譚善偉,郭福寶,黃若愚,路 輝,敖 宇,楊運(yùn)川

(1.貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081;2.山西兆豐鋁電有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045209)

隨著鋁電解槽的越來(lái)越大型化，其發(fā)生破損、漏爐的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大[1]，而通過(guò)監(jiān)測(cè)鋁電解陰極溫度能對(duì)槽破損、漏爐以及整個(gè)槽熱平衡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)判[2-3]。因此，如何可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、易操作地實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一直是行業(yè)重點(diǎn)研究方向之一。由于受高溫、強(qiáng)磁、腐蝕及狹窄空間的影響，在現(xiàn)階段電解槽漏槽預(yù)判檢測(cè)技術(shù)中，電解槽陰極溫度在線(xiàn)檢測(cè)一直未突破高精度、高可靠性、低成本、易使用的瓶頸。目前，鋁電解企業(yè)仍在執(zhí)行著人盯、人測(cè)、人防的措施，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大且有安全風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)量不精準(zhǔn)，也存在漏檢、誤檢的可能性。而且，提高生產(chǎn)自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，加快鋁電解行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建設(shè)鋁電解智能工廠(chǎng)，鋁電解槽陰極溫度在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的研究也是不可或缺的一環(huán)。

本文基于此研究目的，分別進(jìn)行了傳統(tǒng)熱電偶傳感器檢測(cè)和新型分布式光纖測(cè)溫的工業(yè)試驗(yàn)，并將其監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工紅外溫槍測(cè)溫進(jìn)行對(duì)比，最后根據(jù)材料成本、安裝、系統(tǒng)運(yùn)行，以及電解槽停槽后的二次安裝等過(guò)程進(jìn)行多角度分析，確定了更適用于工業(yè)推廣的電解槽溫度在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。

1 電解槽測(cè)溫現(xiàn)狀分析

目前國(guó)內(nèi)外已有很多針對(duì)電解槽溫度檢測(cè)的相關(guān)研究文獻(xiàn)，根據(jù)檢測(cè)原理主要分為接觸式熱電偶模式和非接觸式紅外測(cè)溫模式[4]。就熱電偶傳感器而言,由于其輸出為電信號(hào),在電解槽強(qiáng)磁的環(huán)境下難以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。紅外測(cè)溫模式則是通過(guò)非固定周期對(duì)電解槽散熱孔、端面、鋼棒、槽底部巡檢的方式進(jìn)行人工測(cè)量。這種檢測(cè)方式存在時(shí)間上不連續(xù)、人為操作影響大以及紅外溫槍測(cè)量精準(zhǔn)度不一致等問(wèn)題，同時(shí)還面臨著自動(dòng)化程度低、工作強(qiáng)度大等問(wèn)題[5]。

現(xiàn)階段電解槽測(cè)溫以工區(qū)為單位，工人通過(guò)手持紅外線(xiàn)測(cè)溫儀對(duì)電解槽端面、散熱孔、鋼棒、槽底依次測(cè)量并進(jìn)行紙質(zhì)文件記錄[6]。尤其針對(duì)重點(diǎn)槽、異常槽，工人會(huì)加強(qiáng)巡檢次數(shù)，對(duì)溫度過(guò)高的點(diǎn)位采取風(fēng)管吹風(fēng)的方式降溫。這種人工測(cè)溫方式有很多弊端：①工作量巨大，一個(gè)年產(chǎn)約30萬(wàn)噸的350 kA系列有288臺(tái)電解槽；②測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，很大程度上受測(cè)溫位置以及手晃動(dòng)的影響，人為因素影響大，甚至可能出現(xiàn)由于工人疲勞而疏忽個(gè)別點(diǎn)位測(cè)量的情況；③人工記錄易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，后期槽控?cái)?shù)據(jù)的分析不易查找等[7]。

由于鋁電解強(qiáng)磁、高溫、粉塵的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及電解槽陰極鋼棒、散熱孔所處的空間狹窄等因素，目前鋁電解行業(yè)中并沒(méi)有電解槽溫度在線(xiàn)檢測(cè)的工程化應(yīng)用，無(wú)論是熱電偶還是紅外測(cè)溫檢測(cè)方式都僅停留在工業(yè)試驗(yàn)階段。根據(jù)筆者在多家鋁廠(chǎng)的調(diào)研，簡(jiǎn)單、可靠以及測(cè)溫材料可重復(fù)利用的安裝方式是電解槽溫度檢測(cè)能否工業(yè)化推廣的關(guān)鍵[8]。

