余 斌，張少偉，劉 洋，李昕洋，范旭庚

1 前言

首鋼京唐2#高爐有效容積5 500 m3，高爐以“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長壽”為設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化集成了一系列先進(jìn)的長壽技術(shù)，爐體冷卻系統(tǒng)采用了除鹽水密閉循環(huán)冷卻、銅冷卻壁、薄壁內(nèi)襯體等技術(shù)［1-3］。高爐爐體水溫差監(jiān)控是在線實(shí)時(shí)檢測(cè)高爐冷卻壁進(jìn)出水溫度變化，掌握冷卻壁使用情況的重要檢測(cè)項(xiàng)目?；跔t體水溫差的精確測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算爐壁熱負(fù)荷能力，可為高爐冶煉順行提供指導(dǎo)，同時(shí)可間接監(jiān)控高爐內(nèi)襯的侵蝕情況，防止燒穿事故發(fā)生。

高爐冷卻壁原水溫差系統(tǒng)采用PT1 000熱電阻的傳統(tǒng)測(cè)量方式，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)如下不足：1）精度低，PT1 000熱電阻信號(hào)經(jīng)過銅導(dǎo)線傳輸、溫度變送器變換（轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)）后，進(jìn)入PLC模擬量輸入模塊，系統(tǒng)總體累計(jì)誤差達(dá)到±3℃，遠(yuǎn)大于±0.05℃的工藝要求；2）原系統(tǒng)只在1段、6段、10段、18段冷卻壁水管安裝了少量測(cè)溫點(diǎn)，監(jiān)測(cè)區(qū)域小不能有效反映爐體各部的熱負(fù)荷；3）因高爐冷卻壁冷卻水采用高壓密閉軟水，測(cè)溫傳感器無法帶壓更換，設(shè)備維護(hù)困難。

為克服傳統(tǒng)冷卻壁有線測(cè)溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)，系統(tǒng)采用數(shù)字測(cè)溫元件作為溫度傳感器，通過RF無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷卻壁檢測(cè)溫度全數(shù)字信號(hào)的無線發(fā)射和接收，提高水溫差監(jiān)測(cè)整體的精確度。

2 水溫差無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

首鋼京唐2#高爐爐本體共有18段冷卻壁，288根水管串聯(lián)方式連接，綜合考慮項(xiàng)目投資及爐基爐身冷卻壁進(jìn)出口溫度的監(jiān)測(cè)，選取1段、2段、3段、4段、6段、10段、12段、18段，共安裝488支無線數(shù)字溫度傳感器，879個(gè)阻隔器，28臺(tái)無線接收器箱等，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高爐爐體冷卻壁水溫差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字傳感器內(nèi)嵌RF無線發(fā)射芯片，工作頻率為433 MHz，將傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)以500 kbps傳輸速率發(fā)射；接收器內(nèi)部安裝RF接收電路，負(fù)責(zé)按傳感器地址接收相應(yīng)的溫度信號(hào)，并以串口RS485通訊方式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)。兼顧高爐主控室工長和爐體看水班組多點(diǎn)位的訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器的用戶需求，后臺(tái)配置了1套服務(wù)器主機(jī)、4臺(tái)客戶端及監(jiān)控運(yùn)行軟件；同時(shí)，考慮與高爐二級(jí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的需要，水溫差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器主機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與高爐原有二級(jí)服務(wù)器相連。

2.2 硬件系統(tǒng)特點(diǎn)

京唐2#高爐冷卻壁水溫差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，著重從傳感器、無線發(fā)射硬件選用、傳感器在線更換等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1）傳感器采用數(shù)字測(cè)溫芯片作為元件，精度為0.05℃，分辨率為0.01℃，可測(cè)量范圍為-45～150℃，保證了一次測(cè)溫元件的高分辨率的需要。

2）無線發(fā)射硬件選用CC1101RF芯片，它是基于0.18μm CMOS晶體的SmartRF04技術(shù)，具有優(yōu)秀的選擇性和模塊化性能，不需要外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換，具有高靈敏度（1%數(shù)據(jù)包誤差率）、體積小、低功率消耗等主要特性，易于構(gòu)建無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。

3）采用專利產(chǎn)品“阻隔器”，在高爐爐體冷卻壁進(jìn)出水管不停水的情況下可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫傳感器的帶壓更換；同時(shí)系統(tǒng)還預(yù)安裝了391個(gè)阻隔器，支持?jǐn)?shù)字傳感器測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展和移植的需要，如圖2所示。

圖2 無線數(shù)字傳感器及阻隔器安裝示意圖

3 系統(tǒng)主要功能

高爐冷卻壁水溫差無線監(jiān)控系統(tǒng)將冷卻水管溫度與流量檢測(cè)系統(tǒng)相融合，形成水溫差顯示及預(yù)警，支管熱流值顯示及預(yù)警功能。軟件采用先進(jìn)的ADO(ActiveX Data Object）和ODBC數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和管理，并開發(fā)出冷卻壁水溫差圖形總覽、溫差分段對(duì)比、同段冷卻壁溫差環(huán)比、熱流強(qiáng)度趨勢(shì)分析、報(bào)警查詢及數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出等功能，便于多維度、多層式監(jiān)視高爐爐體熱負(fù)荷變化情況。

