分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)在濕法電解工藝的應(yīng)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(shù)(南京)有限公司， 江蘇 南京 210033；3.云南錫業(yè)股份有限公司 銅業(yè)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(shè)備，包括槽內(nèi)電解配液、安放于電解槽內(nèi)的陰陽極電極板，以及其他衍生物等在內(nèi)，它們在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品最終質(zhì)量。

濕法電解生產(chǎn)的傳統(tǒng)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(chǎn)情況是否正常。而傳統(tǒng)的監(jiān)測方式(熱電偶、測溫探頭)，對于非規(guī)則電解槽槽體內(nèi)部溫度的測量難以做到實時、全面、有效。且傳統(tǒng)的監(jiān)測方式(熱電偶、測溫探頭)本身含有大量的金屬材質(zhì)，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(huán)境中也會存在嚴(yán)重的安全隱患。

工藝過程中，配液中的雜質(zhì)會溶解或不溶解，直接脫落于電解液中，隨著雜質(zhì)的析出，產(chǎn)出陽極泥而懸浮或半懸浮于電解液中，由于離子置換反應(yīng)，陽極泥會附著在陰極表面，長出“粒子”，受電解槽面人工作業(yè)的擾動和電解作業(yè)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(dǎo)致極板發(fā)熱或燒蝕，增加電能消耗，也會導(dǎo)致陰極板上已長成的陰極產(chǎn)品返溶到電解液中，從而降低產(chǎn)品產(chǎn)量，污染電解液，降低電解液的重復(fù)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(nèi)陰陽極電極板在生產(chǎn)過程中，因為電解槽槽體的材料與結(jié)構(gòu)等因素，不能有效的對電解槽槽體內(nèi)實現(xiàn)立體的溫度監(jiān)測和狀態(tài)判斷，來精準(zhǔn)的掌握生產(chǎn)運行情況。另外，在生產(chǎn)過程中電極板裝卸也會時常與電解槽槽體邊緣發(fā)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(xiàn)有的微波探傷測量等手段，更不能在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)破損狀況，以提醒操作人員盡快維護。同時，行業(yè)中目前也缺乏對電解工藝中生產(chǎn)運行以及故障隱患的極早發(fā)現(xiàn)和及時排除的有效手段，最后會導(dǎo)致生產(chǎn)效能的低下、能耗的損失，產(chǎn)能的減少。

針對以上情況，分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)在濕法電解工藝中的應(yīng)用，結(jié)合電解槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以全面實現(xiàn)和確保對濕法電解工藝生產(chǎn)過程中各項重要溫度指標(biāo)溫升態(tài)勢實時、精準(zhǔn)、立體、完整、智能、高效的實時在線監(jiān)測。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)作為全新的快速溫度探測體系，系統(tǒng)主要測溫元件由石英等絕緣材料構(gòu)成，電氣絕緣，不受任何電磁干擾，也不發(fā)射電磁波，特別適合各種復(fù)雜環(huán)境、強電環(huán)境，長期穩(wěn)定性好，使用壽命長；核心信號探測處理器采用國際領(lǐng)先的數(shù)字化解調(diào)技術(shù)，具有實時在線信號大并發(fā)采集處理和自檢功能；系統(tǒng)能綜合各種監(jiān)控參數(shù)進行自主分析，能快速發(fā)現(xiàn)隱患，迅速響應(yīng)控制。

從感溫信號探測處理器到系統(tǒng)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(tǒng)本身絕緣安全并防爆；系統(tǒng)控制中心可實時顯示各探測區(qū)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(shè)備的運行情況。

分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用一套主控測溫系統(tǒng)，通過環(huán)繞在電解槽的專用感溫光纜進行溫度實時在線監(jiān)測。測溫主控系統(tǒng)采集到溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合槽面智能溫升態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)智能分析處理，并通過展示端界面匯總展示。當(dāng)監(jiān)測到電解槽溫度異常時，根據(jù)預(yù)設(shè)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(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)在電解槽內(nèi)的應(yīng)用

