分布式立體溫度監測系統在濕法電解工藝的應用

牛 高，徐 躍，蔡 兵

(1.中國冶金科工股份有限公司， 北京 100028； 2.一日智能技術(南京)有限公司， 江蘇 南京 210033；3.云南錫業股份有限公司 銅業分公司， 云南 個舊 641600)

0 概述

電解槽是濕法電解工藝中的主體設備，包括槽內電解配液、安放于電解槽內的陰陽極電極板，以及其他衍生物等在內，它們在生產過程中的穩定性直接影響到生產效率和產品最終質量。

濕法電解生產的傳統工藝中，通常是通過定期測量電解配液和陰陽極電極板裸露部分溫度來判斷整個槽體的熱平衡情況，以此來判斷生產情況是否正常。而傳統的監測方式(熱電偶、測溫探頭)，對于非規則電解槽槽體內部溫度的測量難以做到實時、全面、有效。且傳統的監測方式(熱電偶、測溫探頭)本身含有大量的金屬材質，極易被配液(電解液)腐蝕，同時在濕法電解工藝中大電流、強磁場等極端惡劣環境中也會存在嚴重的安全隱患。

工藝過程中，配液中的雜質會溶解或不溶解，直接脫落于電解液中，隨著雜質的析出，產出陽極泥而懸浮或半懸浮于電解液中，由于離子置換反應，陽極泥會附著在陰極表面，長出“粒子”，受電解槽面人工作業的擾動和電解作業時間的推移，隨著陰極表面“粒子”的進一步生長，在足夠時間以后，會直接搭觸到陽極表面，從而形成短路，將導致極板發熱或燒蝕，增加電能消耗，也會導致陰極板上已長成的陰極產品返溶到電解液中，從而降低產品產量，污染電解液，降低電解液的重復利用率。

圖1 電解槽槽面電解配液液面流動分析

特別是電解槽內陰陽極電極板在生產過程中，因為電解槽槽體的材料與結構等因素，不能有效的對電解槽槽體內實現立體的溫度監測和狀態判斷，來精準的掌握生產運行情況。另外，在生產過程中電極板裝卸也會時常與電解槽槽體邊緣發生摩擦碰撞，難免對電解槽槽體造成機械損傷，致使電解槽破損，縮短使用壽命。而現有的微波探傷測量等手段，更不能在短時間內發現破損狀況，以提醒操作人員盡快維護。同時，行業中目前也缺乏對電解工藝中生產運行以及故障隱患的極早發現和及時排除的有效手段，最后會導致生產效能的低下、能耗的損失，產能的減少。

針對以上情況，分布式立體溫度監測系統在濕法電解工藝中的應用，結合電解槽面溫升態勢智能監控系統，可以全面實現和確保對濕法電解工藝生產過程中各項重要溫度指標溫升態勢實時、精準、立體、完整、智能、高效的實時在線監測。

1 方案設計

1.1 系統架構

分布式立體溫度監測系統作為全新的快速溫度探測體系，系統主要測溫元件由石英等絕緣材料構成，電氣絕緣，不受任何電磁干擾，也不發射電磁波，特別適合各種復雜環境、強電環境，長期穩定性好，使用壽命長；核心信號探測處理器采用國際領先的數字化解調技術，具有實時在線信號大并發采集處理和自檢功能；系統能綜合各種監控參數進行自主分析，能快速發現隱患，迅速響應控制。

從感溫信號探測處理器到系統控制中心，感溫測量和信號傳輸均為光信號，完全無電化檢測，系統本身絕緣安全并防爆；系統控制中心可實時顯示各探測區域的位置、探測點溫度信息，管理人員通過管理界面能直觀的了解設備的運行情況。

分布式立體溫度監測系統采用一套主控測溫系統，通過環繞在電解槽的專用感溫光纜進行溫度實時在線監測。測溫主控系統采集到溫度數據，結合槽面智能溫升態勢監控系統進行數據智能分析處理，并通過展示端界面匯總展示。當監測到電解槽溫度異常時，根據預設溫度報警閥值智能分析判斷立即進行報警，并對故障點進行精確定位，避免故障隱患的進一步擴張。

