引言 

 

高爐爐體熱負(fù)荷監(jiān)測應(yīng)用中，需要精細(xì)化監(jiān)測冷卻壁的進(jìn)出口支管溫度差，而該溫度差值信號(hào)小，加之高爐周邊環(huán)境差，目前普遍采用的常規(guī)測溫技術(shù)及構(gòu)成在測溫系統(tǒng)精度、一致性及穩(wěn)定性方面都不盡如人意 [1]。在湛江高爐設(shè)計(jì)時(shí)，采用了新型溫度檢測儀表——修正型高精度溫度計(jì) [2]。投產(chǎn)兩年多來，采用該溫度計(jì)構(gòu)建的高精度溫度監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行良好，為熱負(fù)荷計(jì)算提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)來源。

 

1·典型熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差構(gòu)成

 

典型熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差產(chǎn)生主要有：測溫材質(zhì)特性、環(huán)境干擾、傳輸過程中的接頭接觸不良等、傳輸電纜材質(zhì)不均、電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎档霓D(zhuǎn)換誤差、A/D轉(zhuǎn)換采樣誤差等 [3-4]。

 

2·修正型高精度溫度計(jì)特點(diǎn)及優(yōu)勢

 

修正型高精度溫度計(jì)，主要從“硬”誤差“軟”修正、解析傳輸數(shù)字化兩方面著手，借助縮短信息流傳遞路徑、減少信號(hào)轉(zhuǎn)換步驟，從而降低 A/D 轉(zhuǎn)換、采樣、傳遞等造成的綜合誤差，并增強(qiáng)了設(shè)備的易接入性。

 

2.1 硬誤差軟修正獲得真值 

修正型高精度溫度計(jì)采用好創(chuàng)修正技術(shù)，shou先，通過均衡溫場標(biāo)定，在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)的整個(gè)量程范圍內(nèi)，選擇多點(diǎn)作為測試點(diǎn)進(jìn)行測試，對比 ITS-90 國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的輸出真值，計(jì)算出非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)的測量結(jié)果與國際溫標(biāo)真實(shí)值之間的測量誤差，再采用#小二乘法原理擬合出非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)硬誤差曲線；然后，在實(shí)測應(yīng)用狀態(tài)下，根據(jù)擬合出的非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)硬誤差曲線以及熱電阻實(shí)際測量值，以電阻測量誤差趨于零為目標(biāo)，采用自學(xué)習(xí)的方法，獲得軟修正算法嵌入曲線的特征系數(shù)，如圖 1 所示。溫度計(jì)設(shè)計(jì)制造時(shí)，將此特征系數(shù)作為該溫度計(jì)的補(bǔ)償系數(shù)，存儲(chǔ)于溫度計(jì)的數(shù)據(jù)處理器中。因此，對于每一支溫度計(jì)，都獲得一個(gè)量身定制的修正曲線，以確保該溫度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)是#接近于真實(shí)值的。實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)經(jīng)修正后，其溫度輸出值都貼近于國際溫標(biāo)溫度真值的效果如圖 2 所示。

2.2 短流程數(shù)字化減小過程誤差

修正型高精度溫度計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)接線盒中增設(shè)一體化數(shù)字轉(zhuǎn)換與修正器，包括溫度信號(hào)檢測模塊、數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和補(bǔ)償算法模塊，將溫度信號(hào)檢測模塊得到的電阻測量值通過設(shè)備內(nèi)部的引出線送數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號(hào)方式直接傳輸?shù)窖a(bǔ)償算法模塊，#終輸出貼近國際溫標(biāo)溫度真值的數(shù)字化溫度信號(hào)。該結(jié)構(gòu)形式能夠有效避免傳統(tǒng)熱電阻溫度計(jì)測量轉(zhuǎn)換回路中現(xiàn)場接線端子接觸不良、熱電阻信號(hào)傳輸線纜材質(zhì)不均、傳輸過程環(huán)境影響、溫度變換器與 DCS( 或PLC) 的 A/D 轉(zhuǎn)換多次重復(fù)采樣等造成的綜合誤差 [5-6]。

