CN105241576B - 一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 - Google Patents
一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105241576B CN105241576B CN201510574898.8A CN201510574898A CN105241576B CN 105241576 B CN105241576 B CN 105241576B CN 201510574898 A CN201510574898 A CN 201510574898A CN 105241576 B CN105241576 B CN 105241576B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- mtd
- mtr
- msub
- hot
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，属于热风炉内衬侵蚀建模技术领域。本发明将分布式光纤横向缠绕于热风炉炉顶部位，分布式光纤的始端和末端均与分布式光纤传感器相连，分布式光纤传感器采用双端单路解调法提取沿光纤路径的温度场，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并定量化计算热风炉内衬侵蚀状况；虚拟绝热内外边界修正法使侵蚀模型既适用于开炉之初的热风炉，亦可用于已投产的热风炉，甚至还能推广到高炉炉缸炉底的相关监测领域，极大地提高了侵蚀模型的应用范围，为高炉安全生产提供了保障。
Description
技术领域
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
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℃)进行升温(加热到1200℃～1250℃)，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。
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：
(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。
(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640×480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。
(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。
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：
(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。
(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。
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。
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
1.发明要解决的技术问题
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。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
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、显示及报警模块、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。
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。
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。
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：
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；
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；
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；
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。
更进一步地，步骤一所述的双端单路解调法具体过程为：
1)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的始端进入，末端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
2)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的末端进入，始端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
上述两式中，m为光纤感温系数，ε为光纤长度修正系数，v为光在光纤中的传播速度，ΔT为光探测脉冲的宽度，r(xn)为距始端位移为xn米处的反斯托克斯光和斯托克斯光强度比，a为常数；
3)对步骤1)和2)所得温度矩阵作算数平均值，得：
该温度矩阵为经过双端单路解调后得到的温度矩阵。
更进一步地，经步骤二补偿修正后温度矩阵为：
式中，Ta为热风炉外界环境温度，w为热风炉外界环境风速，h为对流换热系数。
更进一步地，步骤四所述的虚拟绝热内外边界修正法具体过程为：
(a)利用热风炉炉壳及填料传热参数、热风炉炉壳及填料结构尺寸、热风炉内衬传热参数、热风炉内衬结构尺寸求解内衬传热微分方程；
