譚善偉,郭福寶,黃若愚,路 輝,敖 宇,楊運川

(1.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081;2.山西兆豐鋁電有限責任公司，山西 陽泉 045209)

隨著鋁電解槽的越來越大型化，其發(fā)生破損、漏爐的風險也隨之增大[1]，而通過監(jiān)測鋁電解陰極溫度能對槽破損、漏爐以及整個槽熱平衡穩(wěn)定性進行預測預判[2-3]。因此，如何可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟、易操作地實現(xiàn)鋁電解槽陰極溫度的實時監(jiān)測，一直是行業(yè)重點研究方向之一。由于受高溫、強磁、腐蝕及狹窄空間的影響，在現(xiàn)階段電解槽漏槽預判檢測技術中，電解槽陰極溫度在線檢測一直未突破高精度、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、人防的措施，人工勞動強度大且有安全風險，測量不精準，也存在漏檢、誤檢的可能性。而且，提高生產自動化，降低勞動強度，加快鋁電解行業(yè)的數(shù)字化轉型，建設鋁電解智能工廠，鋁電解槽陰極溫度在線檢測技術的研究也是不可或缺的一環(huán)。

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

1 電解槽測溫現(xiàn)狀分析

目前國內外已有很多針對電解槽溫度檢測的相關研究文獻，根據(jù)檢測原理主要分為接觸式熱電偶模式和非接觸式紅外測溫模式[4]。就熱電偶傳感器而言,由于其輸出為電信號,在電解槽強磁的環(huán)境下難以長期穩(wěn)定工作。紅外測溫模式則是通過非固定周期對電解槽散熱孔、端面、鋼棒、槽底部巡檢的方式進行人工測量。這種檢測方式存在時間上不連續(xù)、人為操作影響大以及紅外溫槍測量精準度不一致等問題，同時還面臨著自動化程度低、工作強度大等問題[5]。

現(xiàn)階段電解槽測溫以工區(qū)為單位，工人通過手持紅外線測溫儀對電解槽端面、散熱孔、鋼棒、槽底依次測量并進行紙質文件記錄[6]。尤其針對重點槽、異常槽，工人會加強巡檢次數(shù)，對溫度過高的點位采取風管吹風的方式降溫。這種人工測溫方式有很多弊端：①工作量巨大，一個年產約30萬噸的350 kA系列有288臺電解槽；②測量結果不準確，很大程度上受測溫位置以及手晃動的影響，人為因素影響大，甚至可能出現(xiàn)由于工人疲勞而疏忽個別點位測量的情況；③人工記錄易導致數(shù)據(jù)的丟失，后期槽控數(shù)據(jù)的分析不易查找等[7]。

由于鋁電解強磁、高溫、粉塵的現(xiàn)場環(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)中并沒有電解槽溫度在線檢測的工程化應用，無論是熱電偶還是紅外測溫檢測方式都僅停留在工業(yè)試驗階段。根據(jù)筆者在多家鋁廠的調研，簡單、可靠以及測溫材料可重復利用的安裝方式是電解槽溫度檢測能否工業(yè)化推廣的關鍵[8]。

2 電解槽測溫過程實驗

2.1 熱電偶測溫系統(tǒng)設計

(1)測溫原理

在鋁電解槽溫度檢測試驗中，依據(jù)熱電偶的工作原理分別設置熱端和冷端[9]：熱端連接檢測位置(散熱孔、陰極鋼棒等)，冷端為參考端直接和測量儀表相連。當冷端和熱端有溫差時，測量儀表根據(jù)熱電勢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，mV；

EAB(T,0)——溫度為T時的接觸電勢，℃；

EAB(T0,0)——溫度為T0 時的接觸電勢，mV。

溫度檢測系統(tǒng)由檢測單元、溫度轉換單元、無線發(fā)射單元、無線接收單元和監(jiān)控軟件等組成。檢測單元將采集到的信號傳送至溫度轉換單元，溫度轉換單元將溫度模擬量轉換為數(shù)字信號，并通過無線發(fā)射單元傳送到無線接收單元，再經(jīng)過RS485通訊傳送至服務器[11]。

熱電偶測溫的優(yōu)勢：

①測量溫度高。根據(jù)試驗，電解槽散熱孔最高溫度可達400℃，現(xiàn)有的檢測儀器在此高溫下無法長期正常工作。K型熱電偶的測量溫度為-50～+1600℃，不受此環(huán)境的影響。②結構簡單，不易折斷。熱電偶外套有保護管，在安裝過程中操作方便[12]。