圖2 系統架構圖

1.2 分布式立體溫度監測系統在電解槽內的應用

系統采用了當今先進的光通訊技術、微處理器技術、數字化溫度傳感技術和獨創設計的低溫、強電場、強腐蝕、潮濕環境運行技術。它能分別針對不同環境下的溫度進行監測，能及早發現事故隱患，將損失減至最低。同時還能提供大量在線溫度監測數據，為生產管理人員全面了解電解槽運行情況提供可靠依據。

1.3 測溫主控系統

測溫主控系統是分布式立體溫度監測系統的核心，實現整個系統的信號采集、信號處理、數據轉換、數據分析、超溫預警、超溫告警、超溫報警、網絡傳輸等主要功能。

1.4 測溫原理

光纖測溫的機理是依據后向拉曼(Raman)散射效應。激光脈沖與光纖分子相互作用,因為光纖分子的熱振動，會產生一個斯托克斯(Stokes)光(比光源波長長的光)，和一個反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波長短的光)。光纖受外部溫度的調制使得光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強變化，Anti-Stokes與Stokes的比值決定了溫度的絕對指示，這一原理的利用就實現了對沿光纖溫度場的分布式測量，即拉曼(Raman)散射效應的應用。

結合專門訂制的脈沖光源和信號的高速采集與處理技術，就能準確得到光纖沿線所有點的溫度值。基于拉曼(Raman)散射效應的原理應用，分布式光纖測溫技術特別適合于濕法電解工藝中大面積、大區域、長周期的電解槽體內溫度的精確監測，它可以得到沿著被測電解槽內敷設的專用光纖每個點的溫度信號，得到了以往工藝條件中所不具備技術條件獲取到的準確溫度數據。

表1 系統主機性能指標

圖3 光纖溫度監測原理

2 系統優勢及特點

系統傳感器采用最新的傳感技術，是全無源絕緣光纖器件，與傳統傳感器相比，具有如下的優點和特點。它本質絕緣防爆、無電傳感、化學性質穩定、傳輸距離遠、可用于對外界的絕對測量。這種分布式電解槽立體溫度監測系統技術含量高、經濟效益好，可以精確地發現和定位電解槽內的異常溫度狀況，有效的保證電解工藝長期穩定的運行，使電解生產處于長期最佳運行狀況。

2.1 無源測量技術，節約人力，抗電磁輻射，本質安全

在傳統的電解生產工藝控制中，生產過程電解槽內所用電解配液的溫度測量多采用雙人制手工測量和巡視的方法，區域覆蓋廣，測量范圍大，勞動強度高。分布式立體溫度監測系統將測量技術在電解工藝的使用進行了創新，采用現場無源和無電的測量技術，節約了人力，提升了效益。感溫元件為測溫光纖，內部傳輸的光信號的平均功率為微瓦級。測溫光纖由石英等絕緣材料構成，電氣絕緣，不受任何電磁干擾，也不發射電磁波，特別適合各種復雜環境、強電環境。

2.2 快速響應，反應速度快，完全分布式

系統能在幾秒內檢測整條光纖沿線完整的分布溫度，無遺漏。響應速度快，單通道掃描時間小于10 s。系統信號和溫度數據采集速度快，觸發機制快，能徹底消除因預警周期過長而引起的故障隱患。

2.3 可實現單點溫度測量、定位和逐點報警

結合電解槽面溫升態勢智能監控系統，發現隱患、預判告警時，不僅能清楚的檢測到每個探測器的溫度輸出信號和溫度數據，也能精確的定位到前端探測光纖的準確位置上，定位精度高，便于故障處置和槽內維護的準確執行。

2.4 測量精度極高，環境實用性強，系統易于安裝

系統結構緊湊，安裝簡單，維護方便，能耗極低。傳統的分布式光纖感溫測量應用一般精度可做到3～5 ℃。結合電解槽面溫升態勢智能監控系統，可將精度提高到±1 ℃，使系統的使用更加可靠，并可應用于測量中。

