CN102853937B

CN102853937B - 氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置

Info

Publication number: CN102853937B
Application number: CN201210339706.1A
Authority: CN
Inventors: 戈尔谷; 黄应龙
Original assignee: CINF Engineering Corp Ltd
Current assignee: CINF Engineering Corp Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102853937A

Abstract

本发明公开了一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置。为了对压煮或管道溶出沿程进行高精度的温度测量，所述测定温度的装置包括固定在氧化铝工艺管外侧的感温光缆，所述感温光缆与氧化铝工艺管之间设有导热层，该感温光缆外侧设有绝热层；所述感温光缆的结构为，包括单芯或多模的石英光纤，设在单芯或多模的石英光纤周向外侧的碳纳米涂层，设在碳纳米涂层周向外侧的碳纤维填料层，设在碳纤维填料层周向外侧的不锈钢软管层。本发明可以几乎接近真实地反映熔出管内料浆升温、溶出、蒸发降温的全过程系统温度曲线。它有利于这一核心工艺系统整体控制的实现。

Description

氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置

技术领域

本发明涉及氧化铝厂熔出工艺测温设备领域，具体为一种氧化铝厂熔出工艺光缆系统测定料浆管道表面温度的装置。

背景技术

铝土矿压煮或管道化熔出是拜尔法生产氧化铝过程中最重要的工序之一，它直接影响着氧化铝回收率、循环效率、种分分解率、碱耗、赤泥沉降分离性能等工艺技术经济指标，对氧化铝生产成本起着决定性作用。

氧化铝厂的原料液经隔膜泵打入压煮或管道化熔出器，经过与过热熔出液的热交换段、乏汽预热段（有8级）和熔盐加热段（有4级）加热到规定温度，再经停留段反应后，去自蒸发器，经8级自蒸发，便得到铝酸钠溶液（粗液）。其中乏汽是由各级自蒸发器降温过程所产生的蒸汽，熔盐加热段热熔盐由熔盐炉提供，并形成循环。

压煮或管道化熔出器高压熔出的各级温度、压力是熔出工艺的关键参数，对熔出率影响很大。因为工艺是连续过程，料浆温度高，腐蚀性强，易结疤，插入的测温热电阻寿命短，导致停产事故。现普遍采用贴管外壁的表面热电阻，以求解决这个问题，但是这种点式测温，虽然基本上满足过程检测要求，但运行中有管外保温层，内部引出信号线受不了高温，常有损坏，而各热交换级，其各级料浆及自蒸发器排汽的前后各参数都要互相协调，只要有1点或几点温度失效，系统过程就难以使料浆按照理想的沿程升温、降温曲线的温度，在一定时间下进行熔出，铝酸钠熔出率降低。另外，对熔出流程而言，30多点测温太少，难以满足全流程系统温度精细测控的要求及与多点压力、液位、蒸汽控制阀的配合。因此，希望有一种既有定点、又有系统连续相关稳定的测温方法，满足该过程DCS控制过程对检测的要求。从工艺测温技术以往的点式测温阶段进步到满足工艺系统连续同时的、系统相关测温的阶段，它有利于这一核心工艺系统整体控制的实现。

目前消防环境用测温光缆技术，已普遍应用于消防报警。光缆性能要求见国家标准GB/T 21197-2007。

·该缆最高耐温250℃，能适合表面180-200℃温度；

·主要用于多点报警，其反映时间速率及定点最小距离要求不高；

·在常用环境温度下，单独或与电缆绑扎一起敷设；

分布式光纤温度传感器系统原理：分布式光纤温度传感器（DTS)作为线型光纤感温探测器的一种，主要利用测温点Raman光波反射来测温并通过光时域反射（OTDR）技术来对温度点进行定位，具有实时，多点连续，精确定位，无盲区，系统分区容量大，综合成本低的优点。

将窄的激光脉冲通过双向耦合器注入光纤中，光纤中产生的背向散射光（瑞利散射和拉曼散射）和前向斯托克斯光波也通过该双向耦合器耦合到光电探测器中，后向拉曼光波强度与前向斯托克斯光波强度之比值与该点感受温度相关，通过光缆厂测试标定，可得到该比值与该点感温度相关系数。