2 電解槽測(cè)溫過(guò)程實(shí)驗(yàn)

2.1 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)測(cè)溫原理

在鋁電解槽溫度檢測(cè)試驗(yàn)中，依據(jù)熱電偶的工作原理分別設(shè)置熱端和冷端[9]：熱端連接檢測(cè)位置(散熱孔、陰極鋼棒等)，冷端為參考端直接和測(cè)量?jī)x表相連。當(dāng)冷端和熱端有溫差時(shí)，測(cè)量?jī)x表根據(jù)熱電勢(shì)換算即可顯示熱端溫度。如式(1)所示[10]：

EAB(T,T0)=EAB(T,0)-EAB(T0,0)

(1)

式中:EAB(T,T0)——熱電勢(shì)，mV；

EAB(T,0)——溫度為T(mén)時(shí)的接觸電勢(shì)，℃；

EAB(T0,0)——溫度為T(mén)0 時(shí)的接觸電勢(shì)，mV。

溫度檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)單元、溫度轉(zhuǎn)換單元、無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元、無(wú)線(xiàn)接收單元和監(jiān)控軟件等組成。檢測(cè)單元將采集到的信號(hào)傳送至溫度轉(zhuǎn)換單元，溫度轉(zhuǎn)換單元將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元傳送到無(wú)線(xiàn)接收單元，再經(jīng)過(guò)RS485通訊傳送至服務(wù)器[11]。

熱電偶測(cè)溫的優(yōu)勢(shì)：

①測(cè)量溫度高。根據(jù)試驗(yàn)，電解槽散熱孔最高溫度可達(dá)400℃，現(xiàn)有的檢測(cè)儀器在此高溫下無(wú)法長(zhǎng)期正常工作。K型熱電偶的測(cè)量溫度為-50～+1600℃，不受此環(huán)境的影響。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易折斷。熱電偶外套有保護(hù)管，在安裝過(guò)程中操作方便[12]。

(2)試驗(yàn)過(guò)程

在某鋁廠(chǎng)350 kA電解槽上開(kāi)展試驗(yàn)，其陰極鋼棒以及散熱孔的溫度范圍大概在150～450℃之間，測(cè)溫元件采用K型熱電偶滿(mǎn)足溫度范圍[13]。由于鋁電解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵以及換極過(guò)程中從槽上部掉落的電解質(zhì)和覆蓋料過(guò)多，在安裝熱電偶之前需把檢測(cè)點(diǎn)清掃干凈，以免測(cè)量不準(zhǔn)確；現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)溫點(diǎn)144個(gè)，其中鋼棒測(cè)溫點(diǎn)96個(gè)，散熱孔測(cè)溫點(diǎn)48個(gè)。每個(gè)溫度轉(zhuǎn)換模塊可接入8路溫度信號(hào)，兩個(gè)鋼棒和一個(gè)散熱孔接入1路溫度信號(hào)，一臺(tái)槽需要8個(gè)溫度轉(zhuǎn)換模塊[14]。

在監(jiān)測(cè)全部陰極鋼棒的情形下，檢測(cè)單元集中、數(shù)量大、安裝后固定運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，移動(dòng)性能要求低，因此采用了信號(hào)串行發(fā)送、統(tǒng)一轉(zhuǎn)換的工作模式。在電解槽底部安裝小型轉(zhuǎn)換發(fā)射柜，將所測(cè)信號(hào)統(tǒng)一接入轉(zhuǎn)換發(fā)射柜，再發(fā)送到無(wú)線(xiàn)接收單元。

針對(duì)溫度采集點(diǎn)散熱孔和鋼棒特殊現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，分別設(shè)計(jì)了散熱孔和鋼棒測(cè)溫安裝夾具。現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 散熱孔檢測(cè)安裝

