при изменении его температуры. Пределы измерений таких термометров от-200 до +500 °С. Зная зависимость сопротивления проводника от температур и измерив его сопротивление, можно судить о температуре среды, в которую помещен термометр. Сопротивление проводника измеряется в производственных условиях прибором — логометром.

Недостатком термометров сопротивления является их взрывоопасность. Манометрические термометры. Принцип действия манометрического термометра основан на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего замкнутую систему термометра. При изменении температуры термобаллона заполняющая его жидкость или газ изменяют объем, при этом двигается пружина и связанная с ней стрелка. В качестве жидкости может использоваться ртуть. Достоинством манометрических термометров является простота и надежность конструкции, взрывобезопасность, возможность передачи показаний и использование для сигнализации и регулирования, нечувствительность к внешним магнитным полям. Недостатком является ограниченная дальность передачи (до 40м) показаний, необходимость абсолютной герметичности системы. На коксовых печах манометрические термометры используются для регулирования температуры подогрева коксового газа, идущего на обогрев печей.

Термоэлектрические термометры (термопары). Принцип действия заключается в измерении возникающей в месте спая двух разных металлов, помещенного в зону повышенной температуры, термоэлектрической электродвижущей силы (ТЭДС). Схема термопары с измерительным прибором _показана на рис. 32. Термопара представляет собой две проволоки из разных металлов, сваренные на одном конце и отделенные по длине друг от друга изолятором, обычно фарфоровыми бусами. Спай, помешенный в измеряемую среДУ> называют горячим или рабочим концом, свободный конец термопары, который обычно находится при нормальной температуре рабочего помещения, называется холодным спаем. Для измерения возникающей ТЭДС включают в холодный спай прибор, обычно милливольтметр.

Таблица 4. Приборы для измерения температур

При нагревании горячих спаев термопар в цепи возникает ток фиксируемый стрелкой прибора, шкала которого градуирована на температуру' ТЭДС термопары не изменяется от введения в ее цепь третьего проводника которым является прибор. Способ изготовления спаев (сварка, пайка) также не влияют на величину ТЭДС, если только их размеры таковы, что температура во всех точках одинакова. При неравенстве температур концов третьего проводника (холодный спай, прибор), ТЭДС термопары будет меньше на величину ТЭДС, развиваемой третьим проводником (прибор, соединительные провода). Поэтому в показания прибора нужно вносить поправку, равную величине ТЭДС холодного спая. Практически в промышленности это обеспечивают с помощью соединительных проводов, которые предназначены для удаления холодных спаев термопары возможно дальше от объекта измерения, то есть от зоны с меняющейся температурой. Соединительные провода должны быть подобны термоэлектродам термопары и их изготовляют обычно из таких же материалов.

Обычно поправка для определенных термопар уже внесена в градуировочную шкалу прибора и практически это осуществляется путем установки стрелки прибора на температуру холодного конца, которую можно зафиксировать обычным жидкостным термометром. Установка стрелки производится установочным винтом и систематически проверяется. При низких температурах холодного спая (менее 100 °С) разрешается вносить расчетную поправку, определяемую по формуле:

Рис. 32. Схема измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра

1- термоэлектроды; 2- компенсационные провода; 3- коробка свободных концов; 4- медные провода; 5- измерительный показывающий прибор

- C(tj-to),

Где At — поправка, которая прибавляется к показателям прибора; температура холодного спая; to — температура, на которую обычно установлена стрелка прибора при отключенной термопаре, т.е. обычно 0°С;

„ __ коэффициент, который для хромель-алюмелевых термопар, обычно применяемых для измерений на коксовых печах, близок к единице.

Таким образом, практически поправку на температуру холодного спая надо вносить, прибавив полную температуру холодного спая к показаниям прибора.

Термопарами можно измерять температуру в пределах 0 - 2500 °С. По ГОСТу на технические термопары с металлическими термоэлектродами принято пять типов термопар.

Платинородий (10 % родия) — платиновая (тип ТПП). Эти термопары обычно служат эталоном и образцом для проверки рабочих термопар так как длительное время устойчиво работают практически, не меняя характеристик. Недостатком их является то, что они быстро разрушаются в присутствии оксидов углерода и кремния, поэтому нужна тщательная изоляция от измеряемой среды. Пределы 300 - 1300°С.

