修正型高精度温度计在高炉热负荷监测中的应用

　　摘　要：针对高炉炉体热负荷模型精细化检测时对温度计精度的高要求，在宝钢湛江高炉设计中采用了一种新型的短流程、数字化温度计，较大地减少了项目实施时的工作量，并有效地保证了热负荷计算所需数据源的精度要求，完全满足现场生产的要求。引言

　　高炉炉体热负荷监测应用中，需要精细化监测冷却壁的进出口支管温度差，而该温度差值信号小，加之高炉周边环境差，目前普遍采用的常规测温技术及构成在测温系统精度、一致性及稳定性方面都不尽如人意[1]。在湛江高炉设计时，采用了新型温度检测仪表修正型高精度温度计[2]。投产两年多来，采用该温度计构建的高精度温度监测系统运行良好，为热负荷计算提供了稳定可靠的数据来源。

　　1典型热电阻测温系统的误差构成

　　典型热电阻测温系统的误差产生主要有：测温材质特性、环境干扰、传输过程中的接头接触不良等、传输电缆材质不均、电阻信号转变为温度值的转换误差、A/D转换采样误差等[3-4]。

　　2修正型高精度温度计特点及优势

　　修正型高精度温度计，主要从硬误差软修正、解析传输数字化两方面着手，借助缩短信息流传递路径、减少信号转换步骤，从而降低A/D转换、采样、传递等造成的综合误差，并增强了设备的易接入性。

　　2.1硬误差软修正获得真值

　　修正型高精度温度计采用好创修正技术，首先，通过均衡温场标定，在非标准化温度计的整个量程范围内，选择多点作为测试点进行测试，对比ITS-90国际温标的标准温度计的输出真值，计算出非标准化温度计的测量结果与国际温标真实值之间的测量误差，再采用非常小二乘法原理拟合出非标准化温度计硬误差曲线；然后，在实测应用状态下，根据拟合出的非标准化温度计硬误差曲线以及热电阻实际测量值，以电阻测量误差趋于零为目标，采用自学习的方法，获得软修正算法嵌入曲线的特征系数，如图1所示。温度计设计制造时，将此特征系数作为该温度计的补偿系数，存储于温度计的数据处理器中。因此，对于每一支温度计，都获得一个量身定制的修正曲线，以确保该温度计输出的数据是非常接近于真实值的。实现非标准化温度计经修正后，其温度输出值都贴近于国际温标温度真值的效果如图2所示。

　　2.2短流程数字化减小过程误差

　　修正型高精度温度计在非标准化温度计接线盒中增设一体化数字转换与修正器，包括温度信号检测模块、数字转换模块和补偿算法模块，将温度信号检测模块得到的电阻测量值通过设备内部的引出线送数字转换模块实现A/D转换后，以数字信号方式直接传输到补偿算法模块，非常终输出贴近国际温标温度真值的数字化温度信号。该结构形式能够有效避免传统热电阻温度计测量转换回路中现场接线端子接触不良、热电阻信号传输线缆材质不均、传输过程环境影响、温度变换器与DCS(或PLC)的A/D转换多次重复采样等造成的综合误差[5-6]。

　　2.3多种协议易于接入

　　修正型高精度温度计在非标准化温度计接线盒中植入有C-MBus总线通信模块，结合通用的GW网关控制器使用，能够轻松实现修正型高精度温度计与ControlNet、DeviceNet、CC-Link、ProfibusDP、ModbusTCP、工业以太网等一系列主流工业网络协议产品之间的通信，方便接入工业控制系统[2]。

　　3修正型高精度温度计的应用

　　湛江高炉炉体冷却壁冷却水系统采用纯水密闭循环系统，纵向分为3段，周向分为8区[7-9]。其中H1～H7、B1、B2环为第1段，共计300串水头；B3、S1～S4环为第2段，共计300串水头；炉身上部S5、S6、R1～R3、LH环为第3段，共计252串水头。H1~H7环为横型冷却壁，每5块或6块冷却壁水平串联，其余各环冷却壁为竖型冷却壁，从下往上依次串联。根据工艺设计计算，各环冷却壁设计热负荷与冷却水流量及温升如表1所示。

