分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在電解鋁行業(yè)應(yīng)用探討

摘 要：本文就分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和在電解鋁企業(yè)相關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用可行性進(jìn)行了探討，為電解槽、中頻爐、混合爐等冶煉設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線溫度監(jiān)控提供了參考。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測(cè)溫；電解槽；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

國內(nèi)電解鋁行業(yè)規(guī)模在最近十年來取得了飛速發(fā)展。槽型和系列規(guī)模不斷增大，配套裝備制造業(yè)也緊隨其發(fā)展逐步跟進(jìn)，但發(fā)展速度和技術(shù)水平仍不能滿足現(xiàn)階段電解鋁企業(yè)對(duì)設(shè)備精細(xì)化和專業(yè)化管理需求。在電解槽日常管理中，槽殼溫度監(jiān)控是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。目前，電解槽測(cè)溫主要靠人工利用紅外線測(cè)溫儀對(duì)電解槽殼的某些點(diǎn)進(jìn)行間斷性的測(cè)量。這種測(cè)溫方法存在諸多不足，如電解槽數(shù)量多、測(cè)溫區(qū)域龐大，采用這種方法，電解槽的連續(xù)多點(diǎn)測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)，不利于測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的保存、分析等。如果能夠?qū)﹄娊獠蹥囟冗M(jìn)行連續(xù)、多點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)生成每臺(tái)電解槽殼多點(diǎn)溫度曲線，實(shí)現(xiàn)槽殼溫度閾值報(bào)警功能，將會(huì)對(duì)電解槽工藝參數(shù)分析和安全運(yùn)行提供有力的數(shù)據(jù)支持。廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工等行業(yè)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)將可能滿足這個(gè)需求。

1 光纖測(cè)溫原理介紹

當(dāng)在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖時(shí)，激光在光纖中向前傳播的同時(shí)，自發(fā)產(chǎn)生喇曼散射光波。喇曼散射光波的強(qiáng)度受所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改變。通過獲取沿光纖散射回來的背向喇曼光波，可以解調(diào)出光纖散射點(diǎn)的溫度變化。同時(shí)，根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與時(shí)間的物理關(guān)系，可以對(duì)溫度信息點(diǎn)進(jìn)行定位。

2 光纖測(cè)溫主要應(yīng)用領(lǐng)域

①電力行業(yè) 電力電纜、高壓開關(guān)柜運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)；電力變壓器、電容器、電抗器溫度監(jiān)測(cè)；發(fā)電機(jī)、高壓電動(dòng)機(jī)繞組溫度監(jiān)測(cè)；發(fā)電廠高壓蒸汽管道溫度監(jiān)測(cè)；輸煤皮帶、磨煤機(jī)溫度檢測(cè)。②機(jī)電冶金行業(yè) 高爐溫度安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)；機(jī)電設(shè)備過熱監(jiān)測(cè)；軋鋼生產(chǎn)線溫度測(cè)量；整流柜過熱監(jiān)測(cè)。③石油行業(yè) 油井溫度分布實(shí)時(shí)測(cè)量；儲(chǔ)油罐槽溫度檢測(cè)與消防；油田電氣設(shè)備溫度運(yùn)行監(jiān)測(cè)。④化工行業(yè) 儲(chǔ)料罐槽溫度監(jiān)測(cè)；反應(yīng)釜溫度監(jiān)測(cè)。

3 光纖測(cè)溫系統(tǒng)參數(shù)、特點(diǎn)及優(yōu)越性

①測(cè)點(diǎn)連續(xù)，可以全面、實(shí)時(shí)檢測(cè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象各點(diǎn)的溫度，監(jiān)測(cè)范圍大；既可測(cè)線，亦可測(cè)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)各種工況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及早期預(yù)警。②光纖本身即為傳感器，防燃、防爆、防腐蝕、耐高電壓和強(qiáng)電磁場(chǎng)、耐輻射，抗干擾性能力強(qiáng)，無擊穿、燒毀等問題。③現(xiàn)場(chǎng)只有敷設(shè)的光纖或光纜，無電子設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高。④光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：

