摘 要:針對(duì)高爐爐體熱負(fù)荷模型精細(xì)化檢測(cè)時(shí)對(duì)溫度計(jì)精度的高要求,在寶鋼湛江高爐設(shè)計(jì)中采用了一種新型的短流程、數(shù)字化溫度計(jì),較大地減少了項(xiàng)目實(shí)施時(shí)的工作量,并有效地保證了熱負(fù)荷計(jì)算所需數(shù)據(jù)源的精度要求,完全滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。FGG壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
引言
高爐爐體熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,需要精細(xì)化監(jiān)測(cè)冷卻壁的進(jìn)出口支管溫度差,而該溫度差值信號(hào)小,加之高爐周邊環(huán)境差,目前普遍采用的常規(guī)測(cè)溫技術(shù)及構(gòu)成在測(cè)溫系統(tǒng)精度、一致性及穩(wěn)定性方面都不盡如人意 [1]。在湛江高爐設(shè)計(jì)時(shí),采用了新型溫度檢測(cè)儀表——修正型高精度溫度計(jì) [2]。投產(chǎn)兩年多來,采用該
溫度計(jì)構(gòu)建的高精度溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行良好,為熱負(fù)荷計(jì)算提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)來源。
1·典型熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的誤差構(gòu)成
典型熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的誤差產(chǎn)生主要有:測(cè)溫材質(zhì)特性、環(huán)境干擾、傳輸過程中的接頭接觸不良等、傳輸電纜材質(zhì)不均、電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎档霓D(zhuǎn)換誤差、A/D轉(zhuǎn)換采樣誤差等 [3-4]。
2·修正型高精度溫度計(jì)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
修正型高精度溫度計(jì),主要從“硬”誤差“軟”修正、解析傳輸數(shù)字化兩方面著手,借助縮短信息流傳遞路徑、減少信號(hào)轉(zhuǎn)換步驟,從而降低 A/D 轉(zhuǎn)換、采樣、傳遞等造成的綜合誤差,并增強(qiáng)了設(shè)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(jì)采用好創(chuàng)修正技術(shù),shou先,通過均衡溫場(chǎng)標(biāo)定,在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)的整個(gè)量程范圍內(nèi),選擇多點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比 ITS-90 國際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的輸出真值,計(jì)算出非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果與國際溫標(biāo)真實(shí)值之間的測(cè)量誤差,再采用#小二乘法原理擬合出非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)硬誤差曲線;然后,在實(shí)測(cè)應(yīng)用狀態(tài)下,根據(jù)擬合出的非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)硬誤差曲線以及熱電阻實(shí)際測(cè)量值,以電阻測(cè)量誤差趨于零為目標(biāo),采用自學(xué)習(xí)的方法,獲得軟修正算法嵌入曲線的特征系數(shù),如圖 1 所示。溫度計(jì)設(shè)計(jì)制造時(shí),將此特征系數(shù)作為該溫度計(jì)的補(bǔ)償系數(shù),存儲(chǔ)于溫度計(jì)的數(shù)據(jù)處理器中。因此,對(duì)于每一支溫度計(jì),都獲得一個(gè)量身定制的修正曲線,以確保該溫度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)是#接近于真實(shí)值的。實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)經(jīng)修正后,其溫度輸出值都貼近于國際溫標(biāo)溫度真值的效果如圖 2 所示。
2.2 短流程數(shù)字化減小過程誤差
修正型高精度溫度計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)接線盒中增設(shè)一體化數(shù)字轉(zhuǎn)換與修正器,包括溫度信號(hào)檢測(cè)模塊、數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和補(bǔ)償算法模塊,將溫度信號(hào)檢測(cè)模塊得到的電阻測(cè)量值通過設(shè)備內(nèi)部的引出線送數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換后,以數(shù)字信號(hào)方式直接傳輸?shù)窖a(bǔ)償算法模塊,#終輸出貼近國際溫標(biāo)溫度真值的數(shù)字化溫度信號(hào)。該結(jié)構(gòu)形式能夠有效避免傳統(tǒng)熱電阻溫度計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)換回路中現(xiàn)場(chǎng)接線端子接觸不良、熱電阻信號(hào)傳輸線纜材質(zhì)不均、傳輸過程環(huán)境影響、溫度變換器與 DCS( 或PLC) 的 A/D 轉(zhuǎn)換多次重復(fù)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(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)化溫度計(jì)接線盒中植 入 有 C-MBus 總 線 通 信 模 塊, 結(jié) 合 通 用 的 GW 網(wǎng)關(guān) 控 制 器 使 用, 能 夠 輕 松 實(shí) 現(xiàn) 修 正 型 高 精 度 溫 度 計(jì)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(tǒng) [2]。
3·修正型高精度溫度計(jì)的應(yīng)用