Платинородий (30 % родия) - платинородиевая (6 % родия). Применяется для измерения самых высоких температур (тип ТПР). Не требует ввода поправки на температуру холодного спая. Пределы 300 - 1600 °С. Волъфрамий (5 % рения) — вольфраморениевая (20 % рения) тип ТВР. Пределы 0 - 2200 °С.

Термопары типа ТПП и ТПР изготовляются в виде проволоки диаметром 0, 5 или 1 м, изолированной фарфоровыми бусами или трубаками.

Хромель-алюмелевая термопара (тип ТХА). Применяется для измерения температур от —200 до 1600 °С. Выше 1000 °С кратковременно, (алюмель — сплав, содержащий 94 % никеля, 0, 5 % железа, 2, 0 % алюминия, 2, 5 % марганца, 1 % кремния, хромель - 89 % никеля, 1 % железа, 10 % хрома). Может длительно работать при температурах 1000 °С. При температурах 1200 - 1300°С после трех-четырех замеров снижает показания, необходима систематическая градуировка. Восстановительная среда вредно действует на термопару.

Хромель-копелевая термопара (тип ТХК). Из всех стандартных термопар развивает наибольшую ТЭДС, что позволяет изготовлять термоэлектрические термометры с узкой температурной шкалой. Устойчиво работают до температур 500°С (копель — сплав, содержащей 43 - 44 % никеля и 57 - 56 % меди).

Стандартные термопары ТХА и ТХК изготовляются из проволоки Диаметром 0, 7 и 3, 2 мм и изолируются керамическими бусами.

В особых случаях применяют специальные нестандартные термопары, которые в обязательном порядке должны градуироваться и проходить метрологическую проверку.

Из специальных термопар следует указать на многозонную термопару, применяемую для одновременного измерения температур на разных уровнях по вертикали, например по высоте коксового пирога в его осевой плоскости. Чехол такой термопары представляет собой трубу, в которой помещен пучок изолированных одна от другой термопар различной длины. Холодные спаи каждой термопары укрепляются под винтами фарфоровой контактной колодки. Соединительные провода выводятся из колодки через специальное сальниковое уплотнение.

Независимо от конструкций термопара должна удовлетворять следующие требованиям. Изоляция электродов должна исключать возможность короткого замыкания и электрических утечек. Термоэлектроды должны быть надежно защищены от механических повреждений. Термоэлектродные провода должны быть надежно подключены к термопаре.

Термопарами на коксовых печах измеряют температуры в коксе и подсводовом пространстве коксовых печей, в подовых каналах и других точках, температура которых превышает 300 °С и не находится в поле зрения наблюдателя. В тех случаях, когда раскаленное тело находится в поле трения наблюдателя (вертикалы коксовых печей, кладка регенераторов и т.д.), измерение температуры можно производить оптическими пирометрами.

Ориентировочно, о температуре кладки коксовых печей можно судить по накалу (интенсивности свечения):

Оптический пирометр. Действие оптического пирометра основано на принципе сравнения яркости свечения раскаленного тела, температуру которого нужно определить сравнением с яркостью свечения нити электрической лампы, помещенной в пирометр. Оптический пирометр (рис.33) состоит из зрительной трубы, с выдвигающимися окулярной и объективной частями, лампы накаливания, с металлической нитью, красного светофильтра, дымчатого светофильтра, реостата, источника питания и милливольтметра, проградуированного в градусах Цельсия.

При включении тока в цепь с помощью реостата нить лампы начинает светиться. Яркость изображения нити регулируется перемещением окулярной трубки светящейся поверхности — перемещением объективной трубки. В зависимости от силы тока, проходящего через нить лампы, нить может быть темнее или ярче светящейся поверхности (например, кладки печей). Вращением движка реостата можно быстро достигнуть одинаковой яркости нити лампы и кладки. В этот момент контур нити сливается со светящимся фоном и как бы исчезает на фоне раскаленной поверхности. В этот момент

производится отсчет температуры по шкале прибора, градуированной по накалу нити. Поэтому пирометры такого типа называются пирометрами с исчезающей нитью.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 1800°С Для оптических пирометров промышленного применения в интервале этих температур погрешность измерения составляет ± 20°С. При измерениях температур в этом диапазоне и выше обязательно пользование красным светофильтром. При измерении температур выше 1400°С необходимо пользоваться дымчатым светофильтром. Оптический пирометр позволяет быстро измерять высокие температуры, отличается легкостью наводки и представляет собой в работе легкий компактный прибор.

