光纤测温系统在铝电解槽漏槽问题上的早期探测应用研究

夏海波

（贵阳铝镁设计研究院有限公司电气工程分院电二组，贵州 贵阳 550000）

0 引 言

电解槽作为铝电解厂的重要支柱设备，一旦出现漏槽，就需要停工大修，造成重大损失。因此，为了能早期探测到电解槽漏槽问题，及时采取措施，避免损失进一步扩大，国内漏槽的早期探测采用人工测温或热电偶测温的方式来判断电解槽是否发生漏槽现象。采用人工测温耗时耗力、效率低下、处置反应慢且容易出错，高磁场环境对人的健康产生很大不利影响。热电偶测温方式会出现使用一段时间后失效、使用寿命短，而且需要敷设大量电缆，施工难度大、维护成本高的问题。收集电解槽的侧部钢板的实时温度参数对铝电解工艺参数的调整、温度场和磁场的分析等都有重大意义。因此，需要一种更加可靠、方便的测温方式对电解槽的侧部钢板或阴极钢棒的温度进行实时监测。分布式光纤测温系统（Distributed Temperature Sensing，DTS）可以实现电解槽的温度的实时监测和报警，本文主要对DTS 在铝电解槽漏槽的早期探测上进行了探讨。

1 光纤测温系统

1.1 分布式光纤测温原理

分布式光纤测温系统由光纤测温设备、感温光纤光缆、测量软件及其他附属设备构成。系统根据光在光纤中传输时产生的自发拉曼（Raman）散射和光时域反射（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）原理获取空间温度分布信息。

光纤中注入一定宽度和能量的激光脉冲时，激光在向前传输，也不断产生后向拉曼散射光波，这些散射光波的强度与光纤散射点所在的温度有关。后向拉曼散射光波的温度效应：一部分光能转换热振动时，会发出比光源波长长的光，称为Stokes 光；一部分热振动转换为光能，会发出一个比光源波长短的光，称为Anti-Stokes 光。拉曼散射光由这2 种不同波长的光组成，其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定，因此拉曼散射光的强度与温度有关。DTS 原理如图1 所示。

图1 DTS 测温原理

后向拉曼散射光波经过滤波、光电转换、模拟放大以及模数转换后，送入信号处理器，系统能将温度信息实时地解调出来，并且根据光波在光纤中的传输速度和后向光回波的时间，对测量点处的温度信息进行定位[6]。

1.2 分布式光纤测温功能特点

（1）实时在线测温。由于检测点连续，检测范围大，既可测线又可测点，对各种工况的实时在线测温及早期预警实现较为容易。

（2）安全及抗干扰能力强。光纤可作为传感器，具有防腐蚀、防爆、防燃烧、耐强电磁场以及耐辐射的优点，本质安全。同时，抗干扰能力强，无击穿问题。

（3）可靠性较强。现场只有敷设的光纤或光缆，无电子设备，系统可靠性较强。

（4）调整报警阈值。根据现场情况可调整过冷或过热的报警阈值。

（5）数据可视化。测量部位的具体名称和位置能够在显示器可视化显示，同时实时连续地对测量部位进行温度监测。

（6）智能分析。该系统对被监测的区域和点位的故障趋势进行实时智能分析，并且能准确地确定其位置。

（7）保存数据并方便查询。系统可以保存历史数据，也可以随时对其查询，为分析事故趋势提供可靠依据，同时可以积累宝贵经验。

（8）信息共享。系统采用局域网络通信接口，可以接入企业的局域网或其他的网络系统，实现信息共享。由于电解工艺专业需要实时采集电解槽侧部钢板温度，可以尝试采用此测温系统。

2 光纤测温系统（DTS）在铝电解槽漏槽报警中的应用分析

2.1 电解槽漏槽方式和原因

2.1.1 底部漏槽（漏槽部位为阴极钢棒）

阴极炭块或人造伸腿发生破损，导致阴极炭块或人造伸腿与钢棒之间形成通道，铝液与钢棒发生电化学反应，导致钢棒不断熔化，如果钢棒熔化到窗口则会形成漏槽。发生底部漏槽的最根本现象是阴极钢棒的温度显著升高，甚至能超过500 ℃，因此判断是否会发生底部漏槽的主要因素就是阴极钢棒的温度是否显著升高[1-3]。

2.1.2 侧部漏槽

电解槽侧部未形成炉帮，侧部炭块与电解质直接接触不断被侵蚀，侧部炭块被侵蚀完后，电解质与侧部钢板直接接触就形成侧部漏槽。侧部漏槽的前期，经常出现原铝中硅含量升高，最根本的现象是破损部位的侧部钢板温度异常升高。因为发生漏槽时，铝液或电解质会直接接触侧部钢板，破损部位对应的侧部钢板温度会显著升高，温度往往要达到500 ℃甚至更高，所以判断是否会发生侧部漏槽的主要因素就是侧部钢板的温度是否显著升高[4,5]。