　　为了模型的精细化，理论上要求能够检测每块冷却壁进出口支管温度，通过测得的出口支管温度与进口支管温度温度相减，得到每块冷却壁的温升。结合表1温升数据可以看出，要求温度测量仪表的误差必须足够小，否则就对热负荷计算带来困难，甚至可能出现进水温度高于出水温度这种不符合逻辑的坏值。因此，高精度温度检测仪表在炉体热负荷监测中是必要的。

　　3.1热负荷计算模型及监测点设置根据高炉操作要求，控制系统需接收仪表送来的单元冷却水的温度和流量，计算各单元的实际热负荷，并将此热负荷值与设定值比较，当超出管理界限时，发出报警。

　　热负荷计算模型公式[10]如下：

　　上述式中：为冷却单元i的热负荷；为冷却水给排水温度差，、分别为冷却水排水和给水温度；为冷却水给排水流量；C为水的热容；为冷却单元单位面积上热负荷；为单元冷却面积。

　　从模型中可以看出，为了计算热负荷，除了需要检测温度差之外，还需测量流经各冷却壁的冷却水流量。在湛江高炉工程中，冷却壁各段之间设置分区供排水集管，在分区供排水集管之间的联通管上设置了流量计，测量该区冷却水总量，通过调节供排水支管上的阀门将该区域各支管水量分配平衡。通常在横型冷却壁H1～H7环的每3块串联的冷却壁进出口支管设置温度计，在重点关注的铁口区域附近的每块冷却壁进出口支管设置温度计，在竖型冷却壁B1～LH环的每环周向的每第3块或第4块冷却壁进出口支管上设置温度计。通过这些监测点的设置，每环冷却壁8区每区的流量与温度都得到了合理有效的检测值，为热负荷计算提供了可靠数据。

　　3.2系统构成及配置

　　为保证系统精度、易于系统构成及便于施工，湛江高炉炉体热负荷的温度检测采用修正型高精度温度计与GW网关的方式，其系统整体构成如图3所示。

　　根据监测点设置要求，湛江高炉炉体热负荷监测系统温度仪表配置如下：393支高精度温度计、20个密集接线箱和16个GW网关（15用1备），网关集中盘装，设置于出铁场电气室中。总线采用耐热双绞电缆。在温度计安装设计时，为了便于后期维护与更换的便利性，采用了支持在线插拔的安装接口附件[11]。

　　3.3应用效果

　　修正型高精度温度检测系统硬件搭建好后，在操作员站上的原有Rockwell的FTView控制画面中，设计了一幅高精度温度检测系统的MODBUSTCPIP网关监测画面，在该画面上，可以一目了然地查看所有网关及所有修正型高精度温度计的状态与当前值，如图4所示在该批次修正型高精度温度计出厂鉴定时，随机抽取了其中的10支，在恒温油槽中进行检验，得到的误差值与热电阻AA级精度允差值[12]对照表如表2所示。从表2中可以看出，修正型高精度温度计在炉体水温测量量程范围内，抽样试验的误差均值都在0.05℃范围内，优于国家标准对铂热电阻的AA级的允差值的要求，能够满足高炉热负荷监测对测温装置的精度要求。在投产至今的2年半以来，运行稳定，年故障率约在2%左右，低于常规热电阻通常的5%的故障率。

　　4结束语

　　采用修正型高精度温度计进行监测炉体热负荷的这套系统随湛江1号高炉于2015年9月投产，运行至今，实际应用效果反应良好，较好地解决了炉体热负荷监测对温度计的高精度要求，满足了生产监测控制的需要，总线型接线方式也为当初建设减少了施工量、争取了施工时间。但目前修正型高精度温度计的接线采用各传感器在密集接线箱中并联接在总线干线上的方式，这虽在一定程度上降低了总线故障的影响面，但同时也损失了总线节省电缆、大大减少工作量的优势。因此，在以后的改进中，修正型高精度温度计集成设计一种能满足现场工况的高防护等级的三通快速总线接口很有必要。另外，目前每个网关能够连接的温度计支数不得超过31支，有待进一步提高网关的驱动带载能力。