測(cè)溫范圍：-45℃-400℃；

測(cè)量距離：最大16km；

測(cè)溫精度：±1℃；

溫度分辨率：0.1℃；

定位精度：光纖探頭5cm；自由展開光纖1m 或25cm可選。

4 電解槽殼溫度監(jiān)測(cè)重要性

槽殼溫度的測(cè)量是電解生產(chǎn)管理的重要工作之一。一方面通過槽殼溫度檢測(cè)可以反映出電解槽爐膛狀況，爐膛形狀的好壞會(huì)直接影響到電解槽的保溫和能耗狀況，技術(shù)人員通過對(duì)槽殼溫度分析，可制定出相應(yīng)的爐膛修復(fù)方案。另一方面槽殼溫度是反映電解槽運(yùn)行安全狀況的重要依據(jù)。電解槽的運(yùn)行安全對(duì)電解生產(chǎn)至關(guān)重要，一旦電解槽發(fā)生漏槽，將造成電解系列停電，輕則故障電解槽停運(yùn)大修，重則造成直流母線燒毀，系列停槽，對(duì)企業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

5 電解槽殼溫度監(jiān)測(cè)方法

目前一些大學(xué)及企業(yè)對(duì)電解槽殼在線溫度檢測(cè)方法正在研究及研發(fā)成功的有以下幾種：

①熱電偶測(cè)溫模塊分布式槽殼溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用熱電偶作為溫度傳感器，信號(hào)采用有線傳輸，輸出信號(hào)范圍4-20mA，采用信號(hào)采集器和中繼器實(shí)現(xiàn)信號(hào)集中遠(yuǎn)距離傳輸，采用通訊管理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)橋接后送入上位監(jiān)控機(jī)，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)溫度集中監(jiān)控、閾值報(bào)警等功能。②無線布點(diǎn)式槽殼溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用智能溫敏元件作為溫度傳感器，信號(hào)采用模塊式無線傳輸，輸出信號(hào)為高頻載波信號(hào)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)安裝一個(gè)無線溫度檢測(cè)模塊，采用無線中繼實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，通過無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)橋接后送入上位監(jiān)控機(jī)，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)溫度集中監(jiān)控、閾值報(bào)警等功能。③基于光纖傳感器的鋁電解槽殼溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用光纖作為溫度傳感器，同時(shí)光纖本身又是信號(hào)傳輸載體，傳遞信號(hào)為光信號(hào)，信號(hào)傳輸期間不需要轉(zhuǎn)換，根據(jù)光纖測(cè)溫系統(tǒng)空間分辨率可實(shí)現(xiàn)連續(xù)多點(diǎn)測(cè)溫。

二種分布式測(cè)溫系統(tǒng)采用測(cè)溫元件為熱電偶和熱電阻，采用有線或無線形式進(jìn)行信號(hào)傳輸。電解槽工作環(huán)境存在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，而熱電偶和熱電阻輸出均為弱電信號(hào)，電解系列規(guī)模越大，槽子數(shù)量越多，信號(hào)傳輸距離就越遠(yuǎn)，因此抗干擾和遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸問題是以上兩種測(cè)溫系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行必須要解決的難題。另外，熱電偶和熱電阻均為金屬材料制作，存在與電解槽絕緣問題。采用這兩種方法需投入大量測(cè)溫元件、中繼器等信號(hào)監(jiān)測(cè)及傳輸設(shè)備，測(cè)點(diǎn)越多，投資越大。另一種種測(cè)溫方法采用光纖作為傳感器，同時(shí)作為信號(hào)傳輸載體，具有抗電磁干擾、絕緣強(qiáng)度高、測(cè)點(diǎn)連續(xù)，增加測(cè)溫光纖長度即可增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量，可擴(kuò)展性強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離長且穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。與前兩種測(cè)溫系統(tǒng)相同，光纖測(cè)溫信號(hào)引入監(jiān)控機(jī)服務(wù)器后，通過監(jiān)控軟件即可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)生成電解槽殼溫度曲線、實(shí)現(xiàn)槽殼溫度閾值報(bào)警等多種功能。

利用光纖測(cè)溫系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以將其擴(kuò)展應(yīng)用于工（中）頻爐爐體、線圈溫度在線監(jiān)測(cè)和混合爐爐體溫度在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)重要設(shè)備重要參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，減少設(shè)備事故發(fā)生幾率，節(jié)約企業(yè)成本。

6 結(jié)束語

自從20世紀(jì)70年代中期光纖測(cè)溫傳感器發(fā)明以來，以其優(yōu)越的特性在工業(yè)、民用等多種領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。隨著電解鋁企業(yè)對(duì)電解系列運(yùn)行安全的重視和各高校、企業(yè)的協(xié)作開發(fā)，光纖測(cè)溫技術(shù)在電解槽殼測(cè)溫等領(lǐng)域的應(yīng)用將有廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉新鋒（1977-），男，漢，畢業(yè)于中南大學(xué)，本科，電氣工程師。