时间的变化对应着光纤距离的不同，也就是说，光探测器探测得到的光功率是光纤位置的函数，其测点位置由背向散射回到入射端所需的时间相应于光脉冲在光纤中所走的距离 L =νt /2 确定。随着L的变化，探测器就实现了对沿程光纤分布的待测点的温度测量。

在消防报警、电缆过热、油罐过热等领域已普遍应用了≤250℃测温光缆系统进行温度测距超限报警，对社会安全防范起了重要作用。它预示着工艺过程从分散的点式测温方法，进入了整体系统测温的阶段，但上述消防测温光缆系统，由于它仅用于环境测温报警，测温精度及对温度变化响应速度要求不高，采样速率也不高。

而工业上用于工艺流程、炉、机的多点系统测温用途广，需要开发更高的测温度的测温光缆系统，它对多点测温精度、对温度变化响应速度及采样处理速度要求更高。因此需要从测温光缆的光纤、光纤涂层、填充料、外护套等具有抗相应温度下恶劣环境的材质，导热快及抗强拉力的结构特征，还要有更稳定的光学系统和数据处理系统。

现有≤250℃的测温光缆的填充层一般为氧化镁填料层，导热系数低，所以感温效果不好，且为了达到抗拉力的效果，一般会在外层加上一层护套层，使得测温光缆具有一定的抗拉强度，但是护套层也会影响传热。

发明内容

为了对压煮或管道溶出沿程进行高精度的温度测量，本发明旨在提供一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，该装置采用耐高温500℃的感温光缆，沿料浆管外壁敷设，用不锈钢管箍式传温夹块（管箍宽30mm，厚4mm，外侧面涂隔热层，内侧涂石墨导热层），适度夹紧光纤缆，减少该点光纤缆感温的反应时间，更接近地反映熔出管内料浆升温、溶出、蒸发降温的全过程系统温度曲线。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其结构特点是，包括通过测温点管箍固定在氧化铝工艺管外侧的感温光缆，所述感温光缆与氧化铝工艺管之间设有导热层，该感温光缆外侧设有绝热层；所述感温光缆的结构为，包括单芯或多模的石英光纤，设在单芯或多模的石英光纤周向外侧的碳纳米涂层，设在碳纳米涂层周向外侧的抗敷设拉力的碳纤维填料层，设在碳纤维填料层周向外侧的不锈钢软管层。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

为提高测量温度的真实度，所述感温光缆通过测温点管箍固定在氧化铝工艺管上，且测温点管箍设置在感温光缆的光缆各测温点处。

为了进一步提高测温点温度与工艺管内温度的接近度，所述绝热层外侧优选设有保温层；该保温层更优选由石棉或蛭石保温套制成。所述绝热层优选由氧化铝粉制成的。

为了便于确定测温点处的光缆长度作为数据处理基础数据，所述不锈钢软管层上标有缆长标尺分度标记。

本发明所述测温光缆的直径优选为3mm-5mm。

所述导热层优选为石墨层。

本发明所述管箍宽25mm-35mm，厚3mm-5mm。

藉由上述结构，本发明的表面测温设备结构与管内直接接触测温偏差，小于测温范围1%，其温变反应时间等于或略大于直接接触测温反应时间。

本发明测温装置除500℃高温光缆外，其余各部件均为现有技术的产品，多个现有技术的集合产生质的飞跃，满足了氧化铝熔出工艺特殊的多点系统测温要求。

本发明沿程温度曲线是溶出工序协调控制迫切需要的完整、稳定的曲线，它与工艺试验得到的理想沿程温度曲线相比较，以后者为基准，就较易的对稳定组分的料浆量及偶合的各级自蒸发器乏气压力、进熔出管道的汽压力进行系统协调控制。由于这种温度曲线远比传统的30多点热电阻得到的温度曲线可靠、稳定、更精细、更有系统连续性，将较大提高铝酸钠溶液（粗液）的熔出率及其后各工序的技术经济指标。为熔出工序稳定监控解决了大难题。这一耐高温感温光缆用于铝熔出的测温系统技术，国内还未应用过。