(b)通过燃烧计算确定炉体内侧边界温度，采用设计图纸中热风炉炉体内侧尺寸作为内侧初始虚拟边界条件，将热风炉外侧定义为绝热边界条件，按照有限元法求解步骤一所得炉体传热方程，得炉体各个区域的温度分布；
(c)将计算出来的炉体表面温度与分布式光纤传感器输出的温度对比，如果其差值超过允许的误差范围，则对相应的炉体内侧尺寸进行修正，如此反复调整直至炉体表面的计算温度与分布式光纤测量值之差在允许范围内；最后将修正后的炉体内侧边界形状及尺寸输出，即得最终结果。
更进一步地，步骤(a)所述内衬传热微分方程为：
式中，Г1表示内衬内侧边界，Г2表示内衬外侧边界，Ω表示微分方程求解域，Tc为热风炉风温，K是热风炉内衬的导热系数。
更进一步地，步骤(b)通过燃烧计算确定的炉体内侧边界温度为：
Tsj＝η·Ty
上式中，Qd为燃烧室内煤气的燃烧发热值，Qk为助燃空气显热，Qm为煤气显热，Qf为烟气中CO2、H2O高温分解吸收的热量，Vn为烟气体积，Cy为烟气比热，η为高温系数，η＝0.9～0.952。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)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，其分布式光纤可与热风炉炉体直接紧密接触，测量结果能够真实反映热风炉炉体温度，且由于光纤的可折挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀和电磁干扰等特性，作为温度的传感和传输介质可长期工作于强电磁场干扰，强腐蚀等恶劣环境下；此外，分布式光纤的空间分辨率及定位精度可达0.5m，测量时间小于5s，能够准确定位故障点，及时发现异常情况，实现了对高炉热风炉状态的有效、全面、在线检测；
(2)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，由于光纤本身的电绝缘性、几何易变性及其固有的大信号带宽传输等特点，使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制；又由于光纤工作时温度信号是调制在光信号上的，只要光电转换部分及信号处理部分远离工作现场，则可在强电磁干扰的环境中工作，从而为强电磁场干扰等恶劣环境下温度的测量提供了稳定、可靠的手段；
(3)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，采用单路双向均值解调法，相比于单路解调方式在测试回路设计上无需增加光缆，在解调效果上大大减小了光纤的损耗系数，提高了温度的测量精度和稳定性，当需要更换不同的光纤时，也无需对损耗系数进行重新校准和标定；
(4)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，通过设置温度传感器、风速传感器检测热风炉外界环境温度、空气对流速度，实现了对外界环境因素的补偿，减弱了外界环境温度、空气对流等因素对测量结果的影响，通过这种方法测出热风炉表面对流换热前的温度，从而可将热风炉表面设置为绝热边界条件，以便求解热风炉的传热模型并对模型进行验证；
(5)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，通过分布式光纤传感器所测得的炉体表面温度，并采用虚拟绝热内外边界修正法对内侧边界进行反复调整，最终得到实际的内侧边界形状，克服了目前高炉侵蚀模型只能用于刚投产的高炉的缺陷，所建立的热风炉侵蚀模型既能用于刚投产的热风炉，又能适用于已经在运行的热风炉；
(6)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，分布式光纤连续、高精度温度场检测与侵蚀分析有天然良好的适恰性，对于单座高炉，往往有3-4座热风炉，总共检测距离10～15km，可使用单台光纤传感器，整体成本较低。
附图说明
图1为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的总体设计框图；
图2为本发明中分布式光纤传感器的结构框图；
图3为本发明中侵蚀模型求解单元的结构框图；
图4为本发明中热风炉内衬侵蚀边界求解流程图；
图5为本发明中空间直角坐标系下的微元体示意图；
图6为本发明中炉体结构剖面图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
参看图1，本实施例基于红外热成像法无法对热风炉炉况进行准确分析的缺点，提出了基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模系统及方法，对热风炉内衬侵蚀状况进行定量化预测，以实现对热风炉炉体热状态的有效监测。热风炉侵蚀模型的应用能准确预测出热风炉侵蚀的位置，以便于在休风停炉前制定出有针对性的修复方案，从而提高修复效率，降低修复难度，对于提高热风炉使用寿命、降低焦比、提高高炉生产率具有重大意义。
本实施例的侵蚀建模系统包括侵蚀模型求解单元、显示及报警模块(即图1中的液晶显示及声光报警模块)、风速传感器、温度传感器、分布式光纤传感器和分布式光纤，所述的分布式光纤横向紧密缠绕于高炉热风炉炉顶部位，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相连，工业以太网接口充当分布式光纤传感器与侵蚀模型求解单元之间的数据交换设备。实际应用中，分布式光纤传感器安装于热风炉现场，而侵蚀模型求解单元在远离现场环境的中控室里运行，通过以太网接口可实现分布式光纤传感器测量数据的远程通信。分布式光纤传感器还分别与风速传感器、温度传感器、显示及报警模块电连接，风速传感器用于检测热风炉外界环境风速(空气对流速度)，温度传感器用于检测热风炉外界环境温度，显示及报警模块则用于对分布式光纤测量的热风炉温度进行在线显示以及异常报警提示。
本实施例中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光信号进行解调(双端单路解调法的原理会在下文具体描述)，提取出光纤上各测量点的温度值，并通过工业以太网接口发送至侵蚀模型求解单元，分布式光纤传感器通过温度传感器和风速传感器采集热风炉外界环境的温度值和风速，按预定的补偿算法对分布式光纤传感器采集到的温度数据进行修正，并对修正后温度数据进行在线显示和异常报警提示。