系統(tǒng)采用了當(dāng)今先進的光通訊技術(shù)、微處理器技術(shù)、數(shù)字化溫度傳感技術(shù)和獨創(chuàng)設(shè)計的低溫、強電場、強腐蝕、潮濕環(huán)境運行技術(shù)。它能分別針對不同環(huán)境下的溫度進行監(jiān)測，能及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，將損失減至最低。同時還能提供大量在線溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理人員全面了解電解槽運行情況提供可靠依據(jù)。

1.3 測溫主控系統(tǒng)

測溫主控系統(tǒng)是分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信號采集、信號處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、超溫預(yù)警、超溫告警、超溫報警、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)戎饕δ堋?/p>

1.4 測溫原理

光纖測溫的機理是依據(jù)后向拉曼(Raman)散射效應(yīng)。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(chǎn)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(diào)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(xiàn)了對沿光纖溫度場的分布式測量，即拉曼(Raman)散射效應(yīng)的應(yīng)用。

結(jié)合專門訂制的脈沖光源和信號的高速采集與處理技術(shù)，就能準(zhǔn)確得到光纖沿線所有點的溫度值?；诶?Raman)散射效應(yīng)的原理應(yīng)用，分布式光纖測溫技術(shù)特別適合于濕法電解工藝中大面積、大區(qū)域、長周期的電解槽體內(nèi)溫度的精確監(jiān)測，它可以得到沿著被測電解槽內(nèi)敷設(shè)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(shù)條件獲取到的準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)主機性能指標(biāo)

圖3 光纖溫度監(jiān)測原理

2 系統(tǒng)優(yōu)勢及特點

系統(tǒng)傳感器采用最新的傳感技術(shù)，是全無源絕緣光纖器件，與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下的優(yōu)點和特點。它本質(zhì)絕緣防爆、無電傳感、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、可用于對外界的絕對測量。這種分布式電解槽立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)含量高、經(jīng)濟效益好，可以精確地發(fā)現(xiàn)和定位電解槽內(nèi)的異常溫度狀況，有效的保證電解工藝長期穩(wěn)定的運行，使電解生產(chǎn)處于長期最佳運行狀況。

2.1 無源測量技術(shù)，節(jié)約人力，抗電磁輻射，本質(zhì)安全

在傳統(tǒng)的電解生產(chǎn)工藝控制中，生產(chǎn)過程電解槽內(nèi)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(qū)域覆蓋廣，測量范圍大，勞動強度高。分布式立體溫度監(jiān)測系統(tǒng)將測量技術(shù)在電解工藝的使用進行了創(chuàng)新，采用現(xiàn)場無源和無電的測量技術(shù)，節(jié)約了人力，提升了效益。感溫元件為測溫光纖，內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘柕钠骄β蕿槲⑼呒墶y溫光纖由石英等絕緣材料構(gòu)成，電氣絕緣，不受任何電磁干擾，也不發(fā)射電磁波，特別適合各種復(fù)雜環(huán)境、強電環(huán)境。

2.2 快速響應(yīng)，反應(yīng)速度快，完全分布式

系統(tǒng)能在幾秒內(nèi)檢測整條光纖沿線完整的分布溫度，無遺漏。響應(yīng)速度快，單通道掃描時間小于10 s。系統(tǒng)信號和溫度數(shù)據(jù)采集速度快，觸發(fā)機制快，能徹底消除因預(yù)警周期過長而引起的故障隱患。

2.3 可實現(xiàn)單點溫度測量、定位和逐點報警

結(jié)合電解槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隱患、預(yù)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(shù)據(jù)，也能精確的定位到前端探測光纖的準(zhǔn)確位置上，定位精度高，便于故障處置和槽內(nèi)維護的準(zhǔn)確執(zhí)行。

2.4 測量精度極高，環(huán)境實用性強，系統(tǒng)易于安裝

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，維護方便，能耗極低。傳統(tǒng)的分布式光纖感溫測量應(yīng)用一般精度可做到3～5 ℃。結(jié)合電解槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)，可將精度提高到±1 ℃，使系統(tǒng)的使用更加可靠，并可應(yīng)用于測量中。