 

2.3 多種協(xié)議易于接入

修正型高精度溫度計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)接線盒中植 入 有 C-MBus 總 線 通 信 模 塊， 結(jié) 合 通 用 的 GW 網(wǎng)關(guān) 控 制 器 使 用， 能 夠 輕 松 實(shí) 現(xiàn) 修 正 型 高 精 度 溫 度 計(jì)與 ControlNet、DeviceNet、CC-Link、Profibus DP、Modbus TCP、工業(yè)以太網(wǎng)等一系列主流工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議產(chǎn)品之間的通信，方便接入工業(yè)控制系統(tǒng) [2]。

 

3·修正型高精度溫度計(jì)的應(yīng)用

 

湛 江 高 爐 爐 體 冷 卻 壁 冷 卻 水 系 統(tǒng) 采 用 純 水 密 閉循 環(huán) 系 統(tǒng)， 縱 向 分 為 3 段， 周 向 分 為 8 區(qū) [7-9]。 其 中H1 ～ H7、B1、B2 環(huán)為第 1 段，共計(jì) 300 串水頭；B3、S1 ～ S4 環(huán)為第 2 段，共計(jì) 300 串水頭；爐身上部 S5、S6、R1 ～ R3、LH 環(huán) 為 第 3 段， 共 計(jì) 252 串 水 頭。H1~H7 環(huán)為橫型冷卻壁，每 5 塊或 6 塊冷卻壁水平串聯(lián)，其余各環(huán)冷卻壁為豎型冷卻壁，從下往上依次串聯(lián)。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，各環(huán)冷卻壁設(shè)計(jì)熱負(fù)荷與冷卻水流量及溫升如表 1 所示。

為了模型的精細(xì)化，理論上要求能夠檢測每塊冷卻壁進(jìn)出口支管溫度，通過測得的出口支管溫度與進(jìn)口支管溫度溫度相減，得到每塊冷卻壁的溫升。結(jié)合表 1 溫升數(shù)據(jù)可以看出，要求溫度測量儀表的誤差必須足夠小，否則就對熱負(fù)荷計(jì)算帶來困難，甚至可能出現(xiàn)進(jìn)水溫度高于出水溫度這種不符合邏輯的壞值。因此，高精度溫度檢測儀表在爐體熱負(fù)荷監(jiān)測中是必要的。

 

3.1  熱負(fù)荷計(jì)算模型及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)高爐操作要求，控制系統(tǒng)需接收儀表送來的單元冷卻水的溫度和流量，計(jì)算各單元的實(shí)際熱負(fù)荷，并將此熱負(fù)荷值與設(shè)定值比較，當(dāng)超出管理界限時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

 

熱負(fù)荷計(jì)算模型公式 [10] 如下：

 

上述式中： 為冷卻單元 i 的熱負(fù)荷；為冷卻水給排水溫度差，、分別為冷卻水排水和給水溫度；為冷卻水給排水流量；C 為水的熱容；為冷卻單元單位面積上熱負(fù)荷；為單元冷卻面積。

 

從模型中可以看出，為了計(jì)算熱負(fù)荷，除了需要檢測溫度差之外，還需測量流經(jīng)各冷卻壁的冷卻水流量。在湛江高爐工程中，冷卻壁各段之間設(shè)置分區(qū)供排水集管，在分區(qū)供排水集管之間的聯(lián)通管上設(shè)置了流量計(jì)，測量該區(qū)冷卻水總量，通過調(diào)節(jié)供排水支管上的閥門將該區(qū)域各支管水量分配平衡。通常在橫型冷卻壁 H1 ～ H7 環(huán)的每 3 塊串聯(lián)的冷卻壁進(jìn)出口支管設(shè)置溫度計(jì)，在重點(diǎn)關(guān)注的鐵口區(qū)域附近的每塊冷卻壁進(jìn)出口支管設(shè)置溫度計(jì)，在豎型冷卻壁 B1 ～ LH 環(huán)的每環(huán)周向的每第 3 塊或第 4 塊冷卻壁進(jìn)出口支管上設(shè)置溫度計(jì)。通過這些監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置，每環(huán)冷卻壁 8 區(qū)每區(qū)的流量與溫度都得到了合理有效的檢測值，為熱負(fù)荷計(jì)算提供了可靠數(shù)據(jù)。

