DE2907281A1 - Apparatur und verfahren zur messung der temperatur in reaktoren, die bei ueber 1400 grad celsius betrieben werden - Google Patents
Apparatur und verfahren zur messung der temperatur in reaktoren, die bei ueber 1400 grad celsius betrieben werdenInfo
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Description
Ä 4200 Oberhausen 15, 21.02.1979 T PLB schf-eig B. 1869
Apparetur und Verfahren zur Messung der !Temperatur
in Reaktoren« die bei über 140Q°C betrieben werden
Bei ausgemauerten Hochtemperaturreaktoren findet eine
allmähliche Abtragung des Mauerwerks statt. Um den Stahlmantel des Reaktors nicht durch Überhitzung zu zerstören,
darf die Wandstärke des Mauerwerks nicht unter ein zulässiges Mindestmaß absinken. So ist z.B. bei
Kohlevergasungsanlagen, die bei Temperaturen von 1400°C betrieben werden, wegen der hohen Empfindlichkeit des
Mauerwerks gegen auch nur geringes überschreiten der zulässigen Temperatur eine ziemlich genaue Temperaturmessung
mit einer maximalen Fehlergrenze von etwa 10°C erforderlich.
In den Reaktoren von Ölvergasungsanlagen, die bei Temperaturen
von 1000 bis 1700°C arbeiten, bereitet die Temperaturmessung mit Thermoelementen keine besonderen Schwierigkeiten.
Hierbei werden Platin-fihodium-Platia-Thermoelemente
verwendet, die mit einem gasdichten Bohr aus Aluminiumoxid ummantelt und zusätzlich mit einem äußeren Schutzrohr umhüllt
sind, das aus nicht gasdichtem Aluminiumoxid besteht.
Diese Thermoelemente sind absr ungeeignet für die Messung
von Temperaturen in Kohlevergasungsreaktoren, in denen ähnlich hohe Temperaturen auftreten wie bei der ülvergaeung.
Es zeigt sich nämlich, daß Schlacke in die Schutsrohr· eindringt und die Festigkeit des Aluminiumoxid« durch Schmelzpunkt
absenkung beeinträchtigt. Infolgedessen gelangen
Wasserstoff und Kohlenmonoxid an das Th»rmomlma»nt, wodurch
die Meßwerte verfälscht werde»» Schließlich wird dme
Thermoelement selbst zerstört und die f
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fällt völlig aus.
Die gleichen Probleme treten auch bei Schutzrohren aus anderen keramischen Werkstoffen oder hochschmelzenden
Metallen auf· Man kann sich angesichts der bestehenden Schwierigkeiten so behelfen, daß man auf direkte Messung
verzichtet und die zu messende Temperatur über Hilfs—
größen wie Wärmebilanzen und Gaszusammensetzungen errechnet.
Eine andere Möglichkeit, die Schwierigkeiten zu beheben, besteht darin, mit einem verdeckten Thermoelement zu
arbeiten, bei dem durch dünne resistente keramische Schutzwände die Beanspruchung gesenkt, aber auch ein nennenswerter
Meßfehler und größere Trägheit in Kauf genommen wird.
Gerade beim Arbeiten unter extremeren Temperaturbedingungen und unter Verwendung von kostenspieligem Mauerwerk, das
auch durch kurzzeitige Abweichungen von der Solltemperatur erhebliche Schaden davon tragen kann, verzichtet man nicht
gern auf möglichst direkte Temperaturkontrollen, durch die zumindest die Richtigkeit der übrigen Methoden laufend
überprüft werden kann.
Es bestand somit die Aufgabe, eine Meßmethode und eine
hierfür geeignete Apparatur bereitzustellen, mit deren Hilfe die im Reaktionsraum auftretende Temperatur möglichst genau
zu messen ist und die nicht schon nach kurzer Zeit durch Einwirkung von Schlacke zerstört wird. Die zu entwickelnde
Apparatur zur Temperaturmessung sollte gleichzeitig auch die Abtragung des Mauerwerks überwachen.
Die Erfindung besteht in einer Apparatur zur Messung der
Temperatur in Reaktoren, die bei erhöhtem Druck und bei Temperaturen von über 1400°C betrieben werden· Die Apparatur
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ist gekennzeichnet durch einen aus einem Thermoelement
mit Schutzrohr aus hitzefestem Material 2 bestehenden Temperaturfühler 1, einem Stellantrieb 11, mittels dessen
der Temperaturfühler 1 in Richtung seiner Achse «lurch eine in der Reaktorwand befindliche Bohrung zur Meßstelle
geschoben wird, und einem Absperrorgan 5» durch das der
Temperaturfühler 1 bei geöffneter Stellung des Absperrorgans durchgeschoben werden kann, und hinter das er bei geschlossener
Stellung zurückgezogen ist.