溶出温度在熔盐段级，有着400℃以下的温度，因此，需用耐更高温500℃的光缆，国内厂家可供，但因为市场量小，还无正式产品，更高温的光缆其光纤材质不同，通激光时的拉曼反射光波特性不同，光学系统结构需适应这一情况。其次熔出要求通过表面测温要快速准确反映管内料浆温度，以使控制手段及时跟上，而消防对热传导的速率要求不高，不需大范围测温，只要判别是否达到报警温度就可，它们数据采集量和处理要求不同，在压煮或管道化溶出上，对精度，测温的热响应速度以及硬、软件提出了更高要求；具有适应及满足应用目标的创新性及高温感温光缆系统的进步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 氧化铝在压煮或管道熔出工序上，高温500℃的光缆测温是一种突破性的应用结合，体现了创新性和新颖性；

2. 通过对预定距离拉曼光波的搜索，沿线各温度测量一体化进行，系统测温相关性好，即可得管道化熔出沿程更理想的料浆实时温度曲线。；

3. 由于光纤测温，无电磁、接地等干扰以及电偶（阻）引线烧坏的影响，多模光纤系统易于冗余，检测系统可靠性高；

4. 维护工作环境改善，检修容易，维护工作量大减，奠定了熔出各级测温度的持续应用；

5. 工艺过程对测量的要求，把消防感温光纤缆的位式报警，提升到连续模拟量测量，响应速度加快，相应光学系统、硬、软件系统应有较大改进、升级。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明所述压煮或管道化熔出测温点配置图；

图2是本发明一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的测温原理图；

图4是本发明所述感温光缆的结构示意图。

在图中

1-激光驱动器； 2-激光器； 3-感温光缆；. 4-分光器；

5-后向拉曼光波； 6-前向stocs光波； 7-放大器； 8-信号处理器；

9-显示器； 10-DCS系统； 11-光缆各测温点； 12-工艺管；

13-测温点管箍； 14-绝热层； 15-保温层； 16-单芯或多模的石英光纤； 17-碳纳米涂层； 18-碳纤维填料层； 19-不锈钢软管层。

具体实施方式

一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，如图2所示，包括通过测温点管箍13固定在氧化铝工艺管12外侧的感温光缆3，所述感温光缆3与氧化铝工艺管12之间设有石墨导热层，该感温光缆3外侧设有由氧化铝粉制成的绝热层14；该绝热层14外侧设有由石棉或蛭石保温套制成的保温层15。所述测温点管箍13设置在感温光缆3的光缆各测温点11处。所述测温点管箍13宽30mm，厚4mm。

如图4所示，所述的测温光缆3包括由内到外依次设置的光缆内层、涂层、填料层和光缆外层；具体结构为：在单芯或多模的石英光纤16外包裹一层碳纳米涂层17，在碳纳米涂层17和光缆外层中间设置有碳纤维填料层18，其中，光缆外层为不锈钢软管层19。所述不锈钢软管层19上标有缆长标尺分度标记，可以很方便的知道所测温点到缆起点的光缆长度，不必去大费周折的测量光缆长度。

本发明按照熔出工艺对测温点配置的要求，如图1，沿程敷设感温光缆用快开管箍传温夹，如图2所示，在预定距离的测温点处固定感温光缆。

对于测温光缆3的光纤采用石英光纤才能适应常用500℃工况，500℃工况的感温光缆3要求光纤保护涂层及填充料导热要快。本发明应用纳米碳作为涂层，以碳纤维作为填充料，保护光纤良好稳定地工作，保护光纤不受氢气影响。而普通感温光缆常用导热系数很低的氧化镁粉作填充料，两者导热系数在同一温度下差9倍以上。碳纤维填料层缓冲了光纤缆的外管侧向受力，又增强了光纤缆的抗安装拉力，又大大加强了外管与光纤芯的导热，使感温的响应时间减少1~2个数量级，它的长期耐温远大于500℃。

碳纤维的高模量、高导热、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、低热膨胀系数，适合中温恶劣环境下的装设、运行，耐振动性好，在500℃下感温光缆中既作为保护光纤的填充料，又代替普通感温光缆的抗拉力用外套（护套层），一举两用，减少一道主工序和辅料。碳纤维作为小直径光缆的抗拉力高出普通感温光缆几倍。在抗拉力满足安装拉力，又不损害光纤前提下，尽量减小感温光纤缆直径，直径为4mm左右较为适宜，以减少碳纤维用量。

本发明的光缆外层可以仅用不锈钢软管即可，不另加外套，以防止其影响温变反应速度；不锈钢软管导热系数好，又能对抗外力及安装拉力，并易于与沿线构件相配合，且防粘灰。光缆内层可为多模光纤，以满足冗余测量要求。