3.1 水溫差總覽功能

以冷卻壁段數(shù)為縱軸，以水管為橫軸，分區(qū)分層式顯示18段冷卻壁溫差，通過紅、綠、黃三色標(biāo)識(shí)溫差不同狀態(tài)，便于快速發(fā)現(xiàn)異常報(bào)警點(diǎn)；同時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集刷新時(shí)間設(shè)置為1 min，通過數(shù)字總覽功能可完整的查閱每分鐘各水管的入水溫度值、出水溫度值及溫差數(shù)值，如圖3所示。

圖3 高爐冷卻壁水溫差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.2 環(huán)比溫差顯示功能

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)整合實(shí)現(xiàn)冷卻壁環(huán)比溫差顯示，針對(duì)相同冷卻壁段位上環(huán)形分布的所有水管的溫度差數(shù)據(jù)作統(tǒng)一比較，即“自己和同位置的其他水管進(jìn)行比較”，直觀監(jiān)測(cè)任意一段冷卻壁環(huán)形帶的整體溫度分布狀況，便于分析環(huán)形帶熱負(fù)荷狀態(tài)的均勻一致性，進(jìn)而指導(dǎo)高爐爐墻粘連或結(jié)瘤等爐況的治理工作。

其比較方法為：計(jì)算同一段位冷卻壁上所有水管的溫度差的平均值，設(shè)定一預(yù)定的波動(dòng)范圍值，如果溫差在該平均值波動(dòng)范圍內(nèi)則認(rèn)為正常；否則視為溫差過高，低于該范圍則視為溫度較低。方便高爐工長及時(shí)了解每段冷卻壁冷卻效果的均勻性，如圖4所示。

圖4 高爐冷卻壁環(huán)比溫差

3.3 熱流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)具備熱流強(qiáng)度檢測(cè)功能，通過傳感器采集每段冷卻壁“入水溫度”和“出水溫度”，計(jì)算冷卻壁冷卻水溫差值；同時(shí)通過ODBC數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，讀取高爐管控系統(tǒng)中冷卻壁支管冷卻水流量信息；依據(jù)冷卻水流量、水溫差以及冷卻器面積，計(jì)算冷卻壁的熱流強(qiáng)度值。在運(yùn)行界面系統(tǒng)將不同冷卻段溫差、流量、熱流值等數(shù)據(jù)匯集整理，通過柱形圖、雷達(dá)圖等形式集中顯示，如圖5所示。

圖5 高爐冷卻壁熱流強(qiáng)度監(jiān)視情況

3.4 歷史趨勢(shì)及報(bào)警查詢功能

系統(tǒng)可查看1～18段冷卻壁中任意水管段的溫差、熱流、溫度歷史趨勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻段及水管的整體分析。系統(tǒng)設(shè)置數(shù)值過濾功能，當(dāng)溫度數(shù)值較為接近時(shí)，可以填寫“設(shè)置最小值”或“設(shè)置最大值”來過濾曲線下方或上方較大的空白區(qū)域，使曲線較為清晰。同時(shí)，系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出功能，高爐工長可自由靈活的分時(shí)、分段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化區(qū)域，并與爐內(nèi)冶煉操作相匹配，進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)分析。

4 水溫差無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

無線測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）數(shù)字測(cè)溫傳感器的應(yīng)用提高了測(cè)量精度，克服了傳統(tǒng)熱電阻有線測(cè)溫方式誤差大（累計(jì)偏差±3℃）的缺陷，很好地滿足了高爐工長對(duì)冷卻壁進(jìn)出口水溫差細(xì)微變化監(jiān)視的需要。

2）傳感器在線更換阻隔器的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)傳感器在線帶水壓更換維護(hù)，突破了傳統(tǒng)停水泄壓更換的限制，降低了維護(hù)難度，提升了高爐運(yùn)行穩(wěn)定性。

3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與傳統(tǒng)方法相比，不需要每個(gè)溫度傳感器外接信號(hào)導(dǎo)線，可大幅削減電纜導(dǎo)線費(fèi)用，同時(shí)省去電纜路由和橋架的敷設(shè)，只需對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行配置，即可自由組網(wǎng)。

4）系統(tǒng)具有靈活的擴(kuò)展性，在預(yù)留阻隔器的水管上可自由擴(kuò)展傳感器，方便后續(xù)監(jiān)控需要。

5 結(jié)語

2#高爐冷卻壁水溫差無線監(jiān)控系統(tǒng)是首鋼京唐公司重大技術(shù)改造項(xiàng)目。系統(tǒng)投入運(yùn)行后穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便、監(jiān)測(cè)效果良好。特別是在爐襯個(gè)別溫度升高時(shí)，通過精確的水溫差測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)鎖定了爐襯異常部位，為制定護(hù)爐方案提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，縮短了高爐治理時(shí)間，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)隨著爐齡增長，需要重點(diǎn)監(jiān)控的部位逐漸增多，該系統(tǒng)利用預(yù)留位置通過傳感器移位，可實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)靈活移植，對(duì)維護(hù)高爐爐缸安全和高爐長壽具有重要意義。

［1］ 張福明，錢世崇，張建，等.首鋼京唐5 500 m3高爐采用的新技術(shù)［J］.鋼鐵，2011，46（2）：12-17.

［2］ 安世奇，王建國，江杰，等.高爐冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（2）：44-47.

［3］ 李福進(jìn)，孫麗英，陳至坤.高爐冷卻壁水溫差檢測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005（4）：22-24.