焦饼测温系统的研制及应用.pdf_大学文库

第 1 4卷第 2 期 1 99 2 年 a 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i y e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B o i j i n g V o l . 1 ; N o . 含 M 习 r e h 19 , 2 焦饼测温系统的研制及应用陈鸿复 , 高达时 ` , 农时猛 ` , ` 李瑞亭 , 郎骥昌乍摘要 : 对试验过的。种红外测温系统进行评价 , 重点叙述了J W 一 n 焦饼红外侧温系统的测温原理、系统组成和现场试验情况。特别对焦讲裂纹的沾计、车载数据存贮器的功能和系统的优点进行了阐述。关键词 : 焦饼温度 , 红外侧温 , 裂纹 , 数据 , 存贮器 A p r a e t i e a l S y s t e m o f C o k e C a k e T e 班 P e r a t u r e M e a s u r e m e n t C h e n H o n 夕f “ ’ G a o D a : h f ” N o n 夕 S h i m e n 夕 ` ’ . L i R u 犷t i n 刃 . L 口 n 夕 J i e h a 月夕. A B ST R A C T : E v a l u a t i o n s o f t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f t e m p e r a t u r e m e a s o r o m e n t s y s t e m h a v e b e e n m a d e 。 E s p e e i a l l y a n e w l犷 d e v e l o p i n g J W 一 1 1 t jr p e I n f r a r e d C o k e C a k e T e m P e r a t “ r e M e a s u r e m e n t S 了s t e m , i t s w o r k i n g p r i n e i p l e s , s y s t e m o r g a n i z a t i o n a n d r e s u l t s o f p r a e t i e a l t e s t s a r e d e s e r i b e d i n d e t a i l 。 T h e f o r m a t i o n o f e r a e k s o f e o k e e a k e , t h e e h a r a e t e r i s t i e s o f a s P e e i a l p o r t a b l e d a t a s t o r a g e a 住 d t五e m e r i t s o f t il e s y s t e m a r e a l s o m e n t i o n e d . K E Y W O RD S : e o k e e a k e t e 皿p e r a t u r e , i n f r a r e d t e m p e r a t u r e , e r a e k , d a t a s t o r a g e 、屯焦炉操作规程要求定期测量焦饼中心温度作为制定热工制度的依据。但是传统的由人工向焦饼中心插热电偶或插人铁管后用高温计测温的操作 , 由于工作环境恶劣 , 劳动强度太大 , 实际生产中很难坚持这种方式的测温。目前 , 国外焦化厂陆续在生产中成功地采用了红 1 9 9 1一 1 0一 1 2收稿 · 热能系 ( D e P t 。 o f T h e r m a l E n g i n e e r i n g ) 二北京焦化研究所 ( I n s t i t u t e o f B e i j i n g e 。 k e a 二 d e h 。。 i e a l w o r k s ) 二 8 8届硕士研究生 , 现在北京康拓公司工作 1 9 4 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 02. 012