湛 江 高 爐 爐 體 冷 卻 壁 冷 卻 水 系 統(tǒng) 采 用 純 水 密 閉循 環(huán) 系 統(tǒng), 縱 向 分 為 3 段, 周 向 分 為 8 區(qū) [7-9]。 其 中H1 ~ H7、B1、B2 環(huán)為第 1 段,共計(jì) 300 串水頭;B3、S1 ~ S4 環(huán)為第 2 段,共計(jì) 300 串水頭;爐身上部 S5、S6、R1 ~ R3、LH 環(huán) 為 第 3 段, 共 計(jì) 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(jù)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算,各環(huán)冷卻壁設(shè)計(jì)熱負(fù)荷與冷卻水流量及溫升如表 1 所示。
為了模型的精細(xì)化,理論上要求能夠檢測(cè)每塊冷卻壁進(jìn)出口支管溫度,通過測(cè)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(jié)合表 1 溫升數(shù)據(jù)可以看出,要求溫度測(cè)量?jī)x表的誤差必須足夠小,否則就對(duì)熱負(fù)荷計(jì)算帶來困難,甚至可能出現(xiàn)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(cè)儀表在爐體熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)中是必要的。
3.1 熱負(fù)荷計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置
根據(jù)高爐操作要求,控制系統(tǒng)需接收儀表送來的單元冷卻水的溫度和流量,計(jì)算各單元的實(shí)際熱負(fù)荷,并將此熱負(fù)荷值與設(shè)定值比較,當(dāng)超出管理界限時(shí),發(fā)出報(bào)警。
熱負(fù)荷計(jì)算模型公式 [10] 如下:
上述式中: 為冷卻單元 i 的熱負(fù)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(fù)荷;為單元冷卻面積。
從模型中可以看出,為了計(jì)算熱負(fù)荷,除了需要檢測(cè)溫度差之外,還需測(cè)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(shè)置分區(qū)供排水集管,在分區(qū)供排水集管之間的聯(lián)通管上設(shè)置了流量計(jì),測(cè)量該區(qū)冷卻水總量,通過調(diào)節(jié)供排水支管上的閥門將該區(qū)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(shè)置溫度計(jì),在重點(diǎn)關(guān)注的鐵口區(qū)域附近的每塊冷卻壁進(jìn)出口支管設(shè)置溫度計(jì),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(shè)置溫度計(jì)。通過這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置,每環(huán)冷卻壁 8 區(qū)每區(qū)的流量與溫度都得到了合理有效的檢測(cè)值,為熱負(fù)荷計(jì)算提供了可靠數(shù)據(jù)。
3.2 系統(tǒng)構(gòu)成及配置
為保證系統(tǒng)精度、易于系統(tǒng)構(gòu)成及便于施工,湛江高爐爐體熱負(fù)荷的溫度檢測(cè)采用修正型高精度溫度計(jì)與GW 網(wǎng)關(guān)的方式,其系統(tǒng)整體構(gòu)成如圖 3 所示。
根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置要求,湛江高爐爐體熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度儀表配置如下:393 支高精度溫度計(jì)、20 個(gè)密集接線箱和 16 個(gè) GW 網(wǎng)關(guān)(15 用 1 備),網(wǎng)關(guān)集中盤裝,設(shè)置于出鐵場(chǎng)電氣室中。總線采用耐熱雙絞電纜。在溫度計(jì)安裝設(shè)計(jì)時(shí),為了便于后期維護(hù)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(yīng)用效果
修正型高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件搭建好后,在操作員站上的原有 Rockwell 的 FTView 控制畫面中,設(shè)計(jì)了一幅高精度溫度檢測(cè)系統(tǒng)的 MODBUS TCPIP 網(wǎng)關(guān)監(jiān)測(cè)畫面,在該畫面上,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(jì)的狀態(tài)與當(dāng)前值,如圖 4 所示
在該批次修正型高精度溫度計(jì)出廠鑒定時(shí),隨機(jī)抽取了其中的 10 支,在恒溫油槽中進(jìn)行檢驗(yàn),得到的誤差值與熱電阻 AA 級(jí)精度允差值 [12] 對(duì)照表如表 2 所示。從表 2 中可以看出,修正型高精度溫度計(jì)在爐體水溫測(cè)量量程范圍內(nèi),抽樣試驗(yàn)的誤差均值都在 ±0.05℃范圍內(nèi),優(yōu)于guojia標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鉑熱電阻的 AA 級(jí)的允差值的要求,能夠滿足高爐熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)對(duì)測(cè)溫裝置的精度要求。在投產(chǎn)至今的 2 年半以來,運(yùn)行穩(wěn)定,年故障率約在 2% 左右,低于常規(guī)熱電阻通常的 5% 的故障率。
4·結(jié)束語
采用修正型高精度溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)爐體熱負(fù)荷的這套系統(tǒng)隨湛江 1 號(hào)高爐于 2015 年 9 月投產(chǎn),運(yùn)行至今,實(shí)際應(yīng)用效果反應(yīng)良好,較好地解決了爐體熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)對(duì)溫度計(jì)的高精度要求,滿足了生產(chǎn)監(jiān)測(cè)控制的需要,總線型接線方式也為當(dāng)初建設(shè)減少了施工量、爭(zhēng)取了施工時(shí)間。但目前修正型高精度溫度計(jì)的接線采用各傳感器在密集接線箱中并聯(lián)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(shí)也損失了總線節(jié)省電纜、大大減少工作量的優(yōu)勢(shì)。因此,在以后的改進(jìn)中,修正型高精度溫度計(jì)集成設(shè)計(jì)一種能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的高防護(hù)等級(jí)的三通快速總線接口很有必要。另外,目前每個(gè)網(wǎng)關(guān)能夠連接的溫度計(jì)支數(shù)不得超過 31 支,有待進(jìn)一步提高網(wǎng)關(guān)的驅(qū)動(dòng)帶載能力。
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