光纖測溫系統在鋁電解槽漏槽問題上的早期探測應用研究

夏海波

（貴陽鋁鎂設計研究院有限公司電氣工程分院電二組，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

電解槽作為鋁電解廠的重要支柱設備，一旦出現漏槽，就需要停工大修，造成重大損失。因此，為了能早期探測到電解槽漏槽問題，及時采取措施，避免損失進一步擴大，國內漏槽的早期探測采用人工測溫或熱電偶測溫的方式來判斷電解槽是否發生漏槽現象。采用人工測溫耗時耗力、效率低下、處置反應慢且容易出錯，高磁場環境對人的健康產生很大不利影響。熱電偶測溫方式會出現使用一段時間后失效、使用壽命短，而且需要敷設大量電纜，施工難度大、維護成本高的問題。收集電解槽的側部鋼板的實時溫度參數對鋁電解工藝參數的調整、溫度場和磁場的分析等都有重大意義。因此，需要一種更加可靠、方便的測溫方式對電解槽的側部鋼板或陰極鋼棒的溫度進行實時監測。分布式光纖測溫系統（Distributed Temperature Sensing，DTS）可以實現電解槽的溫度的實時監測和報警，本文主要對DTS 在鋁電解槽漏槽的早期探測上進行了探討。

1 光纖測溫系統

1.1 分布式光纖測溫原理

分布式光纖測溫系統由光纖測溫設備、感溫光纖光纜、測量軟件及其他附屬設備構成。系統根據光在光纖中傳輸時產生的自發拉曼（Raman）散射和光時域反射（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）原理獲取空間溫度分布信息。

光纖中注入一定寬度和能量的激光脈沖時，激光在向前傳輸，也不斷產生后向拉曼散射光波，這些散射光波的強度與光纖散射點所在的溫度有關。后向拉曼散射光波的溫度效應：一部分光能轉換熱振動時，會發出比光源波長長的光，稱為Stokes 光；一部分熱振動轉換為光能，會發出一個比光源波長短的光，稱為Anti-Stokes 光。拉曼散射光由這2 種不同波長的光組成，其波長的偏移由光纖組成元素的固定屬性決定，因此拉曼散射光的強度與溫度有關。DTS 原理如圖1 所示。

圖1 DTS 測溫原理

后向拉曼散射光波經過濾波、光電轉換、模擬放大以及模數轉換后，送入信號處理器，系統能將溫度信息實時地解調出來，并且根據光波在光纖中的傳輸速度和后向光回波的時間，對測量點處的溫度信息進行定位[6]。

1.2 分布式光纖測溫功能特點

（1）實時在線測溫。由于檢測點連續，檢測范圍大，既可測線又可測點，對各種工況的實時在線測溫及早期預警實現較為容易。

（2）安全及抗干擾能力強。光纖可作為傳感器，具有防腐蝕、防爆、防燃燒、耐強電磁場以及耐輻射的優點，本質安全。同時，抗干擾能力強，無擊穿問題。

（3）可靠性較強。現場只有敷設的光纖或光纜，無電子設備，系統可靠性較強。

（4）調整報警閾值。根據現場情況可調整過冷或過熱的報警閾值。

（5）數據可視化。測量部位的具體名稱和位置能夠在顯示器可視化顯示，同時實時連續地對測量部位進行溫度監測。

（6）智能分析。該系統對被監測的區域和點位的故障趨勢進行實時智能分析，并且能準確地確定其位置。

（7）保存數據并方便查詢。系統可以保存歷史數據，也可以隨時對其查詢，為分析事故趨勢提供可靠依據，同時可以積累寶貴經驗。

（8）信息共享。系統采用局域網絡通信接口，可以接入企業的局域網或其他的網絡系統，實現信息共享。由于電解工藝專業需要實時采集電解槽側部鋼板溫度，可以嘗試采用此測溫系統。

2 光纖測溫系統（DTS）在鋁電解槽漏槽報警中的應用分析

2.1 電解槽漏槽方式和原因

2.1.1 底部漏槽（漏槽部位為陰極鋼棒）

陰極炭塊或人造伸腿發生破損，導致陰極炭塊或人造伸腿與鋼棒之間形成通道，鋁液與鋼棒發生電化學反應，導致鋼棒不斷熔化，如果鋼棒熔化到窗口則會形成漏槽。發生底部漏槽的最根本現象是陰極鋼棒的溫度顯著升高，甚至能超過500 ℃，因此判斷是否會發生底部漏槽的主要因素就是陰極鋼棒的溫度是否顯著升高[1-3]。

2.1.2 側部漏槽

電解槽側部未形成爐幫，側部炭塊與電解質直接接觸不斷被侵蝕，側部炭塊被侵蝕完后，電解質與側部鋼板直接接觸就形成側部漏槽。側部漏槽的前期，經常出現原鋁中硅含量升高，最根本的現象是破損部位的側部鋼板溫度異常升高。因為發生漏槽時，鋁液或電解質會直接接觸側部鋼板，破損部位對應的側部鋼板溫度會顯著升高，溫度往往要達到500 ℃甚至更高，所以判斷是否會發生側部漏槽的主要因素就是側部鋼板的溫度是否顯著升高[4,5]。

