一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高炉热风炉内衬侵蚀建模技术领域，特别基于分布式光纤温度传感技 术和热风炉内衬及炉壳传热建模技术，主要完成高炉热风炉内衬侵蚀模型的建立。
【背景技术】
[0002] 随着我国节能减排政策的推进及落后产能淘汰进程的加快，高炉大型化及其冶炼 强度的提高是现代化高炉发展的主要趋势，热风炉是高炉主要附属设备之一。它将鼓风机 送来的鼓风（约180°c)进行升温（加热到1200°C~1250Γ)，并按高炉需要的风温稳定 连续地供给高炉。高炉使用热风使炉况改善，并且热风带入的大量显热替代了作为发热剂 的部分焦炭，从而增产、降焦、提高生铁质量和降低生铁成本。不断提高鼓风温度是保证高 炉强化、降低焦比的重要措施。
[0003] 风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行程的运动因素，风在热风炉 内进行周期性的聚集和排出而使热风炉内衬承受复杂的物理破坏和化学侵蚀，如果不及时 对内衬砌体进行修复，长期高温运行会使炉壳填料损坏，发生窜火，造成炉壳烧红、漏风，甚 至发生炉壳烧穿。这不仅严重地影响生产，而且会造成严重的经济损失，甚至直接导致人员 伤亡。对热风炉炉体热状态的有效监测是减小热风炉内衬侵蚀和避免热风炉事故发生的前 提，目前主要采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测，红外热成像法存在以下无 法克服的缺陷：
[0004] (1)测量结果容易受空气能见度、被测目标与物镜的距离、电磁干扰、环境温度等 的影响：采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测，从其输出电压与被测温度场的 函数关系可看出，含有距离d，环境温度Te及目标发射率B等因素的影响。高炉热风炉处在 高炉炉体附近，空气粉尘浓度高且浓度随天气的变化而变化，物镜会受到粉尘的遮断而无 法准确测量。因而采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测的结果不准确，极有可 能造成误诊断。
[0005] (2)成本高：一般一座高炉配3~4座热风炉且高炉热风炉的体积庞大（大于1000 立方米），所以要选用价格昂贵的高分辨率红外热像仪机芯，仅一片640X480的FILR红外 非制冷焦平面机芯T610的市场价就高达3万美元，再加上配套的分布式光纤传感器、嵌入 式设备以及上位机等，所有的成本加起来近30万元，如此昂贵的成本，很不利于该技术的 推广和使用。
[0006] (3)无法在线测量：高炉热风炉处在高炉炉体附近，处在强磁场、腐蚀性气体、粉 尘浓度大的环境中，并且长期日晒雨淋。在这样恶劣的环境下，红外热成像系统无法长期 稳定工作，济南钢铁厂炼铁分厂3#高炉10号热风炉、8号热风炉在1985年3月份安装了 AGA680热像仪，仅10天，热像仪的目镜就覆盖了很厚的粉尘，导致系统可视区域一片漆黑。 因而采用红外热成像法对热风炉炉体热状态只能进行一次性监测，无法长期在线监测。
[0007] 受以上缺陷的制约，采用红外热成像法无法对热风炉炉况进行准确的分析。为实 现对热风炉炉体热状态的有效监测，考虑采用建立侵蚀模型的方法对热风炉内衬侵蚀状况 进行定量化预测。侵蚀模型的应用能准确预测出热风炉侵蚀的位置，但在炼铁领域，侵蚀模 型主要用于对高炉内衬受高温铁水侵蚀程度进行分析，而从未将其用于研究热风炉的侵蚀 状况，其原因主要有：
[0008] (1)尚不存在对热风炉炉体温度的有效检测方法，从而无法验证所建的侵蚀模型 是否正确。高炉设计之初就在高炉炉壳上预留了多个测量内衬温度的热电偶安装孔，在开 炉前，将热电偶埋入内衬。通过传热微分方程算出热电偶安装所在位置的温度与热电偶实 际检测到的温度对比即可验证高炉侵蚀模型是否准确。而现有热风炉特别是已经开炉的热 风炉无法像高炉一样在内衬埋入测温热电偶，所以无法将高炉侵蚀模型直接用于热风炉的 状态监测。
[0009] (2)由于热风炉不能像高炉一样在内衬埋入热电偶检测温度来验证热风炉侵蚀模 型的准确性，所以只能在热风炉炉壳表面设置一定数量的温度传感器来验证，由于炉壳被 设置为绝热边界条件，所以要测出炉壳与空气对流换热之前的温度才能对热风炉侵蚀模型 的准确性进行验证。而采用红外热成像法无法对炉壳表面温度做准确测量，从而无法对所 建立的热风炉内衬侵蚀模型的准确性进行验证。
[0010] 光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体 积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统 的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任 务。除了以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，光纤传感技术用于温度测量还具有响应 快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。