外测温系统，在推焦时对焦饼温度分布进行自动测量，并对测得的焦饼温度进行监督和考核以保证对焦炭质量、产品能耗、环境污染和炉体维护等方面有效的管理。在焦炉加热自动控制中也用焦饼温度信息作为一种反馈信号提高控制的质量1·2)。在生产中要长期进行推焦时焦饼温度的测量是一项难度较大的综合技术，除了要求有高质量的传感器外，还需要解决诸如信号采集、输送和数据处理以及上述诸方面相互间的良好匹配等问题。。由于拦焦车上电子器件的工作环境十分恶劣，要很好解决电子仪器、连接导线等的防热、防尘、防震和防腐蚀、防干扰等问题是相当困难的。另一方面测量系统又不能太复杂，要求投资少，便于维修，否则在目前我国焦化厂中是难以坚持使用的。下面介绍由北京科技大学和北京焦化厂研究所合作研制成功的JW-11型焦饼红外测温系统的原理和应用。 1焦饼温度测量原理焦饼中心与表面温度间从已经公布的一些献来看(3)，两者相差50~100℃，属线性关系。因此只需测定焦饼表面温度就能推算出焦饼中心温度，据此能判断出立火道温度控制是否得当。焦饼并不象一般常见的被测物体那样是一个整体，它是由龟裂成不同大小和形状的焦块及焦块间裂纹组成的连续体，并且以较快的速度向前移动。在推焦时，焦块表面被冷却而降温，但焦块间裂纹温度基本上保持不变。在红外测温时，虽然上述两种温度都能测出，但可以采取分段进行蜂值处理的方法，以每段中的裂纹最高温度作为该段实际平均温度，综合全部分段的蜂值温度即可得出比较接近实际情况的焦饼长向温度分布曲线。既然焦饼温度测量以焦饼表面裂纹为主要目标，则在确定红外温度传感器与数据存贮器的主要性能指标如：响应时间、距离系数、采样频率等都和裂纹状况有关。遗憾的是关于这方面可供查阅的文献极少，因此在这方面只能作一些粗略的估算。北京焦化厂4焦炉属58-夏型，焦饼纵长为13.28m,推焦时间共30s,焦饼移动速度为 443mm/s,两个立火道间距为492mm。如按表面附近焦块平均块度为50mm计算，则在两个立火道问距中可能出现的裂纹数为10条。采样间隔定为0.3时则在两个立火道间距中进行的采样次数m=492/443×0.3)=3.7次。所用国产HG-A型红外温度传感器响应时间为504s, 加上8031单片机为主的数据存贮器，系统总响应时间小于100μ5，在这样短的时间内，被测目际仅移动0.044mm。每次采样间隔出现的裂纹数为n=10/3.7=2.7条，裂纹出现领率约为 9次/5，而采样频率约为3.33次/s。当目的物最小直径定为14mm时，规定全捕捉或部分捕捉裂纹的机会是很大的。从理论上说传感器最小目的物直径应该小于裂纹宽度，如果大于裂纹宽度则测出的温度会偏低一些。焦饼表面处裂纹平均宽度目前还不清楚，在这种情况下如果把最小目的物直径定得太小虽然测量结果会准确一些，但又会带来仪表选型、维护和价格等方面的问题。 2 测温系统的组成及改进自1983年以来，我们共进行过8种不同组成的焦饼温度测温系统试验。最初的方案由国产HTY-2型红外多膜光纤温度传感器和XWX-2042型自动平衡快速电子电位差计组成4)。 195

外测温系统 , 在推焦时对焦饼温度分布进行自动测量 , 并对测得的焦饼温度进行监督和考核以保证对焦炭质量、产品能耗、环境污染和炉体维护等方面有效的管理。在焦炉加热自动控制中也用焦饼温度信息作为一种反馈信号提高控制的质量〔 ` ’ “ ’ 。在生产中要长期进行推焦时焦饼温度的测量是一项难度较大的综合技术 , 除了要求有高质量的传感器外 , 还需要解决诸如信号采集、输送和数据处理以及上述诸方面相互间的良好匹配等问题。。由于拦焦车上电子器件的工作环境十分恶劣 , 要很好解决电子仪器、连接导线等的防热、防尘、防震和防腐蚀、防千扰等问题是相当困难的。另一方面测量系统又不能太复杂 , 要求投资少 , 便于维修 , 否则在目前我国焦化厂中是难以坚持使用的。下面介绍由北京科技大学和北京焦化厂研究所合作研制成功的 JW 一 n 型焦饼红外测温系统的原理和应用。 