首鋼京唐5 500 m3高爐冷卻壁水溫差無線監測系統

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、優質、長壽”為設計理念，優化集成了一系列先進的長壽技術，爐體冷卻系統采用了除鹽水密閉循環冷卻、銅冷卻壁、薄壁內襯體等技術［1-3］。高爐爐體水溫差監控是在線實時檢測高爐冷卻壁進出水溫度變化，掌握冷卻壁使用情況的重要檢測項目。基于爐體水溫差的精確測量數據計算爐壁熱負荷能力，可為高爐冶煉順行提供指導，同時可間接監控高爐內襯的侵蝕情況，防止燒穿事故發生。

高爐冷卻壁原水溫差系統采用PT1 000熱電阻的傳統測量方式，實際運行中發現如下不足：1）精度低，PT1 000熱電阻信號經過銅導線傳輸、溫度變送器變換（轉換為標準4～20 mA信號）后，進入PLC模擬量輸入模塊，系統總體累計誤差達到±3℃，遠大于±0.05℃的工藝要求；2）原系統只在1段、6段、10段、18段冷卻壁水管安裝了少量測溫點，監測區域小不能有效反映爐體各部的熱負荷；3）因高爐冷卻壁冷卻水采用高壓密閉軟水，測溫傳感器無法帶壓更換，設備維護困難。

為克服傳統冷卻壁有線測溫系統的缺點，系統采用數字測溫元件作為溫度傳感器，通過RF無線通信技術，實現冷卻壁檢測溫度全數字信號的無線發射和接收，提高水溫差監測整體的精確度。

2 水溫差無線監測系統架構及特點

2.1 系統總體架構

首鋼京唐2#高爐爐本體共有18段冷卻壁，288根水管串聯方式連接，綜合考慮項目投資及爐基爐身冷卻壁進出口溫度的監測，選取1段、2段、3段、4段、6段、10段、12段、18段，共安裝488支無線數字溫度傳感器，879個阻隔器，28臺無線接收器箱等，系統架構如圖1所示。

圖1 高爐爐體冷卻壁水溫差監測系統架構

數字傳感器內嵌RF無線發射芯片，工作頻率為433 MHz，將傳感器檢測到的溫度信號以500 kbps傳輸速率發射；接收器內部安裝RF接收電路，負責按傳感器地址接收相應的溫度信號，并以串口RS485通訊方式將數據打包發送至后臺監控主機。兼顧高爐主控室工長和爐體看水班組多點位的訪問數據服務器的用戶需求，后臺配置了1套服務器主機、4臺客戶端及監控運行軟件；同時，考慮與高爐二級系統數據交互的需要，水溫差監測系統服務器主機通過工業以太網交換機與高爐原有二級服務器相連。

2.2 硬件系統特點

京唐2#高爐冷卻壁水溫差監測系統，著重從傳感器、無線發射硬件選用、傳感器在線更換等方面進行設計。該系統具有以下幾個方面的特點：

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

2）無線發射硬件選用CC1101RF芯片，它是基于0.18μm CMOS晶體的SmartRF04技術，具有優秀的選擇性和模塊化性能，不需要外部濾波器或RF轉換，具有高靈敏度（1%數據包誤差率）、體積小、低功率消耗等主要特性，易于構建無線傳感器應用網絡，實現數據的無線傳輸功能。

3）采用專利產品“阻隔器”，在高爐爐體冷卻壁進出水管不停水的情況下可實現對測溫傳感器的帶壓更換；同時系統還預安裝了391個阻隔器，支持數字傳感器測點擴展和移植的需要，如圖2所示。

圖2 無線數字傳感器及阻隔器安裝示意圖

3 系統主要功能

高爐冷卻壁水溫差無線監控系統將冷卻水管溫度與流量檢測系統相融合，形成水溫差顯示及預警，支管熱流值顯示及預警功能。軟件采用先進的ADO(ActiveX Data Object）和ODBC數據庫訪問技術，實現溫度數據的有效存儲和管理，并開發出冷卻壁水溫差圖形總覽、溫差分段對比、同段冷卻壁溫差環比、熱流強度趨勢分析、報警查詢及數據庫導出等功能，便于多維度、多層式監視高爐爐體熱負荷變化情況。