如图3所示，具体测温过程如下：

1）由激光驱动器1驱动激光器2发出的激光进感温光缆3；

2）由分光器4检出激光在测温点处反射的后向拉曼光波5及前向stocs光波6，其中后向拉曼光波5和前向stocs光波6比值与.感温光缆3各测温点11的温度对应，以减少光源强度随时间变化对测温的影响；

3）由信号处理器8采集2种光波的光强及时间信息，经比值转换成测点温度及位置；

4）通过显示器9分类显示信号数值及曲线；

5）由DCS系统10熔出计算机控制系统接受信号处理器来系统温度信号，进行稳定高效控制。

本发明对500℃感温光缆性能的具体要求为：

1）高温光纤耐500℃高温，耐振动性要好，抗拉力宜达到500牛顿；

2）高温光纤与光缆不锈钢外层之间的填料导热系数要高，不用传统的高纯氧化镁粉；

3）光缆外层仅不锈钢就可，不应另加外套，影响温变反应速度；

4）光缆外层应有长度标尺较大分度标记。

5）应为多模光纤，以满足冗余测量要求。

本发明在光缆安装中不能紧贴熔出全部管道表面，用于管壁上多点的传温管箍，选位灵活，在测温点处适度夹紧光纤缆，足以减少管内与该点感温光缆的温差和响应时间。沿程配小槽盒线，工艺管道检修时，暂时放置保护光缆。

本发明连续模拟量测量，处理量大增，响应速度加快，相应光学系统、硬、软件系统应随之有较大改进、升级。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1. 一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，包括固定在氧化铝工艺管（12）外侧的感温光缆（3），所述感温光缆（3）与氧化铝工艺管（12）之间设有导热层，该感温光缆（3）外侧设有绝热层（14）；所述感温光缆（3）的结构为，包括单芯的石英光纤（16），设在单芯的石英光纤（16）周向外侧的碳纳米涂层（17），设在碳纳米涂层（17）周向外侧的抗敷设拉力的碳纤维填料层（18），设在碳纤维填料层（18）周向外侧的不锈钢软管层（19）。

2. 根据权利要求1所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述感温光缆（3）通过测温点管箍（13）固定在氧化铝工艺管（12）上，且测温点管箍（13）设置在感温光缆（3）的光缆各测温点（11）处。

3. 根据权利要求1所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述绝热层（14）外侧设有保温层（15）。

4. 根据权利要求1所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述不锈钢软管层（19）上标有缆长标尺分度标记。

5. 根据权利要求1所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述感温光缆（3）的直径为3mm-5mm。

6. 根据权利要求1所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述导热层为石墨层。

7. 根据权利要求3所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述保温层由石棉或蛭石保温套制成。

8. 根据权利要求2所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述测温点管箍（13）宽25mm-35mm，厚3mm-5mm。

9. 一种氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，包括固定在氧化铝工艺管（12）外侧的感温光缆（3），所述感温光缆（3）与氧化铝工艺管（12）之间设有导热层，该感温光缆（3）外侧设有绝热层（14）；所述感温光缆（3）的结构为，包括多模的石英光纤（16），设在多模的石英光纤（16）周向外侧的碳纳米涂层（17），设在碳纳米涂层（17）周向外侧的抗敷设拉力的碳纤维填料层（18），设在碳纤维填料层（18）周向外侧的不锈钢软管层（19）。

10. 根据权利要求9所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述感温光缆（3）通过测温点管箍（13）固定在氧化铝工艺管（12）上，且测温点管箍（13）设置在感温光缆（3）的光缆各测温点（11）处。

11. 根据权利要求9所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述绝热层（14）外侧设有保温层（15）。

12. 根据权利要求9所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述不锈钢软管层（19）上标有缆长标尺分度标记。

13. 根据权利要求9所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述感温光缆（3）的直径为3mm-5mm。

14. 根据权利要求9所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述导热层为石墨层。

15. 根据权利要求11所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述保温层由石棉或蛭石保温套制成。

16. 根据权利要求10所述的氧化铝熔出工艺用感温光缆测定管道系统表面多点温度的装置，其特征在于，所述测温点管箍（13）宽25mm-35mm，厚3mm-5mm。