Diese Apparatur ermöglicht es, daß die Spitze des Temperaturfühlers
1 den kritischen Betriebsbedingungen - vor allem der Berührung mit Schlacke - nicht oder nur kurzzeitig ausgesetzt
ist. Der Stellantrieb 11 kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigt werden.
Die Apparatur ist so aufgebaut, daß der Temperaturfühler 1
jede beliebige Position in der fieaktorwandbohrung einnehmen und auch vollständig aus dem Reaktordruckraum bis
hinter das Absperrorgan 5 gezogen werden kann. Damit ist es möglich, durch Schließen des Absperrorgans 5 die Temperaturmeßeinrichtung
vom Reaktordruckraum zu trennen und den Temperaturfühler 1 während des fortlaufenden Betriebes
zu wechseln. Das Absperrorgan 5 ist derart verriegelt,
daß es nur geschlossen werden kann, wenn der Temperaturfühler .1 vollständig zurückgezogen ist.
Um weitestgehend zu verhindern, daß der Temperaturfühler 1 mit der im Reaktionsraum anfallenden Schlacke in Berührung
kommt, ist es vorteilhaft, die Bohrung in der Reaktorwand zum Reaktionsraum hin zu neigen, vorzugsweise unter einem
Winkel von 20 bis 30 Grad. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, hinter dem Absperrorgan 5 eine Einrichtung 6 zur
Spülung der Meßbohrung mit Inertgasen und zur Entspannung anzubringen.
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Um "beim Einfahren des Temperaturfühlers in den tenter
Betriebsbedingungen laufenden Reaktor zulässige Wärmespannungen
zu vermeiden, kann die Spitze des Temperaturfühlers mittels einer Heizvorrichtung 7 vorgewärmt werden.
Um es zu ermöglichen, daß die Spitze des Temperaturfühlers den Wärmeausdehnungen des Mauerwerks folgen kann, wird
das Keramikschutzrohr sphärisch gelagert. Die Ansehlußdrähte
des Temperaturfühlers werden durch eine Durchführung 19 geleitet, die die unter erhöhtem Druck stehende
EeaktionsatmoSphäre des Hochtemperaturreaktors iron der
Außenatmosphäre trennt. Wegen der sphärischen Lagerung müssen die Anschlußdrähte 20 des Temperaturfühlers im Bereich
der Eeaktionsatmosphäre flexibel ausgeführt sein« Es hat
sich gezeigt, daß Kurzschlüsse in diesem Bereich auftreten können, die auf kondensierenden Dampf zurückzuführen sind.
Diese Schwierigkeiten werden nach einer "bevorzugten Ausführungsfona
der Erfindung dadurch "behoben, daß die Anschlußdrähte
20 des Temperaturfühlers im Bereich der Eeaktionsatmosphäre vor der Durchführung 19 durch -Tergisßen
der Isolierungs-Obergangsstellen ia hülseaförmigen Yerguß-
»asseträgern. isnd. scliließlich dterelö. Ifbesamg ©iaes isolieread©s
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Der !Temperaturfühler kann beispielsweise von einem Prozeßrechner 12 gesteuert werden und jede beliebige
Stellung in der Bohrung der Reaktorwand einnehmen. Vorzugsweise wird man den Temperaturfühler während der
überwiegenden Zeit die Stellung einnehmen lassen, die ausreichende Lebensdauer garantiert. Aus dieser Stellung
(Warteposition) wird der Temperaturfühler nur kurzzeitig · in den Eeaktionsraum ausgefahren, um die Eeaktortemperatur
unmittelbar zu messen.
Die Meßwerte des Temperaturfühlers können durch den Prozeßrechner 12 erfaßt werden· Ebenfalls können von
einer Stellungsrückmeldung die Augenblickswerte des Meßhubes übernommen werden. Aus diesen Daten kann für jeden
Meßhub z.B. auf einem Bildschirm in Kurvenform die Höhe der Temperatur in Abhängigkeit von der eingefahrenen Länge
dargestellt werden. Aus dieser Kurve kann der Prozeßrechner 12 die jeweilige Meßposition für die Eeaktorinnenteiaperaturmessung
ermitteln. Aus der Neigung der Kurve kann der jeweilige Übergang zwischen Bohrung und Eeaktorinnenraum
abgeleitet werden und daraus auf den Abbrand des Mauerwerks geschlossen werden.
