隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，大容量、高參數(shù)的1000MW等級的超超臨界機組應運而生并呈快速發(fā)展之勢。熱控專業(yè)在設計過程中遇到了新的難題，熱電偶的選型便是其中之一，如何適應超高參數(shù)機組測溫的要求值得專業(yè)人員深入的思考和研究。
　　
　　一、超超臨界機組對測溫熱電偶選型的影響
　　
　　超超臨界機組工藝參數(shù)大幅提高，以鄒縣電廠四期工程10OOMW機組為例：①過熱器出口額定蒸汽壓力為26.25MPa（a），額定蒸汽溫度為605℃;②再熱器出口額定蒸汽壓力為4.9MPa（a），額定蒸汽溫度為603℃;③高壓加熱器出口給水壓力為33.3MPa（a）,溫度為（BMCR）298.8℃。
　　
　　為適應如此高的溫度和壓力條件，管道材質(zhì)發(fā)生了變化，如主蒸汽管道采用A335P92，再熱熱段采用A335P91，主給水管道采用15NiCuMoNb5（WB36）。由于壓力、溫度及管道材質(zhì)的變化，給熱電偶的選型帶來了一系列的問題，例如如何選擇熱電偶保護套管的材質(zhì)、采用什么樣的安裝方式、插入深度的確定、如何實現(xiàn)工廠化等。
　　
　　二、熱電偶保護套管材質(zhì)的選擇
　　
　　熱電偶保護套管材質(zhì)的選擇要考慮被測介質(zhì)的壓力、溫度、流速、流體激振頻率，輸送介質(zhì)的管道材質(zhì)，以及保護套管本身的耐溫耐壓能力，材料的焊接特性、熱膨脹特性、振動頻率等相關(guān)特性。對熱電偶保護套管材質(zhì)的選擇，鄒縣四期工程設計中提出了2種方案，即采用與工藝管道同材質(zhì)方案和采用不銹鋼材質(zhì)方案。
　　
　　2.1采用與工藝管道同材質(zhì)方案
　　
　　采用與管道同材質(zhì)的熱電偶套管方案，無疑是zui簡單、zui可靠的，它同時滿足了溫度、壓力、焊接等方面的要求。但該方案也存在著缺陷，因為無論是P9l還是P92材質(zhì)都會生銹，在使用一段時間之后，熱電偶會銹死在套管里，若熱電偶出現(xiàn)故障，需要更換時無法取出，則必須重新開孔安裝;如果該溫度信號用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就會給運行帶來很大的不便。
　　
　　2.2采用不銹鋼材質(zhì)
　　
　　在亞臨界機組上熱電偶套管全部采用1Crl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，熱電偶的更換十分方便，經(jīng)過多年的實踐運行，證明是可靠的。那么，在超超臨界機組上能否同樣采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)做熱電偶套管呢?為此，需解決以下幾方面的問題:
　　
　　2.2.llCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)在超超臨界參數(shù)下的耐溫耐壓特性
　　
　　在華電鄒縣發(fā)電廠四期工程熱電偶選型過程中，上海自動化儀表三廠給予了積極配合，并對采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)的方案，提供了理論計算依據(jù)。計算條件如下:②分析對象。熱電偶套管，材質(zhì)為lCrl8Ni9Ti。②固定方式。根部焊接固定連接。③分析方法。有限元ANSYS5。④計算參數(shù)。溫度610℃，壓力4OMPa，流速10Om/s。
　　
　　計算結(jié)果:頻率安全系數(shù)為3.3（一般1.5～2即可），推力系數(shù)為7.8（一般3～5即可）。
　　
　　通過計算lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，*可以滿足超超臨界機組的運行參數(shù)。
　　
　　2.2.2lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)與P9l、P92管道的異種鋼焊接問題
　　
　　套管材質(zhì)確定后，就需考慮異種鋼的焊接問題，四大管道配管廠表示此類焊接問題*可以解決，并可實現(xiàn)工廠化。另一方面，鍋爐廠、電建公司等單位也掌握了該類焊接技術(shù)，并在工程實踐中成功實施。因此，在異種鋼焊接技術(shù)上不存在問題。
　　
　　2.2.3熱膨脹問題
　　
