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銅電解分布式光纖測溫的運用分析

時間:2020-02-17 來源:有色金屬(冶煉部分) 作者:林福坤 本文字數:5019字

  摘    要: 電解液溫度影響槽電壓、電解液導電率、電流效率、陰極銅表面質量等,是銅電解工藝控制的關鍵參數之一。傳統的水銀溫度計或接觸式測溫儀依靠人工檢測并記錄每個電解槽電解液溫度,工作量大、效率低,做不到實時在線監測。紫金銅業有限公司將分布式光纖測溫技術首次應用于銅電解測溫,可實現每個電解槽溫度的在線監測、預警、報表、歷史曲線記錄等功能,并間接反映管道堵塞、槽子漏液、板換故障等問題。

  關鍵詞: 分布式光纖; 電解液; 智能冶金; 綠色冶金; 電流效率;

  Abstract: Electrolyte temperature affects cell voltage,electrolyte conductivity,current efficiency,and cathode copper surface quality,and it is one of the key parameters of copper electrolysis.Traditional mercury thermometer or contact thermometer relys on manual detection and record temperature of electrolyte in each electrolytic cell,and has the characteristics of large workload,low efficiency,and none real-time online monitoring.Temperature measurement with distribution optical fiber is for the first time applied to measure electrolyte temperature in Zijin Copper Industry Co.,Ltd.,which can realize real time on-line monitoring,early warning,report form,historical curve recording and other functions of temperature of each electrolysis cell,and indirectly reflect problems of pipeline blockage,channel leakage,and plate replacement failure.

  Keyword: distributed fiber; electrolyte; intelligent metallurgy; green metallurgy; current efficiency;

  電解液溫度的變化對銅電解精煉過程影響較大[1],導電率隨著電解液溫度的升高快速增大,在50~60℃時,電解液溫度每升高1℃,電解液電阻約減少0.7%[2],從而降低槽電壓[3,4,5],減少銅電解精煉直流電耗,有利于消除陰極附近銅離子貧化現象,使銅在陰極上能均勻地析出,并防止雜質在陰極上放電,提高陰極銅表面質量。但過高的電解液溫度會增加電解液的蒸發,排放的酸霧對車間環境不利,還會引起電解液酸度和成分的不穩定,不利于正常生產[6,7]。因此,在銅電解精煉過程中需動態檢測并嚴格控制好電解液溫度。

  1、 紫金銅業有限公司銅電解工藝簡介

  紫金銅業有限公司(以下簡稱紫金銅業)300kt/a陰極銅電解項目采用永久不銹鋼陰極工藝,分東、西2個系統,每個系統480個電解槽,共960個電解槽。

  在銅電解過程中,電解液必須不斷地循環流通,以保持電解槽內電解液溫度均勻、成分均勻、濃度均勻[8];紫金銅業生產工藝要求每槽電解液溫度控制在62.5~64.5℃。按原設計,紫金銅業電解液循環系統中僅高位槽和板式換熱器出口安裝有溫度計且能在中控室DCS系統上在線顯示。現采用水銀溫度計或接觸式測溫儀每班人工抽檢并記錄電解槽電解液溫度,工作量大、效率低且不利于職業健康,做不到實時在線監測。

  2、 銅冶煉電解液自動測溫發展

  為提高工作效率,減輕工人勞動強度,保護員工職業衛生健康,實現各電解槽電解液溫度在線監測,提高自動化程度,不斷推動智能冶金和綠色冶金,銅冶煉行業不斷探索并嘗試各種自動測溫方案。

  2.1、 鉑電阻測溫方案

  電解液早期傳統測溫方式采用直接接觸式,即在探頭外包裹一層不銹鋼后將鉑電阻安裝固定在電解槽內,直接接觸電解液進行測溫,每槽的每個鉑電阻的電源或信號線均需現場布至就近的控制箱,控制箱內含供電電源、數模轉換主板、無線通訊模塊等,熱電阻輸出的4~20mA或0~5V溫度信號經數模轉換主板轉換處理后用ZIGBEE等無線傳輸協議,將相關溫度數據傳輸至中控室后臺顯示。
 

