一種基于分布式光纖的高爐熱風(fēng)爐溫度監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高爐熱風(fēng)爐溫度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于分布式光纖傳感技術(shù)和 熱風(fēng)爐溫度檢測技術(shù)，主要完成高爐熱風(fēng)爐爐體溫度信號(hào)測量與傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國節(jié)能減排政策的推進(jìn)及落后產(chǎn)能淘汰進(jìn)程的加快，高爐大型化及其冶煉 強(qiáng)度的提高是現(xiàn)代化高爐發(fā)展的主要趨勢，熱風(fēng)爐為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不 可缺少的重要組成部分。按熱風(fēng)爐內(nèi)部的蓄熱體分球式熱風(fēng)爐和采用格子磚的熱風(fēng)爐，按 燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種。提高熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度是高爐強(qiáng)化冶煉的 關(guān)鍵技術(shù)，而熱風(fēng)爐爐體狀態(tài)的好壞直接影響著熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)爐的加熱及送風(fēng)制度，進(jìn) 而會(huì)制約高爐的運(yùn)行、焦比指標(biāo)和生鐵產(chǎn)量等。
[0003] 馬鋼三鐵總廠A爐自2005年投產(chǎn)以來，熱風(fēng)爐外殼及管道系統(tǒng)從未更換。長期高 溫運(yùn)行，使?fàn)t殼填料損壞，易發(fā)生竄火，爐殼燒紅、漏風(fēng)，甚至出現(xiàn)爐殼燒穿的情況。這不僅 會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)，而且會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
[0004] 目前，普遍采用紅外熱成像法對(duì)熱風(fēng)爐爐體熱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，紅外熱成像法存在 以下無法克服的缺陷：
[0005] (1)測量結(jié)果容易受空氣能見度、被測目標(biāo)與物鏡的距離、電磁干擾等因素影響： 采用紅外熱成像法對(duì)熱風(fēng)爐爐體熱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，從其輸出電壓與被測溫度場的函數(shù)關(guān)系 可看出，含有距離d，目標(biāo)發(fā)射率B等影響因素。高爐熱風(fēng)爐處在高爐爐體附近，空氣粉塵濃 度高且粉塵濃度隨天氣的變化而變化，物鏡易遭粉塵遮蓋而無法準(zhǔn)確測量。因而采用紅外 熱成像法對(duì)熱風(fēng)爐爐體熱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果不準(zhǔn)確，極有可能造成誤診斷。
[0006] (2)測量成本高：一般一座高爐配3~4座熱風(fēng)爐且高爐熱風(fēng)爐的體積龐大（大 于1000立方米），所以需選用高分辨率的紅外熱像儀，此類紅外熱成像儀機(jī)芯價(jià)格昂貴，僅 一片640 X 480的FILR紅外非制冷焦平面機(jī)芯T610的市場價(jià)就高達(dá)3萬美元，再加上配套 的分布式光纖傳感器、嵌入式設(shè)備以及上位機(jī)等，所有的成本加起來近30萬元，如此高昂 的成本，很不利于紅外熱成像測溫技術(shù)的推廣。
[0007] (3)無法在線測量：高爐熱風(fēng)爐處在高爐爐體附近，處在強(qiáng)磁場、腐蝕性氣體、粉 塵濃度大的環(huán)境中，并且長期日曬雨淋。在如此惡劣的環(huán)境中，紅外熱成像系統(tǒng)無法長期 穩(wěn)定工作，濟(jì)南鋼鐵廠煉鐵分廠3#高爐10號(hào)熱風(fēng)爐、8號(hào)熱風(fēng)爐在1985年3月份安裝了 AGA680熱像儀，僅10天，熱像儀的目鏡就覆蓋了很厚的粉塵，導(dǎo)致系統(tǒng)可視區(qū)域一片漆黑。 因而采用紅外熱成像法對(duì)熱風(fēng)爐爐體熱狀態(tài)只能進(jìn)行一次性監(jiān)測，無法長期在線監(jiān)測。