[0011] 经检索，利用光纤测量高炉热风炉炉壳温度的方案已有公开，如中国专利号 ZL201420450077. 4,授权公告日为2014年12月31日，发明创造名称为：一种应用于高炉 热风炉的光纤测温装置；该申请案包括光缆，具有双向耦合器；测温处理器，包括波分复用 器、激光器、探测器、信号放大器、数据采集器、第一处理芯片、数字量输出电路和数模转换 器，其中，所述波分复用器的第一端分别连接所述光缆的两端，第二端电性连接所述激光 器，以及第三端电性连接所述探测器的输入端，所述探测器的输出端与所述信号放大器的 输入端电性连接，所述信号放大器的输出端与所述数据采集器的输入端电性连接，所述数 据采集器的输出端电性连接所述第一处理芯片，所述第一处理芯片分别电性连接所述数模 转换器和所述数字量输出电路。该申请案能够连续测量高炉热风炉壳体温度，但该申请案 存在：1)光纤远距离测温区失真严重，测量稳定性差；2)光纤互换性差；3)外界环境温度、 空气对流、热风炉面积及热风炉壁导热系数易对测量结果造成影响等问题，无法求出炉壳 与外界空气对流换热前的准确温度，仍需进一步改进。
【发明内容】
[0012] 1.发明要解决的技术问题
[0013] 本发明为实现对热风炉内部侵蚀状况的有效监测，提供了一种基于分布式光纤的 高炉热风炉内衬侵蚀建模系统及方法；本发明通过环绕在热风炉炉壳表面的分布式光纤对 高炉热风炉表面温度进行多点测量，由于光纤与热风炉壳体直接紧密接触，其温度测量结 果能够反映真实的热风炉炉体温度，便于对所建立的热风炉侵蚀模型的准确性进行验证， 有助于提高高炉热风炉使用寿命、降低焦比、提高高炉生产率、预防高炉热风炉烧穿等情况 的发生。
[0014] 2.技术方案
[0015] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0016] 本发明的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模系统，包括侵蚀模型求 解单元、显;^及报警模块、分布式光纤传感器和分布式光纤，所述的分布式光纤横向缠绕于 热风炉炉顶部位，该分布式光纤的始端和末端均与分布式光纤传感器相连，所述的分布式 光纤传感器通过工业以太网接口与侵蚀模型求解单元通信，分布式光纤传感器接收分布式 光纤产生的背向散射信号，进行解调提取分布式光纤上各测量点的温度值发送至侵蚀模型 求解单元，该分布式光纤传感器还与显示及报警模块电连接。
[0017] 更进一步地，所述的分布式光纤传感器包括激光发射源、光脉冲调制器、光脉冲同 步驱动电路、光纤耦合器、光路选择开关、分光器、2个光滤波器、2个光电转换和放大器、高 速数据采集卡和DSP单元；所述的DSP单元经光脉冲同步驱动电路控制光脉冲调制器，光脉 冲调制器调制激光发射源发出的激光并输送给光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光路选择 开关电连接，分布式光纤的始端和末端均与光路选择开关相连；所述的光纤耦合器还与分 光器电连接，分光器的输出端分别与第一光滤波器、第二光滤波器相连，所述的第一光滤波 器经第一光电转换和放大器与高速数据采集卡相连，所述的第二光滤波器经第二光电转换 和放大器与高速数据采集卡相连，高速数据采集卡的输出端与DSP单元的输入端相连。
[0018] 更进一步地，所述侵蚀建模系统还包括风速传感器和温度传感器，该风速传感器 和温度传感器均与分布式光纤传感器电连接，风速传感器检测热风炉外界环境风速，温度 传感器检测热风炉外界环境温度。
[0019]本发明的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，其步骤为：
[0020] 步骤一、分布式光纤传感器接收分布式光纤产生的背向散射信号，通过双端单路 解调法对接收信号进行解调，提取分布式光纤上各测量点的温度值；
[0021] 步骤二、分布式光纤传感器结合风速传感器、温度传感器采集的热风炉外界环境 风速、温度值，对采集到的温度数据进行补偿修正；
[0022] 步骤三、分布式光纤传感器将修正后的温度数据通过工业以太网接口发送至侵蚀 模型求解单元，并将修正后温度数据输送至显示及报警模块进行在线显示和异常报警提 示；
[0023] 步骤四、侵蚀模型求解单元采用有限元法求解热风炉炉体内侧边界实际形状及尺 寸，在求解过程中，采用虚拟绝热内外边界修正法处理热风炉内衬侵蚀模型的边界问题。
[0024] 更进一步地，步骤一所述的双端单路解调法具体过程为：
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