圖2 鋼棒檢測(cè)安裝

圖3 整體安裝示意圖

(3)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試運(yùn)行，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電解槽陰極鋼棒溫度和散熱孔溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)、歷史曲線(xiàn)顯示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)異常報(bào)警等功能。該試驗(yàn)槽由于有一組陰極鋼棒位于穿槽母線(xiàn)處，安裝不方便，故共安裝測(cè)溫點(diǎn)143個(gè)，其中陰極鋼棒測(cè)溫點(diǎn)95個(gè)，散熱孔測(cè)溫點(diǎn)48個(gè)。具體采集數(shù)據(jù)及單點(diǎn)歷史曲線(xiàn)圖如下表1和圖4所示：

表1 熱電偶測(cè)溫溫度表

圖4 單點(diǎn)歷史曲線(xiàn)圖

2.2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)測(cè)溫原理

分布式光纖測(cè)溫基于拉曼散射原理，利用其對(duì)溫度感應(yīng)靈敏且容易和入射光分開(kāi)的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫[15]。依靠光時(shí)域反射，光源向光纖發(fā)射一束激光脈沖，脈沖在行進(jìn)過(guò)程中和四周光纖不斷碰撞，生出的散射光返到入射端。經(jīng)過(guò)計(jì)算推測(cè)出發(fā)射光和反射光的時(shí)間差，從而定位光纖中發(fā)出反射光的精準(zhǔn)位置[16]。計(jì)算公式如式( 2) 。

(2)

式中:c——光在真空中的傳播速度，m/s;

n——光纖的折射率;

t——入射光經(jīng)散射后返回到光纖入射端所需時(shí)間,s。

針對(duì)電解鋁強(qiáng)磁、高溫環(huán)境，貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司開(kāi)發(fā)了鋁電解槽分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，主要由激光器、光電轉(zhuǎn)換模塊、DSP數(shù)字信號(hào)處理模塊、高速采集模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊和測(cè)溫軟件組成。研發(fā)出交叉測(cè)溫光纜、復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)溫算法。通過(guò)將分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)部署到電解槽上，可及時(shí)預(yù)測(cè)電解槽的漏槽風(fēng)險(xiǎn)，防止漏槽事故發(fā)生。

分布式光纖測(cè)溫主要優(yōu)勢(shì)：

①可長(zhǎng)距離連續(xù)監(jiān)測(cè)。一個(gè)工區(qū)一般有30多臺(tái)電解槽串聯(lián)在一起，光纖可以連續(xù)布線(xiàn)的方式安裝，損耗低，可實(shí)現(xiàn)多槽、多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。②抗電磁干擾性強(qiáng)。鑒于電解車(chē)間的強(qiáng)磁場(chǎng)，很多檢測(cè)技術(shù)無(wú)法使用，而光纖由石英材料組成，具有電絕緣性，完全不受電磁場(chǎng)的干擾。③經(jīng)濟(jì)耐用。光纖材料具有耐水、不腐蝕以及長(zhǎng)達(dá)30年壽命的特性，同時(shí)結(jié)合材料本身以及后期維護(hù)成本低，可減少整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施成本，工業(yè)推廣的可能性大。

(2)試驗(yàn)過(guò)程

考慮到電解槽強(qiáng)磁高溫以及陰極鋼棒溫度采集點(diǎn)的特殊位置，簡(jiǎn)便、合理的安裝方式是光纖測(cè)溫系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的重要一環(huán)。

本試驗(yàn)同樣在350 kA系列的另一臺(tái)電解槽開(kāi)展。在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，考慮到換極操作時(shí)，電解質(zhì)和覆蓋料可能從格柵板掉落而造成光纖損傷，光纖一旦損壞，由于無(wú)法在強(qiáng)磁環(huán)境下進(jìn)行光纖熔接作業(yè)，導(dǎo)致一次投入和維護(hù)成本大幅提高。鑒于此，將測(cè)溫光纖進(jìn)行分段制作，每段光纖可同時(shí)監(jiān)測(cè)四根陰極鋼棒，即8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。每段光纖之間通過(guò)法蘭連接，便于將受損的測(cè)溫光纖進(jìn)行更換，保證系統(tǒng)的正常工作。