1 焦饼温度测量原理焦饼中心与表面温度间从已经公布的一些献来看〔 ” , 两者相差 50 一 10 0℃ , 属线性关系。因此只需测定焦饼表面温度就能推算出焦饼中心温度 , 据此能判断出立火道温度控制是否得当。焦饼并不象一般常见的被测物体那样是一个整体 , 它是由龟裂成不同大小和形状的焦块及焦块间裂纹组成的连续体 , 并且以较快的速度向前移动。在推焦时 , 焦块表面被冷却而降温 , 但焦块间裂纹温度基木上保持不变。在红外测温时 , 虽然上述两种温度都能测出 , 但可以采取分段进行峰值处理的方法 , 以每段中的裂纹最高温度作为该段实际平均温度 , 综合全部分段的峰值温度即可得出比较接近实际情况的焦饼长向温度分布曲线。既然焦饼温度测量以焦饼表面裂纹为主要目标 , 则在确定红外温度传感器与数据存贮器的主要性能指标如 : 响应时间、距离系数、采样频率等都和裂纹状况有关。遗憾的是关于这方面可供查阅的文献极少 , 因此在这方面只能作一些粗略的估算。北京焦化厂 4 # 焦炉属 58 一 I 型 , 焦饼纵长为 13 。 28 m , 推焦时间共 3 0 5 , 焦饼移动速度为 4 4 3 m m / s , 两个立火道间距为 4 92 m m 。如按表面附近焦块平均块度为s o m m 计算 , 则在两个立火道间距中可能出现的裂纹数为10 条。采样间隔定为。 . 3 : 时则在两个立火道间距中进行灼采样次数 , 二 4 9 2 / 4 3 X 0 . 3 ) = 3 . 7次。所用国产 H G 一 A型红外温度传感器响应时间为 50 那 , 加上 8 0 31 单片机为主的数据存贮器 , 系统总响应时间小于 1 0。书 , 在这样短的时间内 , 被测目标仅移动。。 o 4 m m 。每次采样间隔出现的裂纹数为 n = 1。 / 3 . 7 二 2 。 7条 , 裂纹出现频率约为 g 次 / s , 而采样频率约为 3 。 3 次 / s 。当目的物最小直径定为 1 4 m m 时 , 规定全捕捉或部分捕捉裂纹的机会是很大的。从理论上说传感器最小目的物直径应该小于裂纹宽度 , 如果大于裂纹宽度则测出的温度会偏低一些。焦饼表面处裂纹平均宽度目前还不清楚 , 在这种情况下如果把最小目的物直径定得太小虽然测量结果会准确一些 , 但又会带来仪表选型、维护和价格等方面的问题。 2 测温系统的组成及改进自1 9 8 3年以来 , 我们共进行过 3 种不同组成的焦饼温度测温系统试验。最初的方案由国产H T Y 一 2型红外多膜光纤温度传感器和X w X 一 20 4 2犁自动平衡快速电子电位差计组成〔 ` ’ 。落9尽

此系统虽然能测出焦饼纵长方向福度分布，但拦焦车工作环境温度高，粉尘和振动太大，影响仪表正常使用。记录下来的是模拟量，数据处理困难，不便于参考。第二种方案测温传感器不变，测得的模拟量信号经国产YCF-YCS无线信号发射一一接收器将信号从栏焦车上天线发射主100m外的机房，经解调后一方面由快速电子电位差计直接绘出曲线，另一方面通过接口送入微机（紫金-I型）进行峰值处理并打印表和曲线。上述YCF发送机采用PCM- FM体制，采样频率10.4次/s,载波频率152MHz,发射功率2W。此系统曾连续运行过22 天，共测量了891炉数据，其中正常信号占84%。这套系统存在的主要问题是工作不太稳定，各种千扰信号较多，原因比较复杂。目前使用的JW-11焦饼红外测温系统，它是由国产 HG一A型红外测温探头、自制的车载便携数据采集存贮器和紫金~I型微机组成。推焦时测温信号先贮存在数据存贮器中，贮存一定炉数以后，由人将此存贮器由拦焦车上取下带回机房，通过接口输入微机，将信号进行处理。在保证仪器使用环境方面，可将传感器移到拦焦车驾驶室内，并将它和存贮器一起放在带有若干蓄冷片的密封箱中以保证仪器工作环境温度 (<40℃)。此系统经过夏季3个月的运行，测温效果比较满意。JW-11测温系统工作流程框图见图1，设备安装示意图见图2。