高炉冷却水监测及控制系统

1、高炉冷却水监测及控制系统论文关键字：高炉冷却水温差流量数字化温度传感器监测系统自动控制论文摘要：利用数字化温度传感器、电磁流量计对高炉冷却水系统进展温度和流量参数的监测，同时根据这些数据以及历史记录和人工设定参数等进展分析和比拟，确认高炉冷却水系统运行状态，并对不佳状态进展必要的调整。引言在高炉消费过程中，由于炉内反映产生大量的热量，任何炉衬材料都难以承受这样的高温作用，必须对其炉体进展合理的冷却，同时对冷却介质进展有效的控制，以便到达有效的冷却，使之既不危及耐火材料的寿命，又不会因为冷却元件的泄露而影响高炉的操作。因此对高炉冷却介质进展必要的监测和控制尤为重要。本文主要阐述对高炉水冷却部分进

2、展监测和控制的一套系统构成及工作原理。高炉冷却水系统比拟重要的几个参数：高炉冷却的作用：1降低炉衬温度，使炉衬保持一定的强度，维护合理的操作炉型，延长高炉寿命和平安消费。2形成保护性渣皮，铁壳和石墨层，保护炉衬并代替炉衬工作。3保护炉壳、支柱等金属构造，免受高温的影响，有些设备如风口、渣口、热风阀等用水冷却以延长其寿命。4有些冷却设备可起支撑部分砖衬的作用。就其作用而言，相对重要的是降低温度，带走热量以形成保护性渣皮，维护合理炉型。因此冷却系统在不同位置带走热量的多少很重要，有冷却器的热平衡分析可知，冷却水带走的热量与水量、进出水温差、水的比热容成正比关系，而水的比热容是一个常量，所以对冷却水

3、我们需要监测的重要参数是水流量和进出水温差。我们通过在冷却器进水或出水支管上安装流量计来获取流量值，通过在进水和出水分别安装温度传感器来获取进出水温度，通过计算得到温差。对高炉冷却水系统的控制与调节中主要是对水流量进展调节，调节冷却水流量的主要手段是调节控水阀门的开度和启动加压泵加大进水压力两种方式。因此我们要做的就是监测高炉冷却水的进出水温差和流量，通过计算得出热流强度，再根据热流强度对高炉当前部位炉墙厚度等状况进展判断，并对部分水量或整体水量做适当的调整。系统介绍系统从功能上分为温度监测子系统、流量监测子系统、控制执行子系统、运算分析控制存储子系统和查询子系统五个部分图1。图1高炉冷却系统

4、控制原理图温度监测子系统温度监测子系统构成温度监测子系统设备主要包括：数字化温度传感器、总线连接器、温度采集器、数据转换器等。系统构造如下列图图2：图2：温度监测子系统原理示意图温度传感器测温传感器采用的是美国进口的数字式温度传感元件，其精度高，抗干扰才能强，测温范围广等特点使得在低温测量系统中用量非常大。其外壳采用不锈钢制成，防水、耐腐蚀，可以在环境恶劣的测温环境下使用。该探头安装简单，拆换方便，可维护性好。数字化温度传感器内部有独立的地址编号，系统可以根据次技术参数工作电压：D5V10%测量精度：0.1测温范围：-55+125通讯线：RVVP3x0.3(环境温度70)或AFP3x0.3(环

5、境温度220)外形尺寸：探头长50，外螺纹16图3数字化温度传感器数字化温度传感器测温原理图4数字化温度传感器测温原理温度传感器的测温原理如图图4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门翻开时，温度传感器就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进展计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器和温度存放器中，减法计数器和温度存放器被预置在-55所对应的一个基数值

6、。减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展减法计数，当减法计数器的预置值减到0时温度存放器的值将加1，减法计数器的预置将重新被装入，减法计数器重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停顿温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。图4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度存放器值到达被测温度值。总线连接器ST-X接线箱与ST-D保护箱组合，形成双层铁制外壳，巩固耐用，安装简便，并且防雨、防熏蒸、防腐蚀，外观美观大方，接线方便。内部接线端子，采用了进口

7、产品，触点接触良好，接线方便快捷，易于维护。最多可以和10个温度传感器对应连接，有1路输出端子。技术参数端口数量：10通道输入电压：D5V10%环境温度：-40+80图5总线连接器外形尺寸：260 x230 x90总线连接器的作用是将数字化温度传感器简单的连接，重要是将传感器连接接点处放置于保护箱内，通过插接件及电路连接，保证电气连接的稳定性。温度采集器ST-A温度采集器的作用包括给数字化温度传感器提供电源，对多个数字化温度传感器进展温度采集并按照次序存贮到，采用先进的Lnrks技术，保证了系统的高速信息交换和数据采集，增强了系统的可靠性。温度采集器使用防水标准的机壳，可适应现场的恶劣环境，密