Для правильного замера необходимо, чтобы отверстие, через которое производится замер, по сравнению с замеряемым пространством, было невелико; необходимо, чтобы были хорошо видны замеряемая поверхность и контуры нити лампы накаливания, и накал последней регулировался с перекала, то есть с того положения реостата, при котором нить ярче поверхности. В эксплуатации на коксовых печах применялся оптический пирометр " Проминь" (рис. 33), шкала которого имеет два участка — первый от 800 до 1400°С с ценой деления 20°С и точностью измерения ±20 °С, второй от 1200 до 2000 °С с точностью измерения ±30 °С. Однако измерения с помощью этого оптического пирометра можно производить только вручную и для автоматического контроля он не пригоден.

Рис. 33. Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью накала

1- нагретое тело; 2- линза; 3- выдвижная оправа; - 4- серый светофильтр; 5-лампа; 6- шкала прибора; 7- измерительный прибор; 8- визирующий окуляр; 9-Диафрагма; 10- красный светофильтр; 11- реостат; 12- источник питания

В настоящее время ВУХИН совместно с фирмой ЭКОЛЬ внедряет на некоторых коксовых батареях новый прибор Manu Therm производства фирм Thyssen Krupp En Coke (Германия) - инфракрасный двухцветный оптический пирометр с блоком памяти. Данные замера переносятся в компьютер и обрабатываются по специальной программе. Прибор компактен, вес 1, 32 кг и позволяет измерять температуры с расстояния до 12 м.

Автоматически можно измерять температуру раскаленных тел (клада, печей, кокса и т.д.) с помощью пирометров суммарного излучения (радиационных и фотоэлектрических).

Принцип действия радиационного пирометра основан на фиксации всего излучения нагретого раскаленного тела. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, в который вмонтирован термочувствительный приемник, на котором линза объектива фокусирует лучи, излучаемые нагретым телом. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи биметаллические спирали и т.д. Наиболее широко применяются термобатареи в которых используется несколько (6 - 10) термопар, например, хромель-копелевых, соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расположенные в виде лепестков рабочие концы термопар и нагревает их. ТЭДС измеряется милливольтметром.

На результатах измерения сильно сказывается загрязненность воздуха между замеряемым объектом и телескопом. Жестко должно выдерживаться расстояние до измеряемого объекта.

В фотоэлектрическом пирометре используется принцип зависимости интенсивности излучения от температуры. В качестве приемников используются фотоэлементы, фотодиоды, фотоумножители, фотосопротивления. Эти пирометры надежны в работе, но относительно громоздки и имеют те же недостатки, что и радиационные пирометры.

Вторичные приборы для измерения температуры по принципу действия разделяют на приборы потенциометрической системы (автоматические уравновешенные мосты и потенциометры) и приборы магнитоэлектрической системы (логометры и милливольтметры).

Приборы потенциометрической системы компенсируют (уравновешивают) изменение физических свойств датчиков, поэтому после окончания процесса измерения измерительная схема их находится в состоянии равновесия. Благодаря этому изменение некоторых внешних факторов (температуры окружающей среды, напряжения питания и т.д.) не оказывает влияния или мало влияет на эти приборы, поэтому они имеют более высокий класс точности, чем магнитоэлектрические приборы. Последние развивают лишь незначительное усилие, которое может быть использовано только для перемещения указывающей стрелки. В приборах потенциометрической системы это усилие значительно больше и может быть применено не только для перемещения стрелки, но и перемещения подвижной системы датчика, или какого-либо другого устройства.

Милливольтметры служат для измерения напряжения различных источников ЭДС, как правило, небольшой (термопар, радиационных пирометров

Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии двух магнитных полей. На рамку с током от датчика, помещенную в магнитное ^МЗГ действует вращающий момент. Движение рамки под действием этой силы вызывает вращение скрепленной с ней пружинки, противодействующей ^ВЫ поту рамки. При равенстве величин вращающегося момента и момента сопротивления пружинки рамка остановится и стрелка, сочлененная с рамкой, может значение измеряемой температуры на шкале прибора. Милливольтметр имеет установочный винт - корректор, с помощью которого можно устанавливать стрелку на отметку шкалы, соответствующую температуре холодного спая термопары.

Принцип действия логометра основан на взаимодействии двух магнитных полей: поля, создаваемого постоянным магнитом, и поля, создаваемого электрическим током от датчика, который протекает через проводник, помещенный в поле постоянного магнита.