JW-11测温系统主要组成部分的功能如下： Signals of Data Data Table and temperature collection processing curve measurement and storage by computer printing (mV) Oven No. and.date 图1系统泷程框图 Fig.1 Flowchart of the system 图2患炉红外测温系统示意图 1,瓢炉2，拦感车3.隔热采宁箱4，导然栅5.炭化室G.红外探头7.数采集存贮器8.测温孔 Fig.2 Outline of infrared temperature mcasurement system of coke oven 2.1红外测通探头反射式光学系统由华北光电研究所提供，其主要性能指标为： (1)测温范围：700~1400℃， (2)测量精度：±1%： (3)响应时间：<504s5 (4)测试距离：0,5~5,0m; 196

此系统虽然能侧出焦饼纵长方向温度分布 , 但拦焦车土作环境温度高 , 粉尘和振动太大 , 影响仪表正常使用。记录下来的是模拟量 , 数据处理困难 , 不便于参考。第二种方案测温传惑器不变 , 测得的模拟量信号经国产 Y C F 一 Y C S无线信号发射— 接收器将信号从拦焦车上夭线发射主1 0 m 外的机房 , 经解调后一方面由快速电子电位差计直接绘出曲线 , 另一方面通过接口送入微机 ( 紫金一 I 型 ) 进行峰值处理并打印表和曲线。上述 Y C F 发送机采用 P C M - F M 体制 , 采样频率 1。 , 4次s/ , 载波频率 1 52 M H z , 发射功率 ZW 。此系统曾连续运行过 2 天 , 共侧量了 8 91 护数据 , 其中正常信号占84 % 。这套系统存在的主要问题是工作不太稳定 , 各种干扰信号较多 , 原因比较复杂。目前使用的 JW 一 n 焦饼红外测温系统 , 它是由国产 H G一 A 型红外侧温探头、自制的车载便携数据采集存贮器和紫金一 I 型微机组成。推焦时测温信号先贮存在数据存贮器中 , 贮存一定炉数以后 , 由人将此存贮器由拦焦车上取下带回机房 , 通过接口输人微机 , 将信号进行处理。在保证仪器使用环境方面 , 可将传感器移到拦焦车驾驶室内 , 并将它和存贮器一起放在带有若干蓄冷片的密封箱中以保证仪器工作环境温度 ( < 40 ℃ ) 。此系统经过夏季 3 个月的运行 , 测温效果比较满意。 JW 一 n 涎温系统工作流程框图见图 1 , 设备安装示意图见图 2 。 JW 一 n 侧温系统主要组成部分的功能如下 : s i g n a 1 s o f t e m p e r a t u r e 印 e 8 S U r e m e n t ( m V〕 D a t a e o l l e e t i o n a n d s t o r a g e D g t a T a b l 。日 n d p r o C e S S 王 n g C U r V e b y c o 爪 P u t e r P r i n t i o g o v e n N O . a n d . d a t e 图 1 系统沈程框图 F 1 9 . 1 F l o w c h a t t o f t h e s y s t e tn 飞门 I 姆. 孔图 2 焦炉红外测温系统示意图 1 。焦护 F i g 。 2 . 拦焦车 3 . 隔热深沪箱 4 . 导焦栅 5 。炭化室 c . 红外探头 O tz t l i n e o f i n f r a r e d t e m P e r 、 t u r e m e a s u r e m e n t 7 . 数据袋集存贮器 s y s t e tn o f e o k e 8 。测温孔 2 。 1 红外侧通裸头反射式光学系统由华北光电研究所提供 , 其主要性能指标为 : ( 1 ) 测温范围 : 7 0 0 ~ 1 4 0 0 ℃ , ( 2 ) 测量精度 : 士 1写 ; ( 3 ) 响应时间 : ( 5 0产s ; ( 4 ) 测试距离 : o , 5 ~ 5 , o m , 1 9尽