在每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)安裝過(guò)程中，首先將高溫隔熱棉和測(cè)溫光纖卷曲放置于測(cè)溫托盤(pán)，并用高溫膠帶進(jìn)行固定，其測(cè)溫光纖進(jìn)線(xiàn)端從測(cè)溫傳感器進(jìn)線(xiàn)孔引進(jìn)，而測(cè)溫光纖出線(xiàn)端則從測(cè)溫光纖出線(xiàn)孔引出。使用G形夾主體結(jié)構(gòu)將測(cè)溫光纖懸掛至電解槽陰極鋼棒。然后利用行程螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)行程控制螺栓，并利用G形夾行程導(dǎo)向結(jié)構(gòu)控制螺栓的方向，使得測(cè)溫托盤(pán)與電解槽鋼棒下表面可靠接觸。圖5、6所示為本次試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)安裝效果。

圖5 組與組之間連接接線(xiàn)圖

(3)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)展現(xiàn)該槽24組陰極鋼棒的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線(xiàn)和超限報(bào)警。如表2、圖7所示。

圖6 光纖測(cè)溫安裝圖

表2 24組陰極鋼棒的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) ℃

圖7 分布式光纖測(cè)溫曲線(xiàn)圖

3 熱電偶測(cè)溫和光纖測(cè)溫對(duì)比分析

本文利用熱電偶測(cè)溫、分布式光纖測(cè)溫和手持紅外槍測(cè)溫的溫度數(shù)據(jù)從絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差兩個(gè)方面進(jìn)行了分析計(jì)算。

(1) 絕對(duì)誤差

絕對(duì)誤差是測(cè)量值與真實(shí)值之差的絕對(duì)值，反饋了測(cè)量值與真值偏離的大小。

△=|Mo-Mr|

(3)

式中:Mo——測(cè)量值，℃；

Mr——實(shí)際值，℃。

(2) 相對(duì)誤差(MRE)

相對(duì)誤差反饋了觀(guān)量值與真值的偏離程度。通常以百分?jǐn)?shù)表示。

(4)

式中：△——絕對(duì)誤差，℃；

Mr——實(shí)際值，℃。

綜上，本文利用圖8中數(shù)據(jù)，圖中三條線(xiàn)分別是熱電偶測(cè)溫、分布式光纖測(cè)溫和手持紅外槍測(cè)溫方式的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合公式(3)、公式(4)分別計(jì)算了某廠(chǎng)350 kA鋁電解槽對(duì)應(yīng)鋼棒溫度絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差，如圖8所示。

由圖8可知，溫槍與熱電偶最大絕對(duì)誤差為30℃，溫槍與光纖最大絕對(duì)誤差為22℃，溫槍與光纖最大相對(duì)誤差、溫槍與熱電偶最大相對(duì)誤差均趨于0。

圖8 三種不同測(cè)溫方式鋼棒溫度的對(duì)比

為進(jìn)一步分析分布式光纖測(cè)溫方式的可靠性，試驗(yàn)選取了350 kA系類(lèi)另外一臺(tái)電解槽，將紅外溫槍檢測(cè)方式和分布式光纖測(cè)溫方式所采集到的電解槽A、B兩側(cè)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出溫槍與光纖的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，如圖9所示。

圖9 光纖測(cè)溫與溫槍測(cè)溫鋼棒溫度的對(duì)比A側(cè)和B側(cè)

由圖9可知，溫槍與光纖最大絕對(duì)誤差、溫槍與光纖最大相對(duì)誤差均趨于0。

結(jié)合圖8和圖9可知，無(wú)論是熱電偶測(cè)溫還是光纖測(cè)溫，我們以紅外測(cè)溫槍測(cè)溫的檢測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)精確度、穩(wěn)定性更高。如再進(jìn)一步結(jié)合兩種測(cè)溫方式安裝的便捷性、材料成本的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，光纖測(cè)溫方式更具備工業(yè)推廣價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文從熱電偶測(cè)溫和光纖測(cè)溫兩種測(cè)溫原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了兩種測(cè)溫方式的工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種方案均可實(shí)現(xiàn)電解槽溫度在線(xiàn)檢測(cè)的目的，相對(duì)于傳統(tǒng)紅外測(cè)溫槍測(cè)溫，測(cè)量誤差均較小。

從經(jīng)濟(jì)性和安裝便利性等方面分析發(fā)現(xiàn)，采用熱電偶進(jìn)行溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)多，成本大，后期維護(hù)成本高，而分布式光纖測(cè)溫則易于安裝維護(hù)，抗電磁干擾，數(shù)據(jù)可靠，成本低，定位準(zhǔn)確，具備更好的工業(yè)推廣價(jià)值。