3.1 水溫差總覽功能

以冷卻壁段數為縱軸，以水管為橫軸，分區分層式顯示18段冷卻壁溫差，通過紅、綠、黃三色標識溫差不同狀態，便于快速發現異常報警點；同時，系統數據采集刷新時間設置為1 min，通過數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值，如圖3所示。

圖3 高爐冷卻壁水溫差監測系統

3.2 環比溫差顯示功能

系統通過數據整合實現冷卻壁環比溫差顯示，針對相同冷卻壁段位上環形分布的所有水管的溫度差數據作統一比較，即“自己和同位置的其他水管進行比較”，直觀監測任意一段冷卻壁環形帶的整體溫度分布狀況，便于分析環形帶熱負荷狀態的均勻一致性，進而指導高爐爐墻粘連或結瘤等爐況的治理工作。

其比較方法為：計算同一段位冷卻壁上所有水管的溫度差的平均值，設定一預定的波動范圍值，如果溫差在該平均值波動范圍內則認為正常；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 高爐冷卻壁環比溫差

3.3 熱流強度監測功能

系統具備熱流強度檢測功能，通過傳感器采集每段冷卻壁“入水溫度”和“出水溫度”，計算冷卻壁冷卻水溫差值；同時通過ODBC數據庫訪問技術，讀取高爐管控系統中冷卻壁支管冷卻水流量信息；依據冷卻水流量、水溫差以及冷卻器面積，計算冷卻壁的熱流強度值。在運行界面系統將不同冷卻段溫差、流量、熱流值等數據匯集整理，通過柱形圖、雷達圖等形式集中顯示，如圖5所示。

圖5 高爐冷卻壁熱流強度監視情況

3.4 歷史趨勢及報警查詢功能

系統可查看1～18段冷卻壁中任意水管段的溫差、熱流、溫度歷史趨勢圖，實現對冷卻段及水管的整體分析。系統設置數值過濾功能，當溫度數值較為接近時，可以填寫“設置最小值”或“設置最大值”來過濾曲線下方或上方較大的空白區域，使曲線較為清晰。同時，系統支持數據導出功能，高爐工長可自由靈活的分時、分段統計數據變化區域，并與爐內冶煉操作相匹配，進行生產技術分析。

4 水溫差無線監測系統優勢

無線測量系統與傳統測溫方式相比有明顯的技術優勢，主要技術優勢如下：

1）數字測溫傳感器的應用提高了測量精度，克服了傳統熱電阻有線測溫方式誤差大（累計偏差±3℃）的缺陷，很好地滿足了高爐工長對冷卻壁進出口水溫差細微變化監視的需要。

2）傳感器在線更換阻隔器的應用，可實現傳感器在線帶水壓更換維護，突破了傳統停水泄壓更換的限制，降低了維護難度，提升了高爐運行穩定性。

3）無線傳感器網絡架構與傳統方法相比，不需要每個溫度傳感器外接信號導線，可大幅削減電纜導線費用，同時省去電纜路由和橋架的敷設，只需對傳感器網絡地址進行配置，即可自由組網。

4）系統具有靈活的擴展性，在預留阻隔器的水管上可自由擴展傳感器，方便后續監控需要。

5 結語

2#高爐冷卻壁水溫差無線監控系統是首鋼京唐公司重大技術改造項目。系統投入運行后穩定可靠、維護方便、監測效果良好。特別是在爐襯個別溫度升高時，通過精確的水溫差測量數據，及時鎖定了爐襯異常部位，為制定護爐方案提供了有效的數據支撐，縮短了高爐治理時間，產生了可觀的經濟效益；同時隨著爐齡增長，需要重點監控的部位逐漸增多，該系統利用預留位置通過傳感器移位，可實現測點靈活移植，對維護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［J］.鋼鐵，2011，46（2）：12-17.

［2］ 安世奇，王建國，江杰，等.高爐冷卻系統熱負荷在線監測系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2011（2）：44-47.

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