基于光纤测温系统的高炉温度监测控制分析.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究基于光纤测温系统的高炉温度监测控制分析孙德全（郑州旅游职业学院机电工程学院，河南郑州45146 4）摘要：为了提高高炉温度在线监测能力，通过双路解调方案构建分布式拉曼光纤温度测试系统，采用外部触发方式，实现相互协调的工作状态。温度测试结果表明：对常温状态下的系统各通道分别进行距离为10 m范围的温度精度达到土1，保持良好的稳定性。该系统在高低温测试范围内具备较优的响应性能，能够满足高炉测温要求。该研究能够有效地降低高炉燃烧器温度控制器受到经验因素的影响，也能够更加稳定调节燃烧器温度，最终实现高炉温度智能参数的控制功能。关键词：高炉；温度；在线监测；系统设计；测试中图分类号：TP3190引言高炉燃烧器属于当前冶金行业的一种重要加热设备，温度控制性能对其状态影响很大。如果温度偏低会造成煤粉和气体无法充分拌和；如果温度太高会提高煤粉的压碎值,缩短燃料寿命 1-2 。目前常规PID控制方法无法有效适应多变的环境 3。考虑到高炉环境的恶劣，人为控制参数存在很大的盲目性，无法确保温度控制满足设计标准要求 4。现阶段，已经获得广泛应用的温度测试方法已较多，主要包括感温测试、红外测试以及单点温度探测等多种形式 5-6 。相对于传统测试技术,采用分布式光纤进行温度监测时可以实现更大距离、安全运行、抗电磁、操作简易、使用寿命长的优势。到目前为止，已有许多学者对分布式光纤测温方法进行了深入研究,并形成了许多不同的技术类型7，例如，可以通过光频域反射或者光时域反射与拉曼散射相结合的方式来实现温度测试，同时也可以采用布里渊散射与光时域反射的方法进行测试(ROTDR)8,此外还有利用受激布里渊散射和光频域反射的方法进行温度测试 9 。分布式光纤测温系统(DTS)测试具有较长距离的分布式温度过程中具备运行过程稳定、结构简单、易安装以及使用寿命长的优势，有效满足了高辐射电力输送场所、高污染的使用场所的使用需求。为了提高高炉温度在线监测能力，本文分析了光时域反射定位以及光纤散射的基本原理，同时介绍了通过光纤拉曼散射效应实现的温度测试方法。1数学模型高炉温度监测用光纤传感器是经过光纤送人调制器,使调制区的光相互作用。R。和Ra分别代表反斯托克斯光和斯托克斯光的温度调制函数 1-1,可表示为：收稿日期：2 0 2 3-0 3-13作者简介：孙德全（19 9 0 一），男，辽宁丹东人，硕士，助教，主要从事机电一体化技术等方面的研究工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A式(1)-(3)中:h为普朗克常数;k为波尔兹曼常数;1为拉曼频移量；T为绝对温度。传感光纤距离激光源的反斯托克斯光。和斯托克斯光为：,=PeK,v,R,(T)exp-a L)D,=PeKaviR(T)expl-aaL.式(4)中：K。与K。分别为反斯托克斯光和斯托克斯光的散射截面影响系数；v。与va分别为反斯托克斯光和斯托克斯光的频率；a。和aa分别为反斯托克斯光和斯托克斯光的传播损耗；L表示光的传播距离。本实验所采用的光电探测器由雪崩光电二极管构成,其特点是形成的电流放大增益受到温度与反向偏置电压的共同影响。2系统总体方案设计总体方案设计的原则：利用FPGA的数据并行处理，并通过ARM微处理器控制光纤开关，配合上位机软件的控制指令和数据处理实现时分复用对高炉温度数据采集和融合。结合各器件的不同功能,把整个设计方案分成三个组成部分。电路结构则是由信号测试器与辅助电路共同构成,此外还有温度数据的采集模块等。其中，参数分析部分由FPGA数据处理模块以及上位机软件共同构成。本系统高炉温度数据采集及具体设计结构见图1。本文通过双路解调方案来构建得到建立分布式Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.016文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 30 8-0 0 40-0 2R.Ra=expkT1-exphlRakTFexpRshlexp-1KT1hlkT(1)（2）(3）（4)2023年第8 期孙德全：基于光纤测温系统的高炉温度监测控制分析41表1高炉温度常温测量值及误差sensing optical fiber1MCUopticalswitchincidentreflectionstokeslightwavelaserseparatorpistorixlight图1DTS系统总体方案图拉曼光纤温度测试系统，所使用的ADC总共包含了12位。采用的高炉温度数据采集和分析模块可以同时满足内部和外部时钟的触发需求。3温度测试结果分析先对高炉常温状态下的系统各通道分别进行温度测试，由此得到各通道的测温特性。室温通过热电偶进行连接得到测试系统，同时对高炉温度进行了校核调整。上述设备的温度测试精度可以达到0.0 1，已经可以满足实际测试要求。本实验的DTS样机含有11m长的传感光纤，测试在2 5温度下完成。从图2 中可以看到测试所得结果。对测试曲线进行分析可以发现，最高温度为42 9.6 8，最低温度为42 7.14。根据以上测试结果可知，对测试距离为10m范围的温度精度达到1。4324302./4284266000图2 10 m温度测量结果对高炉温度数据采用同样的测试方法进行采集处理，按照10 min的间隔时间开展1次测试，经过多次测试后再统计最终测试数据，见表1和表2 所示。对表1进行分析发现,经过8 次测试后得到的高炉温度值误差都在0.2 以内。根据以上数据可知该系统在常温条件下可以保持良好的稳定性。采用同样的实验条件，分别在6 m位置选择一段传感光纤。控制高炉燃烧器升温方式按照从40 开始并以间隔10的步骤逐步升高至9 0,依次对各温度进行了测试，由此完成梯度实验。从表2 中可以看到梯度实验得到的各高炉温度及误差结果。