一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的装置以及监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测装置，具体涉及一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的装置和方法，属于(炉缸)的缺陷提出的在线监测方法，涉及化工和冶金设备的安全监测和诊断技术领域。

背景技术

在冶金和化工领域内，有很多工艺装置内部盛有高温的液体或气体反应物/反应产物，这些高温反应炉的炉壁通常要承受较高的温度或压力，安全运行至关重要。以炼铁炉为例，按照工艺要求，正常生产过程中炉内的铁水温度都在1000℃以上，一旦炉壁(炉缸)失效就会造成重大安全事故和巨大的经济损失，同时会带来不良的社会影响。尽管在炉缸的设计过程中已经考虑了炉缸结构和材料的耐受力，并采取了针对炉缸的加固和冷却措施，但在实际运行过程中，由于操作工况的变化、高温流体(如铁水)的冲刷、振动和应力等因素的影响，会导致炉缸型面显著偏离设计条件，甚至产生裂隙(或气隙)，成为重大安全隐患。因此，客观上需要对炉缸缺陷监测和预报的方法。

关于高温反应炉炉壁缺陷监测一般是指两个方面的问题，其一是对炉壁(炉缸)表面被高温液体或气体侵蚀而导致的炉缸型面的改变，如局部变薄导致结构刚度和强度的下降，其二是由于振动、应力以及材料缺陷等因素而导致的贯通性或非贯通性的裂隙(或气隙)。前者是相对缓慢的过程，并且由于可能会由于液体的凝固或气体中的固体粉末附着而恢复原有的型面，而后者通常是永久性的缺陷，一旦产生就不会恢复，当出现某些临界条件(应力或温度)时，该缺陷可能会导致瞬间的炉壁(炉缸)失效。

已有若干可以用于炉壁(炉缸)缺陷检测的方法和技术，例如直接探测炉缸缺陷的超声波探伤技术、射线探伤技术，以及通过表面红外热像图的间接探伤技术、基于应力或应变的间接探伤技术等。这些技术中，有些因原理、安全(如射线法)和成本等原因，难以实现在线监测，有些则因长期信号漂移(如应变法)，无法适应长期监测的需要。尤其对于大型高温反应炉，温度超出了某些传感器的耐受能力或工作范围，在现实中无法实现。

由于温度是高温反应炉的重要操作参数，设计和建造时会按照某些规范的要求在炉壁(炉缸)内预埋耐高温的热电偶温度传感器来监测炉缸的或炉内的温度。例如炼铁高炉除在炉缸和炉底等关键部位都装有温度传感器外，在炉缸的壁面会安装一定数量的水冷壁以控制炉缸的散热量，同时冷却水的温度传感器和流量传感器也能够在一定程度上反应出炉缸内部某些局部温度。例如，在炼铁行业，是通过温度的连续监测数据判断炉缸的侵蚀情况。但是这种方法目前仅限于从温度水平上间接判断炉缸的型面(1150℃等温面被认为炉缸的型面)，无法从温度本身区分究竟是炉缸侵蚀还是炉缸裂隙(气隙)造成的影响。

目前还没有公认的成熟方法能够用于高温反应炉炉壁(炉缸)缺陷的在线监测方法和装置或系统。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的装置，该方案提供一种根据炉壁(炉缸)内部埋设的多个温度传感器信号，对炉壁(炉缸)的缺陷进行在线监测的方法和装置，该方案将显著提高炉缸的安全预警的准确性，提高高炉的产量和经济性；装置制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常见的器件，极易获得。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，

根据热传导理论，在环境条件稳定的情况下，炉壁(炉缸)内测温点上的温度变化主要由炉内的高温介质温度变化引起，因为材料热的热阻和热惯性的影响，炉缸内表面的温度变化信号传递到炉壁(炉缸)内部时，会有一定的幅度上的衰减，衰减的幅度温度观测点与表面的距离有关以及炉壁材料的热导率及热扩散系数有关。当已知炉壁材料的热物性时，衰减的幅度取决于温度观测点与炉缸内表面的距离。在炉壁(炉缸)没有缺陷时，与内表面等距的温度观测点的温度波动幅度是相同的，当与高温介质接触的炉壁(炉缸)被侵蚀或出现贯通性裂隙等缺陷时，由于缺陷部分的表面与高温流体与温度观测点的距离会不同程度的减小，使得附近的温度传感器的温度波动幅度增加，而当炉壁(炉缸)内部出现非贯通性裂隙(气隙)时，虽然高温流体不能侵入裂隙，但由于裂隙的存在导致炉壁(炉缸)局部热阻的增加(等效热导率减小)，而导致温度波动幅度相对于无裂隙时进一步衰减。

实施方案为，在炉壁(炉缸)高度方向上选择L个水平断面，在每个水平断面划分M

一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的装置，其特征在于，所述装置包括温度传感器阵列、采集箱、温度信号转换器、总线信号转换器以及数据采集处理器，所述装置还包括至少一支安装在参考温度测点上用于表征炉内流体温度的温度传感器；