2.2 光纖測溫系統用于電解槽測溫的試驗實例及分析

重慶某電鋁有限公司電解二車間的1097 號電解槽包含96 個陰極電極，本次試驗旨在通過DT 對陰極的實時溫度進行監測。測溫對象溫度高、現場存在強磁場環境，因此對測量系統提出了較高的要求[6]。

DTS 作為先進的分布式光纖測溫裝置，以光纖作為傳感和傳輸的媒介，相對于傳統的電子傳感器，它具有很大的優勢，如高抗電磁干擾性、耐高壓高溫、耐腐蝕、無源以及本質安全等，特別適合應用于該試驗現場。

本次試驗共完成了1097 號電解槽全部96 個點的溫度實時監測。經過1 個月的實時監測，試驗已經在功能性、完整性、可靠性等方面達到了預期效果，基本滿足了對陰極溫度實時監測的要求。

2.2.1 系統運行狀況

截至2016 年12 月6 日，系統已連續穩定運行32 天，期間數據上傳正常，測溫點裝置穩定可靠，所有96 個測溫點溫度連續上傳，實現了對1097 號電解槽24 h 不間斷在線監測。

2.2.2 軟件運行狀況及改進后效果

（1）溫度數據實時展示。系統將每個陰極點對應的溫度數據以文字和柱形圖2 種方式展現出來，用戶可方便直觀地觀測每個陰極點的環境情況。

圖2 B1 點人工數據與DTS 測溫數據對比圖

（2）單點數據懸浮窗展示。鼠標移入想觀察的陰極點指示燈，便會有對應的曲線懸浮窗彈出。鼠標移出，懸浮窗消失。因此，用戶可隨時了解每個陰極點的變化趨勢。

（3）報警功能。系統通過高溫和溫差2 種方式判斷陰極點的工作情況，當有危害發生時系統能夠第一時間監測到并發出告警信息。系統支持界面指示燈和語音2 種報警方式。溫度正常時指示燈為綠色；溫度過高或升溫速度快達到二級報警條件時指示燈變為黃色，并語音播報二級報警點位置；達到一級報警條件時指示燈變為紅色，并語音播報一級報警點位置。

（4）單點歷史回放。點擊主界面單點歷史回放按鈕，系統彈出DTS 單點數據歷史回放界面，但不影響主界面正常運行報警判斷等。用戶選擇好要查看的開始日期、結束日期和陰極點后，點擊查詢按鈕，即可在右側圖標區觀看相應的數據曲線。

2.2.3 歷史數據統計及分析

由重慶某電鋁有限公司負責每天手工記錄6 次1097 電解槽的陰極溫度，記錄方法為紅外點溫槍，與DTS 測溫數據進行對比。B1 點人工數據與DTS 測溫數據對比圖、B2點人工數據與DTS測溫數據對比圖、B9點人工數據與DTS測溫數據對比圖結果如圖2、圖3、圖4 所示。

圖3 B2 點人工數據與DTS 測溫數據對比圖

圖4 B9 點人工數據與DTS 測溫數據對比圖

從圖2 數據結果對比可以看出，手工記錄數據在第39 點前后出現了劇烈波動，波動幅度超過50 ℃，而這種波動明顯不符合事實規律，存在較大概率的記錄誤差。對比圖3 和圖4 數據結果可以看出，手工記錄溫度和DTS 測溫的溫度變化趨勢基本保持一致性，但是DTS 測溫變化更加平緩和穩定。由此表明，DTS實時監測電解槽陰極鋼棒溫度變化達到了預期效果，基本滿足了對陰極溫度在線實時監測的要求，該方案可行。

3 建 議

在試驗過程中，由于電解槽已施工完畢，現場安裝測溫光纜難度增大，且容易脫落，建議在施工圖設計期間與工藝專業配合，為測溫光纜預留安裝空間。本次試驗只是探測了電解槽陰極鋼棒溫度來提前預警電解槽是否漏槽，實用功能比較單一，沒有明顯的經濟效益，而且投資成本較大。通過咨詢了解，測溫試驗后重慶某電鋁有限公司未采用該測溫方式，主要原因是投資成本較大、沒有明顯的經濟效益。通過和工藝專業溝通交流，收集電解槽側部鋼板的實時溫度參數不僅可以探測電解槽是否發生側部漏槽，而且對電解工藝參數的調整、溫度場和磁場的分析等都有重大意義。因此，建議儀表專業與工藝專業和設備廠家配合，在施工安裝、測點部位和降低成本等方面共同尋求更加合理的探測方案。

4 結 論

通過對電解槽陰極鋼棒溫度的監測試驗，并完成了人工記錄數據和DTS 測溫數據的對比分析，對比結果顯示2 種測溫方式在測溫大趨勢上保持了很高的一致性，不同的是人工測溫數據出現了劇烈波動，DTS 測溫變化更加平緩和穩定，這也是儀器設備相對人工測量的優勢所在。經過1 個月的實時監測，DTS測溫達到了預期效果，基本滿足了對陰極溫度在線實時監測的要求，由DTS 測溫系統實時監測電解槽陰極鋼棒溫度變化來提前預警電解槽是否漏槽的方案具有一定的應用價值。