根据以上结果可知，在440 49 0 温度区间内开展梯度实验时，实际测定的每组温度数据非单位：ADT7220sensing optical fiber2APDsignal ampliferbiastemperaturecontrolcontrolAPD70008000距离/mm最大值427.65PPGADataacquisitionandprocessingsignal amplifier9000最小值429.48427.68429.37427.36429.78427.4842.9.76427.79429.66：427.21429.66427.34429.67427.62429.33427.43429.28427.52429.68表2 高炉温度梯度实验测量值及误差真实温度测量温度430430.15440439.49450449.79460460.46470470.51480480.21490489.41常接近恒温箱的水浴温度，只存在很低的测量误差。由此可见,DTS系统可以获得1的测试精度,满足设计条件。经过7 次测试得到的常温曲线没有形成相同的变化趋势，只发生了小幅变化。这主要是因为高炉温度控制需要较长时间才能完成，这使得进行多组测温的过程中会形成很大的时间跨度,因此无法形成稳定的室温；此外测试结果也跟激光器以及APD各类系统部件的运行性能存在很大的关系。100004结论1)对常温状态下的系统各通道分别进行距离为10m范围温度精度达到1，保持良好稳定性。2)该系统在高低温测试范围内具备较优的响应性能,能够满足高炉测温要求。参考文献1陈前云，秦丁益，栗晶，等.加压富氧下单煤粉颗粒燃烧的光学诊断研究 J.工程热物理学报，2 0 2 2,43(8)：2 17 9-2 18 5.2徐静颖，朱鸿玮，徐义书，等.燃煤电站锅炉氨燃烧研究进展及展望 J.华中科技大学学报（自然科学版），2 0 2 2,50（7)：55-6 5.3马仑，方庆艳，张成，等.深度空气分级下煤粉耦合氨燃烧及NO生成特性 J.洁净煤技术，2 0 2 2（3)：2 0 1-2 13.4李善涛.煤粉锅炉炉膛压力保护动作延时分析研究 J.锅炉技术,2 0 2 1,52(5):56-59.5孙磊，刁云鹏，赵树龙，等.350 MW超临界墙式切圆锅炉低负荷燃烧系统优化 J.锅炉技术,2 0 2 1,52（4)：38-42.6韩彩风.煤粉锅炉燃用高炉煤气改造关键技术实绩 J.锅炉技术,2 0 2 1,52(3):6 1-6 5.(下转第44页）均值428.57428.48428.45428.68428.59：428.45428.62428.74428.81428.46标准偏差0.19430.19490.20530.19890.1981：0.20060.19610.201 10.20360.2081单位：误差温度0.15-0.51-0.210.460.510.21-0.59山西冶金44E-mail:层内由2.6%提高至2 3.8%。2)通过加入WC颗粒来制备硬度更高的Ni-xWC-C层,并且随着WC含量提高，熔覆层硬度也随之上升。更高含量WC 颗粒,Ni-xWC-C层获得了更高硬度。1余敏,张鸿羽,曹开，等.激光熔覆在高速列车上的应用研究现状J.表面技术,2 0 2 0,49(10)：12-2 0.2杨二斌，贾刚，王伯铭，等.等离子Mo涂层用于机车车轴润滑材料研究 J.热加工工艺，2 0 18,47(2 0)：16 0-16 3.3王飞，胡清寒，杨晶，等.高速动车组转向架车轴抗石击保护涂料的性能研究 J.材料保护，2 0 18,51(2)：12 7-12 9.4耿铭章，王文权，张新戈.电火花沉积Ni/Ti（c,N)金属陶瓷复合涂层的组织及性能研究 J.表面技术，2 0 2 0，49（4)：2 2 2-2 2 9.5 杨玉明，李伟，刘平，等.碳化硅掺杂Ni-P-PTFE复合涂层的微观结构和力学性能 J.材料导报,2 0 2 0,34（4)：4153-4157.Microstructure Evolution and Hardness Analysis of Laser Cladding Ni-xWC-C Coating on(College of Transportation,Xinxiang Vocational and Technical College,Xinxiang Henan 453000,China)Abstract:In order to improve the comprehensive performance of the axle surface,Ni-xWC-C coating was obtained by adding differentcontents of WC particles in the process of laser cladding Ni-C.The optimization effect of the addition amount of WC on the performance ofNi-xWC-C coating was analyzed,and the surface hardness was determined.The results show that a smooth Ni-C coating is formed on thesurface of the axle by laser cladding.After WC particles were added,some irregular shape structures and a large number of pores wereformed on the coating surface.With increasing WC particle content,smaller pores are formed on the coating surface.WC particles wereadded to prepare Ni-xWC-C layer with higher hardness,and the hardness of cladding layer increased with the increase of WC content.When 80 g/L WC particles were added,the outer diameter of Ni grains was 29.2 nm and the hardness HV reached 551.The research ishelpful to prolong the service life of axle under variable load and has good application value.Key words:laser claddingi graphite;nickel base protective coating;microstructure;hardness(上接第 41 页)7孙苗，汤玉泉，杨爽，等.