其中温度传感器阵列设置在至少一组敷设在炉壁(炉缸)内表面和外表面之间同一水平断面内温度观测点上；所述温度传感器阵列按照与内壁面至少两条等距线上等距离或不等距离布置；

所述温度信号转换器与温度传感器相连接，所述温度信号转换器、总线信号转换器安装在数据采集箱内；所述具有串行通信接口及人机交互功能的数据采集处理器连接总线信号转换器。根据一定长度、随时间滑动的时间窗口内的炉壁(炉缸)内各测温点的温度波动幅度与高温流体温度的波幅比在空间的分布判定炉壁(炉缸)缺陷的存在和形式。当炉壁(炉缸)水平断面上以内表面同一等距线上的某个测温点温度波幅比与该等距线的平均波幅比出现较大负偏差的情况下，可判定该测点附近的炉壁(炉缸)出现了非贯通性裂隙，导致该处炉壁(炉缸)的导热热阻增大；当相邻等距线上的温度波幅比出现内侧值小于外侧值的反常分布时，则判定为出现了贯通性裂隙，且高温介质浸入了裂隙；当相邻等距线上的温度波幅比出现内侧值小于外侧值的反常分布时，说明有可能出现了贯通性裂隙，且高温介质浸入了裂隙。本发明提出的高温反应炉炉壁(炉缸)缺陷的在线监测方法和装置，系统结构简捷，算法简单，测试结果能直观反映炉壁(炉缸)缺陷的发生和发展情况，并且由于采用的是一段时间窗口内的温度数据，避免了测温随机误差造成的影响，数据更加稳定可靠；装置制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常见的器件，极易获得。

本发明所述的一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的方法在上述装置上实现，其特征在于，包括下列步骤：

1.)在炉壁(炉缸)高度方向上选择L个水平断面，在每个水平断面划分M

2.)安装至少一支测量或表征炉内高温介质温度的温度传感器，在某个特定时刻τ

3.)分别将测温阵列中的传感器及参考温度传感器与温度信号转换器及总线转换器采集器相连接，总线转换器与具有人机交互能力的数据处理器相连接，构成可以连续在线监测的测温网络；

4.)从数据处理器的人机交互界面输入采样间隔Δτ、采样时间窗口长度τ

5.)将测得的各点温度由数据处理器进行处理，在给定的时间窗口计算各点温度变化的方差表征来各测量点和参考点温度波动的幅度A

(a)假设在某个测试窗口内测得的各测点和参考点温度时间序列分别为

(b)计算窗口内出各测点温度方差与参考点温度的波幅比σ

(c)对每个水平断面重复上述步骤，得到所有测温点波幅比σ

(d)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(e)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(f)当相邻等距线上的温度波幅比σ

(g)经过一个时间步长后，将时间窗口向后移动一个时间步长，重复上述计算步骤，实现炉壁(炉缸)缺陷的在线监测。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案提出的高温反应炉炉壁(炉缸)缺陷的在线监测方法和装置，系统结构简捷，算法简单，测试结果能直观反映炉壁(炉缸)缺陷的发生和发展情况，并且由于采用的是一段时间窗口内的温度数据，避免了测温随机误差造成的影响，数据更加稳定可靠；依据该方法实现的高温反应炉炉壁(炉缸)缺陷的在线监测装置应用于炼铁高炉，将显著提高炉缸的安全预警的准确性，提高高炉的产量和经济性；装置制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常见的器件，极易获得。

附图说明

图1、图2是本发明的装置原理示意图。

图中：1炉壁内表面 2炉壁外表面 3炉壁内测温点 4参考测温点 5参考点温度传感器 6炉壁内温度传感器阵列 7温度数据采集箱 8温度信号转换器 9总线信号转换器 10数据采集处理器。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1、图2，一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的装置，所述装置包括温度传感器阵列6、采集箱7、温度信号转换器8、总线信号转换器9以及数据采集处理器10，所述装置还包括至少一支安装在参考温度测点4上用于表征炉内流体温度的温度传感器5；

其中温度传感器阵列6设置在至少一组敷设在炉壁(炉缸)内表面1和外表面2之间同一水平断面内温度观测点3上；所述温度传感器阵列6按照与内壁面至少两条等距线上等距离或不等距离布置；

所述温度信号转换器8与温度传感器5相连接，所述温度信号转换器8、总线信号转换器9安装在数据采集箱7内；所述具有串行通信接口及人机交互功能的数据采集处理器10连接总线信号转换器9。

实施例2：参见图1、图2，本发明所述的一种高温反应炉炉壁缺陷在线监测的方法在上述装置上实现，包括下列步骤：

1.)在炉壁(炉缸)高度方向上选择L个水平断面，在每个水平断面划分M

2.)安装至少一支测量或表征炉内高温介质温度的温度传感器(5)，在某个特定时刻τ

3.)分别将测温阵列中的传感器(6)及参考温度传感器(5)与温度信号转换器(8)及总线转换器(9)采集器相连接，总线转换器(9)与具有人机交互能力的数据处理器(10)相连接，构成可以连续在线监测的测温网络；