　　除此之外，還有一個疑問，lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大于P9l、P92材質(zhì)，在機組運行中會產(chǎn)生熱膨脹應力，是一個潛在的不確定因素，但該影響究竟有多大，目前還沒有可靠的數(shù)據(jù)。在常熟、沁北等超臨界機組上采用了lCrl8Ni9Ti不銹鋼熱電偶套管，管道材質(zhì)為P9l，并已成功投運2a多，而P9l、P92在焊接和熱力特性上相似。由此可見，在超超臨界機組上采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼熱電偶套管也是可行的，鄒縣四期工程zui終確定采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)的熱電偶套管。
　　
　　熱電偶套管采用與管道同材質(zhì)或不銹鋼材質(zhì)，哪一種方式更合理，還需要通過實際運行來檢驗。
　　
　　三、熱電偶的安裝方式
　　
　　在超高參數(shù)管道上必須采用可靠的焊接方式以保證設備安全，根據(jù)熱電偶選型的不同，其焊接方式也不同。
　　
　　3.1管道直接焊接方式
　　
　　管道直接焊接方式是直接在管道上開孔、打坡口，熱電偶與管道*焊接，如圖1所示，這種焊接方式的優(yōu)點在于焊接面幾乎與管道壁厚相同，焊接非常牢靠，介質(zhì)沖擊力*在管道壁上。當熱電偶套管受熱膨脹時可沿上、下兩個方向自由膨脹，減少了熱應力沖擊。鄒縣四期工程在設計院設計范圍內(nèi)的所有四大管道上的熱電偶均采用這種焊接方式。　　
　　3.2帶管座的熱套式焊接方式
　　
　　圖2為熱套式管座焊接方式，先在管道上開一個φ40mm的孔，然后在管道壁上焊一個φ88.9mm×23.5mm的管座，再將熱電偶插入管座內(nèi)，將熱電偶套管與管座焊在一起。這種焊接方式適用于熱套式熱電偶，它對管座制作及熱電偶焊接過程要求非常嚴格，必須同時滿足下列條件:①管座焊接時，必須保證管道開孔與管座同心。②熱電偶焊接過程中必須保證熱電偶*卡在φ4Omm的孔上，這樣才能保證受力點在管道內(nèi)壁上。③熱電偶與管座之間須保證有3mm左右的間隙，才能焊接。　　
　　這種焊接方式存在著難以克服的缺點，如超超臨界機組管壁厚，過熱器出口可達85mm，加上1OOmm的管座，其允許的加工誤差已經(jīng)大于熱電偶與管座之間3mm左右的焊接間隙要求，再加上管道開孔與管座的同心度偏差等因素，無法保證熱電偶套管*卡在φ4Omm的孔上，這樣，會造成熱電偶的受力點由管道內(nèi)壁變?yōu)闊犭娕寂c管座焊接處，使沖擊力矩變大，很容易在熱電偶與管座焊接處斷開。
　　
　　另一方面，當熱電偶套管受熱膨脹時，在管道內(nèi)壁及管座焊接處兩個點受到限制，膨脹的空間小，會產(chǎn)生較大的熱應力。
　　
　　鑒于以上原因，在超超臨界以及超臨界機組上不推薦采用管座式焊接方式。
　　
　　四、熱電偶插入深度的確定
　　
　　超超臨界機組的管道直徑大，如主汽管道達到了548mm，給水管道達到了660mm，在超高溫高壓條件下，熱電偶套管承受巨大的推力，在同一管道內(nèi)，熱電偶插入長度增加1OOmm，對溫度測量結(jié)果的影響遠小于由此產(chǎn)生的大力矩帶來的潛在危險，因此，其插入深度不能太長。
　　
　　另外，高流速管道中的介質(zhì)運動呈趨壁效應，其介質(zhì)密度在靠近內(nèi)壁處比中心軸線處高得多，所以測量介質(zhì)的溫度應該靠近管壁。
　　
　　因此，通過計算，在超超臨界機組中，主蒸汽、給水、冷段、熱段等管道溫度的測量，其熱電偶的插入深度均按1OOmm考慮，這樣既利于溫度測量又保證了安全性，簡化了熱電偶選型。
　　
　　五、熱電偶保護套管的工廠化加工
　　
　　對于四大管道上的熱電偶套管，應在配管廠內(nèi)實現(xiàn)工廠化加工，以保證焊接工藝，減少現(xiàn)場工作量。因不同產(chǎn)品其焊接方式、開孔尺寸不同，在工廠化配管前應先確定采用何種形式的熱電偶，并同熱電偶套管生產(chǎn)廠密切配合，確定熱電偶套管的材質(zhì)、焊接方式、開孔尺寸、焊接要求、套管數(shù)量等，之后由套管生產(chǎn)廠家將套管提供給配管廠。需要注意的是，熱電偶套管生廠提供套管時應同時配供熱電偶安裝堵頭，以防止雜質(zhì)進入套管。
　　
　　六、結(jié)束語
　　
　　經(jīng)過反復分析和論證，鄒縣四期工程確定測量超高參數(shù)介質(zhì)溫度的熱電偶保護套管選用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，采用管道直接焊接的安裝方式，工廠化加工，插入深度均按1OOmm考慮。分析研究表明，鄒縣四期熱電偶選型方案是可行的，但是異種材料焊接引起的材料特性的變化，短時間內(nèi)還無法評估，需要經(jīng)過長時間的觀察和檢驗。目前，鄒縣四期*臺機組已投運近la，設備及焊接工藝等都運行良好。
　　
　　熱電偶的選型和安裝，看似簡單，但實際上涉及到流體力學、熱力學、材料學、焊接工藝等多學科，需要在工程實踐中更加深入的研究、不斷的積累和總結(jié)，將設計做到盡善盡美，確保測量的準確和系統(tǒng)的安全。