2.2 光纤测温系统用于电解槽测温的试验实例及分析

重庆某电铝有限公司电解二车间的1097 号电解槽包含96 个阴极电极，本次试验旨在通过DT 对阴极的实时温度进行监测。测温对象温度高、现场存在强磁场环境，因此对测量系统提出了较高的要求[6]。

DTS 作为先进的分布式光纤测温装置，以光纤作为传感和传输的媒介，相对于传统的电子传感器，它具有很大的优势，如高抗电磁干扰性、耐高压高温、耐腐蚀、无源以及本质安全等，特别适合应用于该试验现场。

本次试验共完成了1097 号电解槽全部96 个点的温度实时监测。经过1 个月的实时监测，试验已经在功能性、完整性、可靠性等方面达到了预期效果，基本满足了对阴极温度实时监测的要求。

2.2.1 系统运行状况

截至2016 年12 月6 日，系统已连续稳定运行32 天，期间数据上传正常，测温点装置稳定可靠，所有96 个测温点温度连续上传，实现了对1097 号电解槽24 h 不间断在线监测。

2.2.2 软件运行状况及改进后效果

（1）温度数据实时展示。系统将每个阴极点对应的温度数据以文字和柱形图2 种方式展现出来，用户可方便直观地观测每个阴极点的环境情况。

图2 B1 点人工数据与DTS 测温数据对比图

（2）单点数据悬浮窗展示。鼠标移入想观察的阴极点指示灯，便会有对应的曲线悬浮窗弹出。鼠标移出，悬浮窗消失。因此，用户可随时了解每个阴极点的变化趋势。

（3）报警功能。系统通过高温和温差2 种方式判断阴极点的工作情况，当有危害发生时系统能够第一时间监测到并发出告警信息。系统支持界面指示灯和语音2 种报警方式。温度正常时指示灯为绿色；温度过高或升温速度快达到二级报警条件时指示灯变为黄色，并语音播报二级报警点位置；达到一级报警条件时指示灯变为红色，并语音播报一级报警点位置。

（4）单点历史回放。点击主界面单点历史回放按钮，系统弹出DTS 单点数据历史回放界面，但不影响主界面正常运行报警判断等。用户选择好要查看的开始日期、结束日期和阴极点后，点击查询按钮，即可在右侧图标区观看相应的数据曲线。

2.2.3 历史数据统计及分析

由重庆某电铝有限公司负责每天手工记录6 次1097 电解槽的阴极温度，记录方法为红外点温枪，与DTS 测温数据进行对比。B1 点人工数据与DTS 测温数据对比图、B2点人工数据与DTS测温数据对比图、B9点人工数据与DTS测温数据对比图结果如图2、图3、图4 所示。

图3 B2 点人工数据与DTS 测温数据对比图

图4 B9 点人工数据与DTS 测温数据对比图

从图2 数据结果对比可以看出，手工记录数据在第39 点前后出现了剧烈波动，波动幅度超过50 ℃，而这种波动明显不符合事实规律，存在较大概率的记录误差。对比图3 和图4 数据结果可以看出，手工记录温度和DTS 测温的温度变化趋势基本保持一致性，但是DTS 测温变化更加平缓和稳定。由此表明，DTS实时监测电解槽阴极钢棒温度变化达到了预期效果，基本满足了对阴极温度在线实时监测的要求，该方案可行。

3 建 议

在试验过程中，由于电解槽已施工完毕，现场安装测温光缆难度增大，且容易脱落，建议在施工图设计期间与工艺专业配合，为测温光缆预留安装空间。本次试验只是探测了电解槽阴极钢棒温度来提前预警电解槽是否漏槽，实用功能比较单一，没有明显的经济效益，而且投资成本较大。通过咨询了解，测温试验后重庆某电铝有限公司未采用该测温方式，主要原因是投资成本较大、没有明显的经济效益。通过和工艺专业沟通交流，收集电解槽侧部钢板的实时温度参数不仅可以探测电解槽是否发生侧部漏槽，而且对电解工艺参数的调整、温度场和磁场的分析等都有重大意义。因此，建议仪表专业与工艺专业和设备厂家配合，在施工安装、测点部位和降低成本等方面共同寻求更加合理的探测方案。

4 结 论

通过对电解槽阴极钢棒温度的监测试验，并完成了人工记录数据和DTS 测温数据的对比分析，对比结果显示2 种测温方式在测温大趋势上保持了很高的一致性，不同的是人工测温数据出现了剧烈波动，DTS 测温变化更加平缓和稳定，这也是仪器设备相对人工测量的优势所在。经过1 个月的实时监测，DTS测温达到了预期效果，基本满足了对阴极温度在线实时监测的要求，由DTS 测温系统实时监测电解槽阴极钢棒温度变化来提前预警电解槽是否漏槽的方案具有一定的应用价值。