8、闭性好，防熏蒸。而且温度采集器带有过压、过流、突波、隔离、雷击保护电路。测温传感器通过总线连接器连接到温度采集器，连接电缆长度最长可达100米，每个温度采集器可连接20个温度传感器。技术参数：输入电压：A220V20%测温点数：20点通讯方式：Lnrks现场总线通讯间隔 ：1800无中继图6温度采集器外形尺寸：300 x250 x120采样速率：5点/秒工作温度：-20+80采集器以控制器为核心以电源为外围辅助，整和通讯、数据采集通道、声光指示等功能，形成完好的设备。ST-N数据转换器图8数据转换器ST-N数据转换器是整套系统数据读入和发出命令的重要设备，是连接采集器和系统管理计算机的纽带。它

9、把Lnrks总线数据转换成可以直接对计算机输入输出的RS232数据，有效的架起下位机和上位机之间的桥梁。数据转换器使用防爆标准的机壳，可适应现场的恶劣环境，密闭性好，防熏蒸。Lnrks网线的无中继最大传输间隔 大于1800米。图9数据转换器工作原数据转换器在主控室安装，功能相对简单，用Lnrks通讯模块和RS232通讯电路构建，其他包括电源和状态指示部分。1-ire总线1-ire单总线是axi全资子公司Dallas的一项专有技术，与目前多数标准串行数据通信方式如SPI/I2/IRIRE不同，它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。它具有节省I/口线资源，构造简单，本钱低廉

10、，便于总线扩展和维护等诸多优点。1-ire单总线适用于单个主机系统，可以控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时那么系统按照多节点系统操作。时序：采集器使用时间隙(tieslts)来读写数字化温度传感器的数据位和写命令字的位：(1)初始化时序见图10主机总线t0时刻发送一复位脉冲(最短为480us的低电平信号)接着在t1时刻释放总线并进入接收状态数字化温度传感器在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着温度传感器在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240us)如图中虚线所示图10初始化(2)写时间隙当主机总线t0时刻从高拉至低

11、电平时就产生写时间隙见图11图12从t0时刻开场15us之内应将所需写的位送到总线上传感器在t后15-60us间对总线采样假设低电平写入的位是0见图11假设高电平写入的位是1见图12连续写2位间的间隙应大于1us。图11写0图12写1(3)读时间隙见图13主机总线t0时刻从高拉至低电平时总线只须保持低电平1s之后在t1时刻将总线拉高产生读时间隙读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效t2距t0为15s也就是说t2时刻前主机必须完成读位并在t0后的60s-120s内释放总线图13读时隙Lnrks总线技术Lnrks是美国Eheln公司1992年推出的部分操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快开展到工业

12、现场网。Lnrks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完好、开放、成品化的解决途径。Lnrks技术的核心是神经元芯片(Neurnhip)。该芯片内部装有3个微处理器:A处理器完成介质访问控制;网络处理器完成SI的36层网络协议;应用途理器完成用户现场控制应用。它们之间通过公用存储器传递数据。在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/口。这些I/口可根据需求不同来灵敏配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/等。流量监测子系统流量监测子系统主要包括：电磁流量计二次仪表、采集模块、协议转换器等。图14流量监测子系统电磁流量计技术参数：被测介

13、质为水；无水阻构造；不改变管道原有构造；图15电磁流量计不改变水流方向；额定压力1.6pa；防护等级IP67；法兰安装。转换器技术参数：防护等级IP65；输出接口420A；测量精度0.5%；图16流量计二次表采集模块技术参数:隔离电压3000VD;有效分辨率16位;通道8路差分;图17采集I/模块输入支持420A;通讯协议dbus-485;协议转换器大多数工业计算机系统都带有标准的RS-232的端口。虽然RS-232得到了普遍的使用，但它的传输速率、传输间隔 及网络容量还是有一定的限制。RS-422和RS-485标准通过将数据及控制信号使用差分信号进展传送，克制了RS-232的缺乏。隔离转换器