Der Prozeßrechner 12 kann ebenfalls für jeden Meßhub eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit einstellen, entsprechend
dem durch die maximal zulässige Temperaturwechselbean-2$
spruchung des Materials des Schutzrohres 2 vorgegebenen zulässigen Temperaturanstieg je Zeiteinheit. Daneben kann
der Prozeßrechner 12 den Meßtakt sowie die Verweilzeiten in Meßstellung und in zurückgezogener Position steuern.
Der Temperaturmeßwert gibt auch in Wartestellung noch einen
gewissen Aufschluß über die Reaktorinnentemperatur. Vost Prozeßrechner 12 läßt sich bei einem einstellbaren Grenzwert der Inderungsgeschwindigkeit der Temperatur sofort
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ein neuer Meßhub auslösen, um den wirklichen Wert der
Beaktorinnentemperatur festzustellen»
Zur Kontrolle der Richtigkeit der mit der erfindungsgemäßen
Apparatur durchgeführten Temperaturmessung ist es zweckmäßig, parallel Temperaturmessungen mit verdecktem
Thermometer und Berechnungen der Temperatur über Hilfs-r
größen wie Wärmebilanzen, Gas zusammensetzungen durchzuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der Apparatur ist in Fig. 1 im einzelnen dargestellt:
1 ist ein Thermoelement als Temperaturfühler mit Keramik-Schutzrohr
2, einschließlich Stützrohr. Eine inerte Atmosphäre innerhalb des äußeren Schutzrohres zum Schutz
des Metallrohres wird durch Hp-Spülung erreicht.
3 ist eine Schnellwechselvorrichtung zum Ausbau und Wechsel des Temperaturfühlers mit Steckverbindung für die
Thermoelementenanschlüsse, die in Fig. 2 dargestellt ist.
Innerhalb des auswechselbaren Temperaturfühler-Bausatzes ist das Stützrohr 2 sphärisch gelagert, damit die Spitze
des Temperaturfühlers dea Wärmeausdehnungen des Mauerwerkes
folgen kann. Die Steckverbindung wird durch eine druckfeste Durchführung vom Druckraum abgekapselt. Zur
Vermeidung von Kurzschlüssen durch kondensierenden Dampf sind die Drähte des Temperaturfühlers 20 vor der druckfesten
Durchführung 19 durch eine durch den Schrumpfschlauch 18 gebildete flexible Isolierstrecke geschützt.
Anstelle der Spitze des Temperaturfühlers kann eine Vorrichtung zur Säuberung des Meßkanals eingesetzt werden.
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4 ist ein Rohrkörper zur Durchführung der Drähte des
Temperaturf ühlers.
5 ist ein Absperrorgan z.B. ein Kugelhahn zur Abtrennung des Beaktor-Druckraumes von der Thermometereinrichtung
zwecks Wechsel des Temperaturfühlers während der Betriebsphase. Das Absperrorgan 5 ist derart verriegelt, daß
ein Schließen nur dann erfolgen kann, wenn der Temperaturfühler vollständig zurückgefahren ist.
6 ist eine Einrichtung zur Spülung des Meßkanals mit Inertgasen
(beispielsweise Hp) und Entspannung des Baumes hinter
dem Absperrorgan mit Meßgerät zur Drucküberwachung. Ebenso wird hier bei geschlossenem Absperrorgan vor Einfahren des
Thermometers der Thermometer-Innenraum unter etwas höheren Druck,als er im Eeaktor herrscht, gesetzt,,damit beim
öffnen des Absperrorgans das Einströmen des heißen Eeaktorgases
in das Thermometer verhindert wird.
Eine Verriegelung bewirkt, daß das Absperrorgan erst dann geöffne.t werden kann,, wenn der Inertgasdruck den vorgeschriebenen
Wert besitzt.
Bei Ausfall der Inertgas-Spülung und gleichzeitigem Auftreten
von Leckagen kann das ausströmende heiße Beaktorgas
das Thermometer aufheizen. Eine Temperatur-Überwachungseinrichtung bewirkt vor Erreichen eines kritischen Zustandes
das Ausfahren des Thermometers mit nachfolgender Schließung des Absperrorgans.
7 ist eine Heizeinrichtung (z.B. elektrisch)zur Vorheizung
der Thermometerspitze.
8 ist ein Bohrkörper zur Aufnahme des Temperaturfühlers in zurückgezogener Position.
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9 ist eine Schnellwechselvorrichtung zum Ausbau des Temperaturfühlers mit; Lager- und Stopfbuchsteil. Die
Stopfbüchse besitzt eine Sicherheitskammer, die mit
Inertgasdruck beaufschlagt den Austritt von Gasen aus
dem Innenraum des !Thermometers verhindert« Auftretende Leckagen werden über eine Durchflußmessung des Inertgasstromes
erfaßt. Die Schnellwechselvorrichtung 9 ist konstruktiv so ausgeführt, daß sie nur bei geschlossener
Absperrarnatur und drucklosem Eohrkörper. 8 betätigt werden kann.