环形结构分布式温度传感器中瑞利噪声的抑制方法研究 J.光电子激光，2 0 15,2 6（11)：2 0 7 0-2 0 7 5.8关守平，尤富强，董国伟.基于FPGA的高速数据采集系统设计J.控制工程,2 0 13,2 0(5):9 7 0-9 7 5.9杨金宙，徐东明,王艳.基于FPGA的高速数据采集系统设计与实现 J.中国集成电路，2 0 17,2 6（2 1)：2 0-2 3.Analysis of BF Temperature Monitoring and Control Based on Optical Fiber Temperature(School of Mechanical and Electrical Engineering,Zhengzhou Vocational College of Tourism,ZhengzhouAbstract:In order to improve the on-line monitoring ability of blast furnace temperature,a distributed Raman fiber temperature test systemis constructed by means of dual-channel demodulation scheme.The temperature test results show that the temperature accuracy reaches+1 w h e n t h e d i s t a n c e o f e a c h c h a n n e l o f t h e s y s t e m i s 10 m r e s p e c t i v e l y u n d e r n o r m a l t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n,a n d g o o d s t a b i l i t y i smaintained.The system has better response performance in the range of high and low temperature test and can meet the requirements of blastfurnace temperature measurement.The research can effectively reduce the influence of experience factors on the temperature controller ofblast furnace burner,and also can adjust the burner temperature more stably,and finally realize the control function of the intelligentparameter of blast furnace temperature.Key words:blast furnace;temperature;online monitoring;system design;test第46 卷6 陈滋鑫，周后明，朱宇旭，等.Cr12MoV钢激光熔覆Ni-A1复合涂层的组织及性能 J.金属热处理,2 0 2 1,46（11)：2 2 6-2 31.7Cai F,Jiang C H,Wu X Y.X-ray diffraction characterizationof Laser cladding Ni-Al composite coatings prepared at differentcurrent densitiesJJ.Journal of alloys and compounds,2014(11):参考文献292-297.8Zhao Y,Jiang C,Xu Z,et al.Microstructure and corrosion behaviorof Ti nanoparticles reinforced Ni-Ti composite coatings by LasercladdingJ.Materials and design,2015,85(18):39-46.9徐欢欢,林晨,刘佳，等,超声功率对激光熔覆Ni 基WC+CeO,涂层组织与性能的影响 J.应用激光，2 0 2 1,41(3)：439-446.10杨君宝，郭秋萍，赵博远，等.CrNi3MoVA钢表面电火花沉积W-Ni-Fe-Co涂层的摩擦磨损性能 J.材料导报，2 0 17,31(12):35-38.(编辑：苗运平）Axle SurfaceHao Zhiyuan10李津容，葛广言，冯晓冰，等.在机测量线激光传感器安装位姿的全局标定 J.仪器仪表学报，2 0 2 2,43（9)：158-16 5.11叶柳康，叶文华，杨高杰，等.线激光传感器测量系统的安装姿态标定方法 J.组合机床与自动化加工技术，2 0 2 2（7)：12 2-12 6.(编辑：苗运平）Measuring SystemSun DequanHenan 451464,China)