銅電解分布式光纖測溫的運用分析
 

  一方面由于電解液的強酸性和強腐蝕性,加上槽面沖水噴濺等因素,鉑電阻或電纜線路易腐蝕損壞;另一方面由于直流大電流產生的強磁場干擾鉑電阻內部電氣元件或信號傳輸,導致后臺顯示的溫度數據經常突發異常。因此該方案存在硬件壽命周期短、故障率高、穩定性差等缺點。

  2.2、 紅外測溫方案

  隨著紅外成像和圖像識別處理軟件技術的日益成熟和進步,將紅外攝像儀固定安裝在電解槽邊上廠房立柱上,實時拍攝并轉換成紅外相片,利用圖像識別處理軟件生成相對溫度數據及電解槽位置信息,再利用2.4G無線通訊傳輸,將相關溫度數據和對應的位置信息通過千兆網絡主機傳輸至中控室后臺上位機顯示。

  一方面,受紅外攝像儀鏡頭廣角的制約,通常安裝在離電解槽6~10m遠的位置;另一方面,為了保溫電解槽表面通常蓋有槽蓋布。從銅冶煉行業實際應用效果來看,國際知名品牌的紅外攝像機的測溫精度也只能達到±2℃或者±2%,與工藝生產要求相差較大。

  該方案與鉑電阻測溫相比雖然穩定可靠,但存在投資價格高、測溫精度較低等缺點。

  3、 分布式光纖測溫

  紫金銅業結合上述兩個測溫方案的優點和缺點,經詳細調研光纖在消防、電力、路橋隧道等領域的應用案例,將經特殊防腐處理后的光纖長期浸泡在電解液中并做高溫烘箱老化試驗,最終決定將分布式光纖測溫首次應用于銅冶煉電解液測溫。

  3.1、 光纖測溫原理

  光纖測溫的機理是背向拉曼(Raman)散射效應[9],測溫原理如圖1所示。

  圖1 光纖測溫原理
圖1 光纖測溫原理

  Fig.1 Principle of optical fiber temperature measurement

  3.2、 現場實施方案

  紫金銅業電解液光纖測溫系統由前端耐腐蝕測溫光纖、16通道測溫主機和監測后臺三個主要部分組成。服務器、顯示屏、測溫主機安裝于機柜中,機柜放置于電解廠的電解中控室內,共16個回路測溫光纜,每個回路連續監測15個電解槽的出液口或進液口,一個回路為一條連續分布的測溫光纜,每條光纜通過FC/APC接頭直接接入測溫主機,測溫主機的溫度數據通過網線傳輸至服務器中并在服務器中的定制化軟件界面上顯示。

  紫金銅業選取第5系列8組共120個電解槽鋪設光纖,每槽的電解液進液口和出液口附近測溫,共需16組光纖。光纖在每列15個電解槽內串聯安裝,具體走向如圖2所示。

  圖2 分布式光纖走向圖
圖2 分布式光纖走向圖

  Fig.2 Move towards of distributed optical fiber

  光纖從電解槽進、出液口附近貼壁安裝,穿入FRPP管后進入電解槽1m左右的深度,保證浸泡在電解液中光纖長度在2~3m。光纖從一個電解槽出來后,在進入另一電解槽之前,需預留2m左右長度。Φ20mm的UPVC管組合包含1根直管(0.14m)、1根直管(0.8m)、1根直管(0.22m)、1個UPVC三通、2個UPVC彎頭。其中0.8m的直管需要平均鉆孔4個以上,以確保電解液在UPVC管的內外處于流動狀態,以提高光纜對電解液溫度測量的準確性,現場安裝如圖3所示。

  圖3 現場安裝圖
圖3 現場安裝圖

  Fig.3 Field installation drawing

  3.3、 主要部件及性能參數

  光纖測溫系統的光纖既是傳輸介質,又是傳感器,其組成結構如圖4所示。光纖由內至外結構為:0.9mm ETFE緊包光纖、芳綸纖維層、光纜外護套防腐層。光纖傳感器抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本征安全;重量輕、體積小、可撓曲;線型分布式測量,可實現長距離、多點同時在線測量,測量信息豐富,無測量盲區;便于復用,便于成網,有利于與現有光通信設備組成遙測網和光纖傳感網絡等。