[0008] 光纖溫度傳感與測量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一。由于光纖具有體 積小、重量輕、可撓、電絕緣性好、柔性彎曲、耐腐蝕、測量范圍大、靈敏度高等特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng) 的傳感器特別是溫度傳感器能起到擴(kuò)展提高的作用，完成前者很難完成甚至不能完成的任 務(wù)。除了以上特點(diǎn)外，與傳統(tǒng)的溫度測量儀器相比，光纖傳感技術(shù)用于溫度測量還具有響應(yīng) 快、頻帶寬、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點(diǎn)。因此，光纖溫度傳感技術(shù)受到各國科技人員的 高度重視并進(jìn)行了深入研宄，廣泛用于冶金、化工、電力、建材等領(lǐng)域，解決電磁干擾大、環(huán) 境惡劣場合的溫度測量與控制問題。
[0009] 經(jīng)檢索，利用光纖測量高爐熱風(fēng)爐爐殼溫度的方案已有公開，如中國專利號(hào) ZL201420450077. 4,授權(quán)公告日為2014年12月31日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：一種應(yīng)用于高爐 熱風(fēng)爐的光纖測溫裝置；該申請案包括光纜，具有雙向耦合器；測溫處理器，包括波分復(fù)用 器、激光器、探測器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器、第一處理芯片、數(shù)字量輸出電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換 器，其中，所述波分復(fù)用器的第一端分別連接所述光纜的兩端，第二端電性連接所述激光 器，以及第三端電性連接所述探測器的輸入端，所述探測器的輸出端與所述信號(hào)放大器的 輸入端電性連接，所述信號(hào)放大器的輸出端與所述數(shù)據(jù)采集器的輸入端電性連接，所述數(shù) 據(jù)采集器的輸出端電性連接所述第一處理芯片，所述第一處理芯片分別電性連接所述數(shù)模 轉(zhuǎn)換器和所述數(shù)字量輸出電路。該申請案能夠連續(xù)測量高爐熱風(fēng)爐殼體溫度，但該申請案 存在：1)光纖遠(yuǎn)距離測溫區(qū)失真嚴(yán)重，測量穩(wěn)定性差；2)光纖互換性差；3)外界環(huán)境溫度、 空氣對(duì)流、熱風(fēng)爐面積及熱風(fēng)爐壁導(dǎo)熱系數(shù)易對(duì)測量結(jié)果造成影響等問題，仍需進(jìn)一步改 進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0011] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐熱風(fēng)爐運(yùn)行狀態(tài)的有效、全面、在線監(jiān)測，提供了一種基于分 布式光纖的高爐熱風(fēng)爐溫度監(jiān)測系統(tǒng)及方法；本發(fā)明通過環(huán)繞在熱風(fēng)爐爐殼表面的分布式 光纖對(duì)高爐熱風(fēng)爐表面溫度進(jìn)行多點(diǎn)測量，由于光纖與熱風(fēng)爐殼體直接緊密接觸，其溫度 測量結(jié)果能夠反映真實(shí)的熱風(fēng)爐爐體溫度，便于對(duì)爐殼損壞情況進(jìn)行科學(xué)的早期預(yù)報(bào)，有 助于提高高爐熱風(fēng)爐使用壽命、降低焦比、提高高爐生產(chǎn)率、提高風(fēng)溫、預(yù)防高爐熱風(fēng)爐燒 穿等情況的發(fā)生。
[0012] 2?技術(shù)方案
[0013] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0014] 本發(fā)明的一種基于分布式光纖的高爐熱風(fēng)爐溫度監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機(jī)、ARM處理 器、顯不及報(bào)警模塊、分布式光纖傳感器和分布式光纖，所述的分布式光纖橫向纏繞于熱風(fēng) 爐爐頂部位，該分布式光纖的始端和末端均與分布式光纖傳感器相連，所述的分布式光纖 傳感器通過并行數(shù)據(jù)線與ARM處理器相連，分布式光纖傳感器接收分布式光纖產(chǎn)生的背向 散射信號(hào)，進(jìn)行解調(diào)提取分布式光纖上各測量點(diǎn)的溫度值發(fā)送至ARM處理器；所述的ARM處 理器通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連，該ARM處理器還與顯示及報(bào)警模塊電連接。
[0015] 更進(jìn)一步地，所述的分布式光纖傳感器包括激光發(fā)射源、光脈沖調(diào)制器、光脈沖同 步驅(qū)動(dòng)電路、光纖耦合器、光路選擇開關(guān)、分光器、2個(gè)光濾波器、2個(gè)光電轉(zhuǎn)換和放大器、高 速數(shù)據(jù)采集卡和DSP單元；所述的DSP單元經(jīng)光脈沖同步驅(qū)動(dòng)電路控制光脈沖調(diào)制器，光脈 沖調(diào)制器調(diào)制激光發(fā)射源發(fā)出的激光并輸送給光纖耦合器；所述的光纖耦合器與光路選擇