(5)目的物最小直径：当L=1.3~(6)工作波长：0.85~1.054m 3.2m时，D=10~30mm; (7)工作环境：0~55℃，相对温度80%。 2.2车载式数据采集存必器其结构框图如图3所示： Sensor A/D Communication CPU EPROM 8031 Electricity off Keyboard protecticn fA and CRT 图3车载式数据采集存贮器结构框困 Fig.3 Flowchart of the orgnization of carriage data collecting storage 其数据采集存贮电路包括8031单片机、程序存贮器2764，数据存贮6264、8155可编程RAM/O 扩展器、0816多路A/D转换器及相应辅助芯片。由这些芯片组成了具有模拟信号采集及完备的I/O功能的单片微机应用系统，在8031CPU的协调下，完成数据采集、数据处理等功能。车载式数据采集存贮器的功能有：(1)数据的采集与显示；(2)数据查询，(3)数据的掉电保护：(4)通讯（并行接口）。其技术指标为测量通道有16个模拟输入通道，每个传感器需要3个通道；1个为信号通道，2个作为采样启动控制，故该机可配置5个探头，存贮容量有8k字节的存贮空间，若以准一次焦（一个测量点）的数据为一组，每组为100个数据，则可存贮70多组数据；外形尺寸为245mm×200mm×100mmc5)。 3现场使用效果应用JW-11涮温系统测温、微机打印结果见图4。根据1991年8月1日前后在北京焦化厂4*焦炉所测298炉和187炉焦饼平均温度分别进行统计并绘出其频率分布图如图5所示。从图中可以看出8月1日以后由于加强了调火工作，焦饼表面平均温度由原来的1084℃下降至 1070℃，即平均值下降了14℃。通过计算得出相应焦炉加热煤气节约率为1.23%。由生产实际煤气量消耗统计，7月份每炉焦热耗为48968MJ,而8月份则减至每炉焦热耗为48220MJ, 节能1.53%，二者数值很接近。焦饼温度过高会增加推焦时的阻力，出二次焦的次数就会增加。据生产统计，在测试的 4*焦炉上7月份二次焦次数占总出焦炉数的4.2%，而8月份下降至2.1%，这和图5中反映出来的焦饼平均温度下降有关。 4结论 (1)自设计的快速红外测温系统具有技术先进，结构简单，耐用性好，维护方便，使用 197

) 目( 5的物最小直径 : 当 L 二 1 。 3一 3 。时 Z m , D = 1 0 ~ 3 0 m m ; ( 6 ) 工作波长 : 0 。 8 5 ~ 1 。 0 5声 m ( 7) 工作环境 : O~ 5 ℃ , 相对温度 80 % 。 2 . 2 车载式数据采集存贮器其结构框图如图 3 所示 : 二 A / D CP U 日0 3 1 〔 P RO卜1 E l e e t r j e 、 t 乡 , 〔, f f P r o t 百c t 王。 : 、只八!冲田 3 车载式数据采集存贮器结构框图 F 1 9 。 3 F l o w e 飞、 a r t o f t h e o r g n i : a t i o n o f e a r r i a g e d a t a e o l l e e t i n g s t o r a g e 其数据采集存贮电路包括 8 0 3 1 一单片机、程序存贮器 2 7 6 4 、数据存贮 62 6透、 8 1 5 5可编程 R A M / 10 扩展器、。 8 1 6多路 A / D 转换器及相应辅助芯片。由这些芯片组成了具有模拟信号采集及完备的 I / o 功能的单片微机应用系统 , 在 s o 3 1 C P U 的协调下 , 完成数据采集、数据处理等功能。车载式数据采集存贮器的功能有 : ( 1) 数据的采集与显示 ; ( 2) 数据查询 ; ( 3) 数据的掉电保护 ; ( 4) 通讯 ( 并行接口 ) 。其技术指标为测量通道有 16 个模拟输入通道 , 每个传感器需要 3 个通道 ; 1 个为信号通道 , 2 个作为采样启动控制 , 故该机可配置 5 个探头 ; 存贮容量有 s k字节的存贮空间 , 若以推一次焦 ( 一个测量点 )的数据为一组 , 每组为10 。个数据 , 则可存贮 7 0多组数据 ; 外形尺寸为2 4 5 m m x Z o o m m x l o o nr m 〔 ” 。 