  圖4 光纖結構圖
圖4 光纖結構圖

  Fig.4 Fiber structure diagram

  16通道分布式光纖測溫主機是一臺低功耗的主機,由我國某公司自主研發、設計光信號轉換成電信號控制主板,擁有自主知識產權,具有很高的可靠性和適用性。主要性能指標:測溫范圍-10~150℃、測溫精度±0.5℃(全范圍)、測量時間4S/通道、測量距離2km(單通道)、定位精度≤0.2m、空間分辨率≤0.5m、采樣間隔0.2m。

  監測后臺采用工業服務器,光纖測溫主機只能給出光纖的位置和溫度,項目實施過程中專門開發一套可視化管理軟件,采取自動定位算法,根據工廠平面示意圖把光纖的數據與現場電解槽對應起來。該系統配套軟件功能全面,可實時數據采集、顯示、報警,歷史數據存儲及調用,溫度曲線趨勢圖記錄等。

  3.4、 安全與施工要點

  激光器安全級別:必須為Class 1級(IEC60825-1:2001標準)以上,保證激光暴露(如光纖斷裂后)后對人體無傷害,并提供權威的激光能量等級檢測報告。人眼不能長時間正視激光光束。

  系統可自動檢測感溫光纖受損或故障并立即報警同時關閉激光器發射光束;當溫度變化超過設定報警閥值時,發出聲光報警;帶有OPC通訊功能,能進入紫金銅業DCS系統。

  感溫光纖應具備良好的抗嚙咬、抗振特性,外層防腐材料應抗老化、抗電解液腐蝕。

  感溫光纖的內部為玻璃纖芯,彎折和壓力的時候非常容易受損,影響信號的傳輸,從而導致測溫異常,光纖受損后需要用特殊工具熔接,而且信號也會受到影響,所以施工過程中務必小心,嚴謹死彎、蠻力拉扯,確保彎曲半徑大于5cm。

  光纖余量是主要用于測溫系統定位,且方便后期維修所采用的一種措施。其設置場景主要有:首端(即測溫主機處)應設置光纖余量段來實現首端顯式定位;尾端(即每組電解槽第15槽后)應設置光纖余量段來實現終端顯式定位;每隔100m從橋架跳轉至電解槽時等均應設置一個光纖余量段。

  余量段設置要點:余量段長度一般為5~10m;一般使用3~4個尼龍扎帶綁扎成環狀;需牢靠固定并保證有較大的彎曲半徑。

  3.5 、測溫精度驗證

  紫金銅業120槽分布式光纖測溫系統先選取5-78的第1至30槽的進液口進行安裝調試并驗證系統通訊的穩定性、軟件后臺的可靠性及測溫精度是否滿足要求。現工藝生產要求電解槽中電解液溫度需控制在63.5℃,分布式光纖自動測溫后臺顯示數值和人工采用水銀溫度計測溫數值對比情況如表1所示。由表1對比數據可見,以水銀溫度計為基準,分布式光纖測溫數值最大偏差0.4℃,滿足紫金銅業工藝生產要求的測溫精度和控制精度要求。

  表1 測溫數據對比表
表1 測溫數據對比表

  4、 結語

  1)分布式光纖測溫系統所用光纖傳感器本身不帶電,本征安全,且不受電解槽強磁場影響,所以能長期穩定工作。

  2)現場傳感器為一根3~4mm的光纖,安裝施工簡單,維護成本低,為該項目特殊定制的耐高溫耐腐蝕光纖,壽命長且滿足紫金銅業測溫精度要求。

  3)該項目專用后臺軟件能直觀顯示每槽電解液進液和出液溫度,可實現溫度的在線監測、預警、報表、歷史曲線記錄等功能,并間接反映管道堵塞、槽子漏液、板換故障等問題。

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    林福坤.分布式光纖在銅電解測溫中的應用實踐[J].有色金屬(冶煉部分),2020(02):36-40.
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