10 ist ein Anschlußkopf mit druekfedbn Durchführungen zum
Anschluß der Thermoelementen-Ausgleicheleitung.
11 ist ein pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Stellantrieb mit Stellungsregler und einer Einrichtung
zur Rückmeldung des Stellhubes sowie einer Schnellverbindungseinheit
15 zur Herstellung bzw. zum Lösen des
Kraftanschlusses zwischen Stellantrieb und dem !Thermometer.
14 ist der Stellkolben, 15 der Stellungsregler, der Stellungsgeber 16 ist hinter dem Stellungsregler angeordnet.
12 ist ein Prozeßrechner mit Bildschirm zur graphischen
Darstellung des Temperaturprofils im Häuerwerk sowie Berechnung
der vorhandenen Mauerwerkdicke sowie zur Berechnung der optimalen Meßtakb frequenz sowie zur Festlegung der
maximalen Einfahrgeschwindigkeit bei Einsatz eines neuen !Thermometers bei Betriebsbedingungen· Auf dem Bildschirm
können ebenfalls digitale Temperaturwerte eingeblendet werden wie Istwert, letzter Maximalwert etc.
17 ist eine Ausziehvorrichtung für den Thermoseterwechsel·
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Claims (6)
1. Apparatur, zur Messung der Temperatur in Reaktoren,
die bei erhöhtem Druck und bei Temperaturen von über 1400°C betrieben werden, gekennzeichnet durch ♦
- einen aus- einem Thermoelement mit Schutzrohr aus hitzefestem
Material (2) bestehenden Temperaturfühler (1),
- einem Stellantrieb (11), mittels dessen der Temperaturfühler (1) in Richtung seiner Achse durch, eine in der
Reaktorwand befindliche Bohrung zur Meßstelle geschoben wird
- und einem Absperrorgan (5)* durch das der Temperaturfühler (1) bei geöffneter Stellung des Absperrorgans (5)
durchgeschoben werden kann, und hinter das er bei geschlossener Stellung zurückgezogen ist·
2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bohrung in der Reaktorwand zum Reaktionsraum hin geneigt ist, vorzugsweise unter einem Winkel von 20 bis
30 Grad.
3- Apparatur nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch
eine Heizvorrichtung (7) zur Vorwärmung der Spitze des Temperaturfühlers (1).
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4. Apparatur nach Anspmeh 1 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das aus hitzefestem Material bestehende Schutzrohr (2) des Temperaturfühlers (1) in an sich
bekannter Weise sphärisch gelagert ist und die flexiblen
Anschlüsse des Temperaturfühlers (20) zwischen Temperaturfühler (1) und der druckfesten Durchführung (19)· aus der
unter erhöhtem Druck stehenden Heaktionsatmosphäre durch
einen sie umhüllenden Schrumpfschlauch (18) geschützt sind.
5. Apparatur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (2) mit einem Stützrohr X 21) aus einem
Metall mit ausreichend hohem Schmelzpunkt armiert ist.
6. Apparatur nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,
daß der Stellantrieb hinsichtlich Meßtakt, Vorschubgeschwindigkeit
und Verweildauer durch einen Prozeßrechner (12) gesteuert wird, wobei die gemessene Temperatur und die
Stellung des Temperaturfühlers (1) in der Bohrung (Meßhub) als Eingangsgrößen dienen und gegebenenfalls die Temperaturänderungsgeschwindigkeit als Einflußgröße wirkt.
7· Verfahren zur Messung der Temperatur im Heaktionsraum
von Kohlevergasungsreaktoren durch Verwendung der Apparatur nach Anspruch 1 bis 6.
6. Verfahren nach Anspruch 7* wobei die Richtigkeit der
Temperaturmessung über Hilf sgrößen wie Wärmebilanzen oder Gaszusammensetzung oder mittels verdecktem Thermoelement
laufend überprüft wird.
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9« Yerfahren zur Überwachung der Mauerwerkstärke in
Reaktoren, die bei erhöhtem Druck und einer Temperatur
von über 1400°C betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Apparatur nach Anspruch 6 der ieaperaturverlauf entlang der Bohrung durch das Mauerwerk bestimmt, festgehalten und in Zeitabständen miteinander verglichen wird.
Reaktoren, die bei erhöhtem Druck und einer Temperatur
von über 1400°C betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Apparatur nach Anspruch 6 der ieaperaturverlauf entlang der Bohrung durch das Mauerwerk bestimmt, festgehalten und in Zeitabständen miteinander verglichen wird.
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