引言 

 

高爐爐體熱負荷監測應用中，需要精細化監測冷卻壁的進(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測溫技術(shù)及構成在測溫系統精度、一致性及穩定性方面都不盡如人意 [1]。在湛江高爐設計時(shí)，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(lái)，采用該溫度計構建的高精度溫度監測系統運行良好，為熱負荷計算提供了穩定可靠的數據來(lái)源。

 

1·典型熱電阻測溫系統的誤差構成

 

典型熱電阻測溫系統的誤差產(chǎn)生主要有：測溫材質(zhì)特性、環(huán)境干擾、傳輸過(guò)程中的接頭接觸不良等、傳輸電纜材質(zhì)不均、電阻信號轉變?yōu)闇囟戎档霓D換誤差、A/D轉換采樣誤差等 [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、解析傳輸數字化兩方面著(zhù)手，借助縮短信息流傳遞路徑、減少信號轉換步驟，從而降低 A/D 轉換、采樣、傳遞等造成的綜合誤差，并增強了設備的易接入性。

 

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(guò)均衡溫場(chǎng)標定，在非標準化溫度計的整個(gè)量程范圍內，選擇多點(diǎn)作為測試點(diǎn)進(jìn)行測試，對比 ITS-90 國際溫標的標準溫度計的輸出真值，計算出非標準化溫度計的測量結果與國際溫標真實(shí)值之間的測量誤差，再采用#小二乘法原理擬合出非標準化溫度計硬誤差曲線(xiàn)；然后，在實(shí)測應用狀態(tài)下，根據擬合出的非標準化溫度計硬誤差曲線(xiàn)以及熱電阻實(shí)際測量值，以電阻測量誤差趨于零為目標，采用自學(xué)習的方法，獲得軟修正算法嵌入曲線(xiàn)的特征系數，如圖 1 所示。溫度計設計制造時(shí)，將此特征系數作為該溫度計的補償系數，存儲于溫度計的數據處理器中。因此，對于每一支溫度計，都獲得一個(gè)量身定制的修正曲線(xiàn)，以確保該溫度計輸出的數據是#接近于真實(shí)值的。實(shí)現非標準化溫度計經(jīng)修正后，其溫度輸出值都貼近于國際溫標溫度真值的效果如圖 2 所示。

2.2 短流程數字化減小過(guò)程誤差

修正型高精度溫度計在非標準化溫度計接線(xiàn)盒中增設一體化數字轉換與修正器，包括溫度信號檢測模塊、數字轉換模塊和補償算法模塊，將溫度信號檢測模塊得到的電阻測量值通過(guò)設備內部的引出線(xiàn)送數字轉換模塊實(shí)現 A/D 轉換后，以數字信號方式直接傳輸到補償算法模塊，#終輸出貼近國際溫標溫度真值的數字化溫度信號。該結構形式能夠有效避免傳統熱電阻溫度計測量轉換回路中現場(chǎng)接線(xiàn)端子接觸不良、熱電阻信號傳輸線(xiàn)纜材質(zhì)不均、傳輸過(guò)程環(huán)境影響、溫度變換器與 DCS( 或PLC) 的 A/D 轉換多次重復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準化溫度計接線(xiàn)盒中植 入 有 C-MBus 總 線(xiàn) 通 信 模 塊， 結 合 通 用 的 GW 網(wǎng)關(guān) 控 制 器 使 用， 能 夠 輕 松 實(shí) 現 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 [2]。

 

3·修正型高精度溫度計的應用

 

湛 江 高 爐 爐 體 冷 卻 壁 冷 卻 水 系 統 采 用 純 水 密 閉循 環(huán) 系 統， 縱 向 分 為 3 段， 周 向 分 為 8 區 [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)。根據工藝設計計算，各環(huán)冷卻壁設計熱負荷與冷卻水流量及溫升如表 1 所示。

為了模型的精細化，理論上要求能夠檢測每塊冷卻壁進(jìn)出口支管溫度，通過(guò)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。結合表 1 溫升數據可以看出，要求溫度測量?jì)x表的誤差必須足夠小，否則就對熱負荷計算帶來(lái)困難，甚至可能出現進(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荷監測中是必要的。

