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)計時，采用了新型溫度檢測儀表——修正型高精度溫度計 [2]。投產(chǎn)兩年多來，采用該溫度計構(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特點(diǎn)及優(yōu)勢

 

修正型高精度溫度計，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)化溫度計的整個量程范圍內(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)溫度計的輸出真值，計算出非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計的測量結(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。溫度計設(shè)計制造時，將此特征系數(shù)作為該溫度計的補(bǔ)償系數(shù)，存儲于溫度計的數(shù)據(jù)處理器中。因此，對于每一支溫度計，都獲得一個量身定制的修正曲線，以確保該溫度計輸出的數(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在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計接線盒中增設(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。該結(jié)構(gòu)形式能夠有效避免傳統(tǒng)熱電阻溫度計測量轉(zhuǎn)換回路中現(xiàn)場接線端子接觸不良、熱電阻信號傳輸線纜材質(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在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計接線盒中植 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 300 串水頭；B3、S1 ～ S4 環(huán)為第 2 段，共計 300 串水頭；爐身上部 S5、S6、R1 ～ R3、LH 環(huán) 為 第 3 段， 共 計 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)計計算，各環(huán)冷卻壁設(shè)計熱負(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，發(fā)出報警。

 

熱負(fù)荷計算模型公式 [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，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，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，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。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、20 個密集接線箱和 16 個 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。在溫度計安裝設(shè)計時，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出廠鑒定時，隨機(jī)抽取了其中的 10 支，在恒溫油槽中進(jìn)行檢驗，得到的誤差值與熱電阻 AA 級精度允差值 [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在爐體水溫測量量程范圍內(nèi)，抽樣試驗的誤差均值都在 ±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進(jìn)行監(jiān)測爐體熱負(fù)荷的這套系統(tǒng)隨湛江 1 號高爐于 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、爭取了施工時間。但目前修正型高精度溫度計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集成設(shè)計一種能滿足現(xiàn)場工況的高防護(hù)等級的三通快速總線接口很有必要。另外，目前每個網(wǎng)關(guān)能夠連接的溫度計支數(shù)不得超過 31 支，有待進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)的驅(qū)動帶載能力。