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出口支管溫度差，而該溫度差值信號小，加之高爐周邊環境差，目前普遍采用的常規測溫技術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，采用了新型溫度檢測儀表——修正型高精度溫度計 [2]。投產兩年多來，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生主要有：測溫材質特性、環境干擾、傳輸過程中的接頭接觸不良等、傳輸電纜材質不均、電阻信號轉變為溫度值的轉換誤差、A/D轉換采樣誤差等 [3-4]。

 

2·修正型高精度溫度計特點及優勢

 

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修正技術，shou先，通過均衡溫場標定，在非標準化溫度計的整個量程范圍內，選擇多點作為測試點進行測試，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；然后，在實測應用狀態下，根據擬合出的非標準化溫度計硬誤差曲線以及熱電阻實際測量值，以電阻測量誤差趨于零為目標，采用自學習的方法，獲得軟修正算法嵌入曲線的特征系數，如圖 1 所示。溫度計設計制造時，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，都獲得一個量身定制的修正曲線，以確保該溫度計輸出的數據是#接近于真實值的。實現非標準化溫度計經修正后，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程誤差

修正型高精度溫度計在非標準化溫度計接線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設備內部的引出線送數字轉換模塊實現 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接線端子接觸不良、熱電阻信號傳輸線纜材質不均、傳輸過程環境影響、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 多種協議易于接入

修正型高精度溫度計在非標準化溫度計接線盒中植 入 有 C-MBus 總 線 通 信 模 塊， 結 合 通 用 的 GW 網關 控 制 器 使 用， 能 夠 輕 松 實 現 修 正 型 高 精 度 溫 度 計與 ControlNet、DeviceNet、CC-Link、Profibus DP、Modbus TCP、工業以太網等一系列主流工業網絡協議產品之間的通信，方便接入工業控制系統 [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 系 統， 縱 向 分 為 3 段， 周 向 分 為 8 區 [7-9]。 其 中H1 ～ H7、B1、B2 環為第 1 段，共計 300 串水頭；B3、S1 ～ S4 環為第 2 段，共計 300 串水頭；爐身上部 S5、S6、R1 ～ R3、LH 環 為 第 3 段， 共 計 252 串 水 頭。H1~H7 環為橫型冷卻壁，每 5 塊或 6 塊冷卻壁水平串聯，其余各環冷卻壁為豎型冷卻壁，從下往上依次串聯。根據工藝設計計算，各環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出口支管溫度，通過測得的出口支管溫度與進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，要求溫度測量儀表的誤差必須足夠小，否則就對熱負荷計算帶來困難，甚至可能出現進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設置

根據高爐操作要求，控制系統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，發出報警。

 

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通管上設置了流量計，測量該區冷卻水總量，通過調節供排水支管上的閥門將該區域各支管水量分配平衡。通常在橫型冷卻壁 H1 ～ H7 環的每 3 塊串聯的冷卻壁進出口支管設置溫度計，在重點關注的鐵口區域附近的每塊冷卻壁進出口支管設置溫度計，在豎型冷卻壁 B1 ～ LH 環的每環周向的每第 3 塊或第 4 塊冷卻壁進出口支管上設置溫度計。通過這些監測點的設置，每環冷卻壁 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 網關的方式，其系統整體構成如圖 3 所示。

根據監測點設置要求，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 個密集接線箱和 16 個 GW 網關（15 用 1 備），網關集中盤裝，設置于出鐵場電氣室中。總線采用耐熱雙絞電纜。在溫度計安裝設計時，為了便于后期維護與更換的便利性，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 控制畫面中，設計了一幅高精度溫度檢測系統的 MODBUS TCPIP 網關監測畫面，在該畫面上，可以一目了然地查看所有網關及所有修正型高精度溫度計的狀態與當前值，如圖 4 所示

 

在該批次修正型高精度溫度計出廠鑒定時，隨機抽取了其中的 10 支，在恒溫油槽中進行檢驗，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，優于guojia標準對鉑熱電阻的 AA 級的允差值的要求，能夠滿足高爐熱負荷監測對測溫裝置的精度要求。在投產至今的 2 年半以來，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

 

采用修正型高精度溫度計進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，運行至今，實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，滿足了生產監測控制的需要，總線型接線方式也為當初建設減少了施工量、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省電纜、大大減少工作量的優勢。因此，在以后的改進中，修正型高精度溫度計集成設計一種能滿足現場工況的高防護等級的三通快速總線接口很有必要。另外，目前每個網關能夠連接的溫度計支數不得超過 31 支，有待進一步提高網關的驅動帶載能力。