2.5 功能強大的海量數據分析和數據庫管理系統

與電解槽面溫升態勢智能監控系統相結合，強大的海量數據分析能力和數據庫管理系統能實時顯示所有電解槽槽面分區區域內的實時溫度和變化曲線，以及歷史數據、溫度變化平均曲線；實時顯示準確的報警位置和告警狀態值，能查詢報警位置的最高告警溫度點歷史記錄；可以根據現場使用情況設定分級的預警值、告警值、報警值；進行各類數據查詢：測量點的溫度查詢、報警紀錄的查詢、按分區區域的查詢、歷史數據綜合查詢等多種功能。

3 系統功能

3.1 系統結構

系統采用展示端、服務器、數據庫三層結構，與電解槽面溫升態勢智能監控系統統一數據處理，實現電解工藝現場監控控制實時可視化。系統的開發是有針對性的，操作界面可根據用戶需求個性化設計，具有直觀、簡單、方便的特點，可以完全滿足用戶特定開發要求。

3.2 軟件功能

實時顯示各電解槽的監測溫度值，按照間隔固定時間記錄溫度信息，可隨時檢索查閱；

(1)可設定多種預警、告警和報警參數；

(2)可查詢多個測量點的歷史溫度記錄；

(3)系統設計有預留模塊，以便于以后擴充使用；

(4)可根據溫度的升高速率進行報警，并可設定報警速率值；

(5)位置查詢：可根據探測點在監測區的分布位置準確定位；

(6)報警記錄查詢：可記錄和查詢系統內所有的預警、告警和報警記錄，并下載和導出；

(7)溫度變化曲線查詢：可查詢各電解槽、探測點的歷史變化曲線，并下載和導出；

(8)歷史數據查詢：可記錄和查詢系統內1年以上的歷史數據，并下載和導出；

(9)系統管理功能：系統支持對進行用戶管理、數據管理、權限管理等多種管理功能，操作日志支持下載和導出。

3.3 軟件實例界面樣例

界面圖如圖4、圖5所示。

4 感溫光纖的敷設方案

本應用在充分考慮不影響電解槽自身工作穩定的同時，確保測溫效果和可靠性，根據現場實際情況設計光纖敷設監測方式，在電解槽側壁內部預埋環繞三圈感溫光纖。

以4 370 mm×1 200 mm×1 740 mm(長×寬×高)電解槽為例，側壁厚度為60 mm。在電解槽壁內預埋一根Φ20 mm的線管，線管環繞電解槽三圈，測溫光纖穿入線管內，實現對電解槽的溫度監測。單個電解槽內預埋線管約35 m，測溫光纖約40 m(包含槽體外預留部分)。由于電解槽采用保溫隔熱材料制成，這種安裝方式可以在不影響正常生產的情況下，使電解槽壁對測溫精度影響降低到最小。這種安裝方式不受電解槽澆筑生產和運輸過程的影響，而且方便測溫系統運行后期對損耗光纖隨時進行更換，確保測溫系統正常使用。

圖4 系統界面圖

圖5 系統后臺管理界面圖

圖6 電解槽側壁測溫光纖(光纜)安裝示意圖

5 結論

系統針對濕法電解生產環境中大電流、強磁干擾、高腐蝕、電解槽體絕對絕緣等特點，采用防腐蝕、耐高溫、無金屬絕緣材料制成的感溫光纖環繞在電解槽側壁，能夠立體地實時在線監測電解槽體和槽內電解液、電極板的溫度，根據溫度變化，分析電解槽的熱平衡狀態。并結合電解槽槽面溫升態勢監控系統，可以精確地發現和定位電解槽的異常狀況，有效的保證電解工藝的長期穩定運行，使電解工藝長期處于最佳運行狀況，能有效減少故障，降低能耗損失，提升生產效能，以此持續創造巨大的經濟價值。