(2)試驗過程

在某鋁廠350 kA電解槽上開展試驗，其陰極鋼棒以及散熱孔的溫度范圍大概在150～450℃之間，測溫元件采用K型熱電偶滿足溫度范圍[13]。由于鋁電解生產現(xiàn)場粉塵以及換極過程中從槽上部掉落的電解質和覆蓋料過多，在安裝熱電偶之前需把檢測點清掃干凈，以免測量不準確；現(xiàn)場安裝測溫點144個，其中鋼棒測溫點96個，散熱孔測溫點48個。每個溫度轉換模塊可接入8路溫度信號，兩個鋼棒和一個散熱孔接入1路溫度信號，一臺槽需要8個溫度轉換模塊[14]。

在監(jiān)測全部陰極鋼棒的情形下，檢測單元集中、數(shù)量大、安裝后固定運行時間長，移動性能要求低，因此采用了信號串行發(fā)送、統(tǒng)一轉換的工作模式。在電解槽底部安裝小型轉換發(fā)射柜，將所測信號統(tǒng)一接入轉換發(fā)射柜，再發(fā)送到無線接收單元。

針對溫度采集點散熱孔和鋼棒特殊現(xiàn)場環(huán)境，分別設計了散熱孔和鋼棒測溫安裝夾具?，F(xiàn)場安裝示意圖如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 散熱孔檢測安裝

圖2 鋼棒檢測安裝

圖3 整體安裝示意圖

(3)試驗結果

通過現(xiàn)場安裝、調試運行，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電解槽陰極鋼棒溫度和散熱孔溫度的實時檢測、歷史曲線顯示、報表統(tǒng)計和數(shù)據(jù)異常報警等功能。該試驗槽由于有一組陰極鋼棒位于穿槽母線處，安裝不方便，故共安裝測溫點143個，其中陰極鋼棒測溫點95個，散熱孔測溫點48個。具體采集數(shù)據(jù)及單點歷史曲線圖如下表1和圖4所示：

表1 熱電偶測溫溫度表

圖4 單點歷史曲線圖

2.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)設計

(1)測溫原理

分布式光纖測溫基于拉曼散射原理，利用其對溫度感應靈敏且容易和入射光分開的特點進行測溫[15]。依靠光時域反射，光源向光纖發(fā)射一束激光脈沖，脈沖在行進過程中和四周光纖不斷碰撞，生出的散射光返到入射端。經(jīng)過計算推測出發(fā)射光和反射光的時間差，從而定位光纖中發(fā)出反射光的精準位置[16]。計算公式如式( 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間,s。

針對電解鋁強磁、高溫環(huán)境，貴陽鋁鎂設計研究院有限公司開發(fā)了鋁電解槽分布式光纖測溫系統(tǒng)，主要由激光器、光電轉換模塊、DSP數(shù)字信號處理模塊、高速采集模數(shù)轉化模塊和測溫軟件組成。研發(fā)出交叉測溫光纜、復雜環(huán)境下的測溫算法。通過將分布式光纖測溫系統(tǒng)部署到電解槽上，可及時預測電解槽的漏槽風險，防止漏槽事故發(fā)生。

分布式光纖測溫主要優(yōu)勢：

①可長距離連續(xù)監(jiān)測。一個工區(qū)一般有30多臺電解槽串聯(lián)在一起，光纖可以連續(xù)布線的方式安裝，損耗低，可實現(xiàn)多槽、多點的實時監(jiān)測。②抗電磁干擾性強。鑒于電解車間的強磁場，很多檢測技術無法使用，而光纖由石英材料組成，具有電絕緣性，完全不受電磁場的干擾。③經(jīng)濟耐用。光纖材料具有耐水、不腐蝕以及長達30年壽命的特性，同時結合材料本身以及后期維護成本低，可減少整個項目的實施成本，工業(yè)推廣的可能性大。