2.5 功能強大的海量數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

與電解槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，強大的海量數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能實時顯示所有電解槽槽面分區(qū)區(qū)域內(nèi)的實時溫度和變化曲線，以及歷史數(shù)據(jù)、溫度變化平均曲線；實時顯示準(zhǔn)確的報警位置和告警狀態(tài)值，能查詢報警位置的最高告警溫度點歷史記錄；可以根據(jù)現(xiàn)場使用情況設(shè)定分級的預(yù)警值、告警值、報警值；進行各類數(shù)據(jù)查詢：測量點的溫度查詢、報警紀(jì)錄的查詢、按分區(qū)區(qū)域的查詢、歷史數(shù)據(jù)綜合查詢等多種功能。

3 系統(tǒng)功能

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用展示端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫三層結(jié)構(gòu)，與電解槽面溫升態(tài)勢智能監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)電解工藝現(xiàn)場監(jiān)控控制實時可視化。系統(tǒng)的開發(fā)是有針對性的，操作界面可根據(jù)用戶需求個性化設(shè)計，具有直觀、簡單、方便的特點，可以完全滿足用戶特定開發(fā)要求。

3.2 軟件功能

實時顯示各電解槽的監(jiān)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(shè)定多種預(yù)警、告警和報警參數(shù)；

(2)可查詢多個測量點的歷史溫度記錄；

(3)系統(tǒng)設(shè)計有預(yù)留模塊，以便于以后擴充使用；

(4)可根據(jù)溫度的升高速率進行報警，并可設(shè)定報警速率值；

(5)位置查詢：可根據(jù)探測點在監(jiān)測區(qū)的分布位置準(zhǔn)確定位；

(6)報警記錄查詢：可記錄和查詢系統(tǒng)內(nèi)所有的預(yù)警、告警和報警記錄，并下載和導(dǎo)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(dǎo)出；

(8)歷史數(shù)據(jù)查詢：可記錄和查詢系統(tǒng)內(nèi)1年以上的歷史數(shù)據(jù)，并下載和導(dǎo)出；

(9)系統(tǒng)管理功能：系統(tǒng)支持對進行用戶管理、數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理等多種管理功能，操作日志支持下載和導(dǎo)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(shè)方案

本應(yīng)用在充分考慮不影響電解槽自身工作穩(wěn)定的同時，確保測溫效果和可靠性，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)計光纖敷設(shè)監(jiān)測方式，在電解槽側(cè)壁內(nèi)部預(yù)埋環(huán)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(cè)壁厚度為60 mm。在電解槽壁內(nèi)預(yù)埋一根Φ20 mm的線管，線管環(huán)繞電解槽三圈，測溫光纖穿入線管內(nèi)，實現(xiàn)對電解槽的溫度監(jiān)測。單個電解槽內(nèi)預(yù)埋線管約35 m，測溫光纖約40 m(包含槽體外預(yù)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(chǎn)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(chǎn)和運輸過程的影響，而且方便測溫系統(tǒng)運行后期對損耗光纖隨時進行更換，確保測溫系統(tǒng)正常使用。

圖4 系統(tǒng)界面圖

圖5 系統(tǒng)后臺管理界面圖

圖6 電解槽側(cè)壁測溫光纖(光纜)安裝示意圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)針對濕法電解生產(chǎn)環(huán)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(huán)繞在電解槽側(cè)壁，能夠立體地實時在線監(jiān)測電解槽體和槽內(nèi)電解液、電極板的溫度，根據(jù)溫度變化，分析電解槽的熱平衡狀態(tài)。并結(jié)合電解槽槽面溫升態(tài)勢監(jiān)控系統(tǒng)，可以精確地發(fā)現(xiàn)和定位電解槽的異常狀況，有效的保證電解工藝的長期穩(wěn)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(chǎn)效能，以此持續(xù)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟價值。