 

3.1  熱負荷計算模型及監測點(diǎn)設置

根據高爐操作要求，控制系統需接收儀表送來(lái)的單元冷卻水的溫度和流量，計算各單元的實(shí)際熱負荷，并將此熱負荷值與設定值比較，當超出管理界限時(shí)，發(fā)出報警。

 

熱負荷計算模型公式 [10] 如下：

 

上述式中： 為冷卻單元 i 的熱負荷；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荷；為單元冷卻面積。

 

從模型中可以看出，為了計算熱負荷，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，冷卻壁各段之間設置分區供排水集管，在分區供排水集管之間的聯(lián)通管上設置了流量計，測量該區冷卻水總量，通過(guò)調節供排水支管上的閥門(mén)將該區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)出口支管設置溫度計，在重點(diǎn)關(guān)注的鐵口區域附近的每塊冷卻壁進(jìn)出口支管設置溫度計，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)出口支管上設置溫度計。通過(guò)這些監測點(diǎn)的設置，每環(huán)冷卻壁 8 區每區的流量與溫度都得到了合理有效的檢測值，為熱負荷計算提供了可靠數據。

 

3.2  系統構成及配置

為保證系統精度、易于系統構成及便于施工，湛江高爐爐體熱負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，其系統整體構成如圖 3 所示。

根據監測點(diǎn)設置要求，湛江高爐爐體熱負荷監測系統溫度儀表配置如下：393 支高精度溫度計、20 個(gè)密集接線(xiàn)箱和 16 個(gè) GW 網(wǎng)關(guān)（15 用 1 備），網(wǎng)關(guān)集中盤(pán)裝，設置于出鐵場(chǎng)電氣室中�？偩�(xiàn)采用耐熱雙絞電纜。在溫度計安裝設計時(shí)，為了便于后期維護與更換的便利性，采用了支持在線(xiàn)插拔的安裝接口附件 [11]。

 

3.3   應用效果

修正型高精度溫度檢測系統硬件搭建好后，在操作員站上的原有 Rockwell 的 FTView 控制畫(huà)面中，設計了一幅高精度溫度檢測系統的 MODBUS TCPIP 網(wǎng)關(guān)監測畫(huà)面，在該畫(huà)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)與當前值，如圖 4 所示

 

在該批次修正型高精度溫度計出廠(chǎng)鑒定時(shí)，隨機抽取了其中的 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，抽樣試驗的誤差均值都在 ±0.05℃范圍內，優(yōu)于guojia標準對鉑熱電阻的 AA 級的允差值的要求，能夠滿(mǎn)足高爐熱負荷監測對測溫裝置的精度要求。在投產(chǎn)至今的 2 年半以來(lái)，運行穩定，年故障率約在 2% 左右，低于常規熱電阻通常的 5% 的故障率。

 

4·結束語(yǔ)

 

采用修正型高精度溫度計進(jìn)行監測爐體熱負荷的這套系統隨湛江 1 號高爐于 2015 年 9 月投產(chǎn)，運行至今，實(shí)際應用效果反應良好，較好地解決了爐體熱負荷監測對溫度計的高精度要求，滿(mǎn)足了生產(chǎn)監測控制的需要，總線(xiàn)型接線(xiàn)方式也為當初建設減少了施工量、爭取了施工時(shí)間。但目前修正型高精度溫度計的接線(xiàn)采用各傳感器在密集接線(xiàn)箱中并聯(lián)接在總線(xiàn)干線(xiàn)上的方式，這雖在一定程度上降低了總線(xiàn)故障的影響面，但同時(shí)也損失了總線(xiàn)節省電纜、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計一種能滿(mǎn)足現場(chǎng)工況的高防護等級的三通快速總線(xiàn)接口很有必要。另外，目前每個(gè)網(wǎng)關(guān)能夠連接的溫度計支數不得超過(guò) 31 支，有待進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)的驅動(dòng)帶載能力。