(2)試驗過程

考慮到電解槽強磁高溫以及陰極鋼棒溫度采集點的特殊位置，簡便、合理的安裝方式是光纖測溫系統(tǒng)能否實現(xiàn)的重要一環(huán)。

本試驗同樣在350 kA系列的另一臺電解槽開展。在系統(tǒng)方案設計中，考慮到換極操作時，電解質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，由于無法在強磁環(huán)境下進行光纖熔接作業(yè)，導致一次投入和維護成本大幅提高。鑒于此，將測溫光纖進行分段制作，每段光纖可同時監(jiān)測四根陰極鋼棒，即8個測溫點。每段光纖之間通過法蘭連接，便于將受損的測溫光纖進行更換，保證系統(tǒng)的正常工作。

在每個測溫點安裝過程中，首先將高溫隔熱棉和測溫光纖卷曲放置于測溫托盤，并用高溫膠帶進行固定，其測溫光纖進線端從測溫傳感器進線孔引進，而測溫光纖出線端則從測溫光纖出線孔引出。使用G形夾主體結構將測溫光纖懸掛至電解槽陰極鋼棒。然后利用行程螺栓轉動桿轉動行程控制螺栓，并利用G形夾行程導向結構控制螺栓的方向，使得測溫托盤與電解槽鋼棒下表面可靠接觸。圖5、6所示為本次試驗的現(xiàn)場安裝效果。

圖5 組與組之間連接接線圖

(3)試驗結果

通過現(xiàn)場安裝、調試運行，系統(tǒng)可實時展現(xiàn)該槽24組陰極鋼棒的溫度實時數(shù)據(jù)、歷史曲線和超限報警。如表2、圖7所示。

圖6 光纖測溫安裝圖

表2 24組陰極鋼棒的溫度實時數(shù)據(jù) ℃

圖7 分布式光纖測溫曲線圖

3 熱電偶測溫和光纖測溫對比分析

本文利用熱電偶測溫、分布式光纖測溫和手持紅外槍測溫的溫度數(shù)據(jù)從絕對誤差、相對誤差兩個方面進行了分析計算。

(1) 絕對誤差

絕對誤差是測量值與真實值之差的絕對值，反饋了測量值與真值偏離的大小。

△=|Mo-Mr|

(3)

式中:Mo——測量值，℃；

Mr——實際值，℃。

(2) 相對誤差(MRE)

相對誤差反饋了觀量值與真值的偏離程度。通常以百分數(shù)表示。

(4)

式中：△——絕對誤差，℃；

Mr——實際值，℃。

綜上，本文利用圖8中數(shù)據(jù)，圖中三條線分別是熱電偶測溫、分布式光纖測溫和手持紅外槍測溫方式的檢測數(shù)據(jù)，并結合公式(3)、公式(4)分別計算了某廠350 kA鋁電解槽對應鋼棒溫度絕對誤差、相對誤差，如圖8所示。

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

圖8 三種不同測溫方式鋼棒溫度的對比

為進一步分析分布式光纖測溫方式的可靠性，試驗選取了350 kA系類另外一臺電解槽，將紅外溫槍檢測方式和分布式光纖測溫方式所采集到的電解槽A、B兩側的數(shù)據(jù)分別進行對比，計算出溫槍與光纖的絕對誤差和相對誤差，如圖9所示。

圖9 光纖測溫與溫槍測溫鋼棒溫度的對比A側和B側

由圖9可知，溫槍與光纖最大絕對誤差、溫槍與光纖最大相對誤差均趨于0。

結合圖8和圖9可知，無論是熱電偶測溫還是光纖測溫，我們以紅外測溫槍測溫的檢測數(shù)據(jù)為基準，光纖測溫數(shù)據(jù)精確度、穩(wěn)定性更高。如再進一步結合兩種測溫方式安裝的便捷性、材料成本的經(jīng)濟性進行綜合分析，光纖測溫方式更具備工業(yè)推廣價值。

4 結 論

本文從熱電偶測溫和光纖測溫兩種測溫原理出發(fā)，設計了兩種測溫方式的工業(yè)試驗。試驗發(fā)現(xiàn)兩種方案均可實現(xiàn)電解槽溫度在線檢測的目的，相對于傳統(tǒng)紅外測溫槍測溫，測量誤差均較小。

從經(jīng)濟性和安裝便利性等方面分析發(fā)現(xiàn)，采用熱電偶進行溫度在線監(jiān)測的測點多，成本大，后期維護成本高，而分布式光纖測溫則易于安裝維護，抗電磁干擾，數(shù)據(jù)可靠，成本低，定位準確，具備更好的工業(yè)推廣價值。