 

3.2  系統(tǒng)構(gòu)成及配置

為保證系統(tǒng)精度、易于系統(tǒng)構(gòu)成及便于施工，湛江高爐爐體熱負(fù)荷的溫度檢測采用修正型高精度溫度計(jì)與GW 網(wǎng)關(guān)的方式，其系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖 3 所示。

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置要求，湛江高爐爐體熱負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)溫度儀表配置如下：393 支高精度溫度計(jì)、20 個(gè)密集接線箱和 16 個(gè) GW 網(wǎng)關(guān)（15 用 1 備），網(wǎng)關(guān)集中盤裝，設(shè)置于出鐵場電氣室中。總線采用耐熱雙絞電纜。在溫度計(jì)安裝設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于后期維護(hù)與更換的便利性，采用了支持在線插拔的安裝接口附件 [11]。

 

3.3   應(yīng)用效果

修正型高精度溫度檢測系統(tǒng)硬件搭建好后，在操作員站上的原有 Rockwell 的 FTView 控制畫面中，設(shè)計(jì)了一幅高精度溫度檢測系統(tǒng)的 MODBUS TCPIP 網(wǎng)關(guān)監(jiān)測畫面，在該畫面上，可以一目了然地查看所有網(wǎng)關(guān)及所有修正型高精度溫度計(jì)的狀態(tài)與當(dāng)前值，如圖 4 所示

 

在該批次修正型高精度溫度計(jì)出廠鑒定時(shí)，隨機(jī)抽取了其中的 10 支，在恒溫油槽中進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的誤差值與熱電阻 AA 級(jí)精度允差值 [12] 對照表如表 2 所示。從表 2 中可以看出，修正型高精度溫度計(jì)在爐體水溫測量量程范圍內(nèi)，抽樣試驗(yàn)的誤差均值都在 ±0.05℃范圍內(nèi)，優(yōu)于guojia標(biāo)準(zhǔn)對鉑熱電阻的 AA 級(jí)的允差值的要求，能夠滿足高爐熱負(fù)荷監(jiān)測對測溫裝置的精度要求。在投產(chǎn)至今的 2 年半以來，運(yùn)行穩(wěn)定，年故障率約在 2% 左右，低于常規(guī)熱電阻通常的 5% 的故障率。

 

4·結(jié)束語

 

采用修正型高精度溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測爐體熱負(fù)荷的這套系統(tǒng)隨湛江 1 號(hào)高爐于 2015 年 9 月投產(chǎn)，運(yùn)行至今，實(shí)際應(yīng)用效果反應(yīng)良好，較好地解決了爐體熱負(fù)荷監(jiān)測對溫度計(jì)的高精度要求，滿足了生產(chǎn)監(jiān)測控制的需要，總線型接線方式也為當(dāng)初建設(shè)減少了施工量、爭取了施工時(shí)間。但目前修正型高精度溫度計(jì)的接線采用各傳感器在密集接線箱中并聯(lián)接在總線干線上的方式，這雖在一定程度上降低了總線故障的影響面，但同時(shí)也損失了總線節(jié)省電纜、大大減少工作量的優(yōu)勢。因此，在以后的改進(jìn)中，修正型高精度溫度計(jì)集成設(shè)計(jì)一種能滿足現(xiàn)場工況的高防護(hù)等級(jí)的三通快速總線接口很有必要。另外，目前每個(gè)網(wǎng)關(guān)能夠連接的溫度計(jì)支數(shù)不得超過 31 支，有待進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)的驅(qū)動(dòng)帶載能力。