14、可以让您在早期的RS-232系统上充分利用RS-422和RS-485的优点。它可以将RS-232信号透明转换为RS-422和RS-485信号。您无须改动P上的任何硬件及软件。转换器可以帮您轻松地建立起一套基于P硬件的、工业级远程通讯系统。它可以将通讯间隔 再延长1200米4000英尺，或再增加32个连接节点。控制执行子系统本系统中要控制的内容包含两方面：各阀门开度控制和加压水泵的启停控制。当高炉冷却系统需要对流量进展小范围的调整，通过智能型电动阀门控制器对阀门的开度进展调节，使之调整到指定的开度；当有阀门开度已经调整到最大，仍然没有起到控制热流的作用，考虑通过控制继电器来启动加压泵。智能型电动

15、阀门控制器系统有通讯功能，可以接收上位机的指令，进展远程数字控制。运算处理后产生的控制信号驱动交流电机。阀门的控制量为阀门开度，在应用场合往往会根据实际需要将阀门开或关，或者开到一定程度，甚至动态的以某种规律开关。采用单片微处理器和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号如420A的电流信号，经信号处理及A/D转换送至微处理器，微处理机将处理后的数据作为控制结果，与控制命令目的进展比拟，以验证控制结果。水泵继电控制器控制器承受上位机命令，按照命令执行闭合或断开加压水泵的控制继电器，从而控制加压泵的启停。运算分析控制存储子系统该子系统功能主要包括：运算、实时数据播送、分析、控制及

16、存储等。运算功能1.热流强度计算在相应的总线上获得各个监测点的温度、流量等数据，并将各监测数据根据其编号与数据库中编号进展比对查询，之后对应到其物理位置，以完成数据计算。即在数据库中查找到某一位置上的出水温度传感器编号、入水温度传感器编号、流量计编号等，并根据这些编号在温度和流量数据中查询，即可获得相应的数值。再在数据库中查询到用户设置的面积、热容等数据，根据这些数据完成热流强度计算：Q=q(T-Ti)AQ：热流强度/2；q：流量L/s；：热容J/Kg；：介质密度Kg/L；T：出水温度；Ti：入水温度；A：冷却壁单路面积22炉墙厚度数学模型计算本模型的冷却壁传热过程分析中，可以简化认为炉墙的热

17、量损失全部被冷却水带走。模型假设(1)炉墙内的传热以传导传热为主，煤气与渣皮、冷却水与水管内壁之间以对流换热为主；(2)炉墙的热传导仅是沿径向方向进展，即本模型建立的是一维传热模型；(3)温度随时间的变化很小，因此系统可以被认为是稳态的或准稳态的；(4)模型计算涉及的物质，如涂层、冷却壁本体以及挂渣等，各自都是均匀的；(5)高炉的冷却水管、冷却壁、挂渣等的热传导系数是各向同性的，但是是随温度而变化的，即是传热中的变物性问题。(6)传热过程中没有“热源，也无热量积累。分析各传热过程：炉内煤气和炉料与渣皮热面之间以对流换热为主，热流强度q1为：炉墙(剩余砖衬+渣皮)内的传导传热，热流强度q2为：(

18、3)冷却壁本体热面层内的传导传热，热流强度q3为：(4)从冷却壁体到冷却水之间有四个热阻：气隙层的热阻r1；水管外表涂层的导热热阻r2；水管管壁的导热热阻r3；水管内外表与水的对流换热热阻r4。因此从冷却壁体到冷却水的传热经历了气隙传热、涂层导热、水管壁导热和管壁与冷却水的对流换热，这一过程传热过程比拟复杂。为简化处理，将冷却壁体与冷却水之间的传热用一等效对流换热表示，所以热流强度q4为：按照热流量相等的原理：q=q1=q2=q3=q4将q1q4用q交换可得：FD(t)=42.05-0.02689t=42.05-0.013445(t2+t3)根据有关文献资料，取渣皮的导热系数渣1.01.2-1

19、K-1；f=232-2-1；=208.8+47.5v-2-1将上述参数代入即可完成炉墙厚度的计算。实时数据播送监测数据实时上传至计算机，计算机查询数据的对应位置后，与计算后的数据一起暂存到计算机变量，其中包括：出水温度、入水温度、温差、流量、热流强度等数据。通过PLEfrPressntrl工控标准接口将上述数据实时发布到计算机网络。分析软件根据数据库中的标准参数、报警阀值和动作阀值等信息，对监测数据做出分析和判断，以决定软件进展报警或启动控制子系统的相关控制动作。软件用监测数据和计算所得数据与历史数据进展比拟、与标准参数进展比拟，判断高炉冷却水系统运行是否正常，分析高炉炉型及运行情况。用监测数据和计算所得数据与报警阀值进展比拟，判断是否超出正常范围，决定是否进展报警。用监测数据与动作阀值进展比拟，当超出设置的动作阀值时启动控制子系统，使之做出相应的动作。来调整高炉冷却系