4.)从数据处理器的人机交互界面输入采样间隔Δτ、采样时间窗口长度τ

5.)将测得的各点温度由数据处理器进行处理，在给定的时间窗口计算各点温度变化的方差表征来各测量点和参考点温度波动的幅度A

(h)假设在某个测试窗口内测得的各测点和参考点温度时间序列分别为

(i)计算窗口内出各测点温度方差与参考点温度的波幅比σ

(j)对每个水平断面重复上述步骤，得到所有测温点波幅比σ

(k)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(l)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(m)当相邻等距线上的温度波幅比σ

(n)经过一个时间步长后，将时间窗口向后移动一个时间步长，重复上述计算步骤，实现炉壁(炉缸)缺陷的在线监测。

应用实施例1：典型的系统实施方案之一如图1所示，采用铠装K型热电偶作为测点温度传感器6和参考点温度传感器5，采用同分度号的补偿导线作为引线将热电偶信号接入数据采集器箱体7，箱体内7的温度信号转换器8可以根据热电偶温度传感器的数量以8为基数采用若干个泓格公司的ICP-7018分布式热电偶数据采集模块，模块之间通过屏蔽双绞线串行连接，构成RS-485总线，采用ICP-7520模块作为总线转换器9，与带有触摸屏的嵌入式工控机LS-390Z(10)上的PC上RS-232串行口连接，构成温度数据连续采集系统；温度数据采集箱7可以采用金属钣金制作，工业PC的软件可以采用C语言编写，同时负责数据采集、存储、显示，并实现所提出的数据处理算法。可用软件配合触摸屏或键盘实现人机交互，设定采样时间间隔、时间窗口长度和下达启动停止指令等。

应用实施例2：典型的系统实施方案之二如图1所示，采用铠装J型热电偶作为测点温度传感器6和参考点温度传感器5，采用同分度号的补偿导线作为引线将热电偶信号接入数据采集器箱体7，箱体内7的温度信号转换器8，可以根据热电偶温度传感器的数量以8为基数采用若干个研华公司的ADAM-4018分布式热电偶数据采集模块，模块之间通过屏蔽双绞线串行连接，构成RS-485总线，采用ADAM-4520模块作为总线转换器9，与带有触摸屏的嵌入式工控机PPC-3100S(10)上的PC上RS-232串行口连接，构成温度数据连续采集系统；温度数据采集箱7可以采用工程塑料制作，工业PC的软件可以采用C语言编写，同时负责数据采集、存储、显示，并实现所提出的数据处理算法。可用软件配合触摸屏或键盘实现人机交互，设定采样时间间隔、时间窗口长度和下达启动停止指令等。

应用实施例3：典型的系统实施方案之三如图1所示，采用铠装B型热电偶作为测点温度传感器6和参考点温度传感器5，采用同分度号的补偿导线作为引线将热电偶信号接入数据采集器箱体7，箱体内7的温度信号转换器8，可以根据热电偶温度传感器的数量采用若干个基于意法半导体的STM32F013C8T6芯片、美信公司的MAX31855芯片和MAX485芯片定制的分布式热电偶数据采集模块，模块之间通过屏蔽双绞线串行连接，构成RS-485总线，采用ADAM-4502作为总线转换器9，与带有触摸屏的嵌入式工控机PPC-3100S(10)上的RS-232串行口连接，构成温度数据连续采集系统；温度数据采集箱7可以采用工程塑料制作，工业PC的软件可以采用C语言编写，同时负责数据采集、存储、显示，并实现所提出的数据处理算法。可用软件配合触摸屏或键盘实现人机交互，设定采样时间间隔、时间窗口长度和下达启动停止指令等。

在使用本发明的装置测量过程中，按照包括下列步骤：

1.)在炉壁(炉缸)高度方向上选择L个水平断面，在每个水平断面划分M

2.)安装至少一支测量或表征炉内高温介质温度的温度传感器(5)，在某个特定时刻τ

3.)分别将测温阵列中的传感器(6)及参考温度传感器(5)与温度信号转换器(8)及总线转换器(9)采集器相连接，总线转换器(9)与具有人机交互能力的数据处理器(10)相连接，构成可以连续在线监测的测温网络；

4.)从数据处理器的人机交互界面输入采样间隔Δτ(典型值为1-5分钟)、采样时间窗口长度τ

5.)将测得的各点温度由数据处理器进行处理，在给定的时间窗口计算各点温度变化的方差表征来各测量点和参考点温度波动的幅度A

(a)假设在某个测试窗口内测得的各测点和参考点温度时间序列分别为

(b)计算窗口内出各测点温度方差与参考点温度的波幅比σ

(c)对每个水平断面重复上述步骤，得到所有测温点波幅比σ

(d)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(e)当同一等距线上某个测温点温度波幅比σ

(f)当相邻等距线上的温度波幅比σ

(g)经过一个时间步长后，将时间窗口向后移动一个时间步长，重复上述计算步骤，从而实现炉壁(炉缸)缺陷的在线监测。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。