3 现场使用效果应用 J W 一 n 测温系统测温、微机打印结果见图 4 。根据 1 9 9 1年 8 月 1 日前后在北京焦化厂 4 # 焦炉所测 29 8炉和 1 87 炉焦饼平均温度分别进行统计并绘出其频率分布图如图 5 所示。从图中可以看出 8月1 日以后由于加强了调火工作 , 焦饼表面平均温度由原来的 1 0 8 4 ℃ 下降至 1 0了。℃ , 即平均值下降了 14 ℃ 。通过计算得出相应焦护加热煤气节约率为1 。 23 % 。由生产实际煤气量消耗统计 , 7 月份每炉焦热耗为 4 8 9 6 8 M J , 而 8 月份则减至每炉焦热耗为4 8 2 2 o M J , 节能1 。 53 % , 二者数值很接近。焦饼温度过高会增加推焦时的阻力 , 出二次焦的次数就会增加。据生产统计 , 在测试的 4 禅焦炉上 7月份二次焦次数占总出焦炉数的 4 . 2 % , 而 8月份下降至 2 . 1纬 , 这和图 5 中反映出来的焦饼平均温度下降有关。 4 结论 ( l) 自设计的快速红外侧温系统具有技术先进 , 结构简单 , 耐用性好 , 维护方便 , 使用落9了

1 舒 [} -召女厂 } 少、 l 门 } !{} !到厂} I l ! I ! . . 519 20P80 尸 \ . 三 d 。1 0 4 1 8 1 62 2 夕0 2 94 2 「 1日 e n u m b e r 洲。 UQn Jb 吩ì 。自月几口。自amu A v e a r g e e o k e t e m P e a r t u e r / 。 C 图焦研4温度分布曲线 F 19 . e 4m T P e a r t u e r i d s t r i b u 呈 t n o o f e k o e e ak 。图 5 焦饼平均实测温度颇率分布一i 月 1日前8 , 2 9 8 护 , 平均焦温 l o a 4℃ 2一 s 月1 日后 , 1 8 7 护 , 平均温度 1 07 0℃ F 19 . 5 D i s t r i b u t i o n o f a v o r a g e P r a e t i e a - t e m P e r a t u r e f r e q u e n c y o f C o k e e a k e 灵活 , 投资少等优点 , 测温精度能满足焦化生产的要求。 ( 2) 此系统中的车载数据采集存贮器性能指标满足实用要求 , 而且结构紧凑 , 便于安装和携带。 ( 3) 在拦焦车上采用新型板式蓄冷器来保证隔热保护箱中仪器的环境温度 , 效果良好 , 并且具有结构简单 , 维护使用方便、灵活等优点。 (4 ) 焦饼平均温度的监测和统计考核 , 对于改进炼焦生产管理具有重要意义 , 对于提高焦炭质量、降低单位产品能耗、减少二次焦次数等均有益处 , 应该引起足够的重视。致谢 : 参加本试验工作的还有 : 薛乃彦、韩小良、张全、范红旗、赵亚泽、杜福献、朱勇、窦凤鸣 , 卫晓飞、黄永曦、党习之、伶家生、张玉兰及北京焦化厂二炼焦调火组等同志在此一并表示感谢。参考文献 1 T h j s s e n N J M , V a n d e r T . I r o n m a k i n g C o n f e r e n e e P r o e e o d i n g s , 1 9 8 4 , 4 3 : 2 0 8 2 K a z u m a s a A r i y o s h i , e t a l . I r o n m a k i n g C o n f e r e n e e P r o e e e d i n g s , 1 9 9 0 , 4 9 : 8 8 3 G a i ll e t J P , P r u d h o n G 。 R e v u e d e M e t a l l u r g i e , 1 9 8 0 , ( 4 ) : 9 3 4 陈鸿复等 . 燃料与化工 , 1 9 5 5 , ( 5 ) : 1 4 5 农时猛。硕士论文 , 北京科技大学 , 1 9 9 0 , 12 孚9冬