参看图2，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，激光发射源发出的激光在光脉冲调制器的调制作用下，形成一定周期和持续时间的短脉冲光，短脉冲光通过光纤耦合器汇聚。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，光路选择开关有选择性的连接到对应的光纤入口。
由于在光脉冲的传输过程中，不同距离点的Raman散射光沿着传输光路返回至光纤耦合器，Raman散射光包含了两个频率不同的Stokes光和Anti-stokes光，它们的频率分布在入射光频率的两侧。本实施例将光纤耦合器与分光器电连接，通过分光器，将两个不同频率的光分开。分光器的输出端则分别与第一光滤波器、第二光滤波器相连，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形成第一光路，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形成第二光路，不同频率的光进入不同的光路进行处理。具体为：由于进入不同光路的散射光中还夹杂着其它散射光和干扰光，所以需经光滤波器对两路光进行一定的带通滤波处理，得到近乎纯净的Raman散射光。Raman散射光进而通过APD雪崩光电二极管进行光电转换和放大，得到一定范围的有效电压值。高速数据采集卡采集该有效电压值并进行A/D转换，最后，高速数据采集卡将转换后数据输送给与之电连接的DSP单元，经DSP单元计算得到实际的温度值。
本实施例中分布式光纤既作为温度信号的检测传感器，又作为温度信号的传输介质，集信号传感和传输于一体。热风炉是为高炉加热鼓风的设备，高炉热风炉炉体长期暴露在腐蚀性气体及强电磁干扰的环境中。本实施例将分布式光纤测温技术引入到高炉热风炉状态监测领域，施工时，将光纤紧密地环绕于高炉热风炉炉顶部位并环绕多层。与诸如红外热成像技术等非接触式测温法不同，光纤可与热风炉炉体直接紧密接触，其测量结果能够反映热风炉炉体的真实温度，且由于光纤的可折挠、电绝缘性好、柔性弯曲、大信号带宽传输、耐腐蚀和电磁干扰等特性，作为温度的传感和传输介质可长期工作于强电磁场干扰，强腐蚀等恶劣环境下。又由于温度信号是调制在光信号上的，只要光电转换部分及信号处理部分远离工作现场，则可在强电磁干扰的环境中工作，使得光纤温度传感器突破了电温度传感器的限制，从而为强电磁场干扰等恶劣环境下温度的测量提供了稳定、可靠的手段。
此外，现有分布式光纤的空间分辨率及定位精度可达0.5m，能够准确定位故障点，一条30km的光纤可获得60000个测温点的数据，实现了对高炉热风炉状态的有效、全面、在线监测。还值得说明的是，30km的分布式光纤总测量时间小于5s，当高炉热风炉发生炉壳烧红、漏风，甚至炉壳烧穿事故时，可及时进行声光报警有效避免事故的发生，提前预防事故发生，从而减少高炉热风炉维护成本及高炉热风炉休风次数。而采用红外热成像法对热风炉炉体热状态进行监测，由于测量时间不确定，有可能出现热风炉事故已发生才开始监测的情况。
本实施例进行高炉热风炉温度在线检测的具体过程为：
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，并通过并行数据线发送至DSP单元。
分布式光纤温度传感技术用一根长达数千米的光纤即可对沿光纤分布的温度场进行实时测量，具有重要的理论价值和实际意义，解决了高炉热风炉炉体长期暴露在腐蚀性气体及强电磁干扰的环境中，电温度传感器难以胜任的测量难题。但现有的分布式光纤温度传感技术对热风炉炉体热状态进行监测，仍存在以下难点：
(1)分布式光纤远距离测温区严重失真，测量稳定性差：
现有的分布式光纤温度传感技术，其测温结果与真实值的偏差会随着光纤距离增大而增大，当光纤长度大于1km时，1km以后的温度数据严重失真。
一座热风炉的直径(d1)约为10m，热风管的直径(d2)约为3m，热风炉高度(h)约为35.5m，为了全面反映热风炉的温度分布情况，热风炉炉顶部分需要环绕的分布式光纤的匝数应大于100圈，热风炉主体部分需要的光纤长度为L＝π*10*100≈3140m，远大于1000m，所以分布式光纤必须能够进行远距离测温。
传统分布式光纤温度传感技术采用的单路解调方式，虽然充分使用了整条光纤来探测温度信息，但分布式光纤在远距离测温区出现严重失真，主要是因为喇曼信号在沿光纤传输的过程中有损耗，因此，必须对损耗所造成的偏差进行修正。目前较常采用的回路解调法，与单路解调方式相比，虽然修正了光纤距离对温度检测的影响，但需要消耗2倍的光缆，增加光缆的长度又会导致半导体激光功率的增加，光缆的市场价格为10元/m，一个原装进口德国80W，808nm DILAS光纤耦合半导体激光器市场价格高达41000元，需增加的成本超过13万，将回路解调法应用于高炉热风炉温度检测成本太高，且受信号带宽及功率的影响，光纤距离过长会导致接近尾端的波形发生畸变，从而无法对测量偏差进行修正。
(2)光纤互换性差：
现有的分布式光纤温度传感技术要求用户更换光纤后必须重新定标，插拔光缆后也需重新校准(光纤插头的损耗影响所致)，即使是刚定标的光缆，埋入应用现场后还必须重新定标，否则就无法测出正确的温度，且定标后的系统在更换光缆后曲线也易出现异常，这严重限制了分布式光纤温度传感技术在高炉热风炉温度测量上的应用。
本实施例在对比目前常用解调方式以及对分布式光纤光学基础理论、热风炉温度检测特点的基础上，提出了新的解调方式：双端单路解调法。该解调方式，测试回路与单路解调方式一样也只需要一路光缆，只是把光纤的始端和末端通过光路选择开关皆引至光纤耦合器发射口。值得说明的是，一般一座热风炉的体积仅为3600m3，温度检测所覆盖的空间范围小，正因为这种热风炉温度检测特性，本实施例设计分布式光纤横向紧密缠绕于热风炉炉顶部位(参看图2)，才使得将光纤的始端和末端全部引至光纤耦合器发射口成为可能。
本实施例使用双端单路解调法的原理分析如下：
由光散射理论可知，光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。Raman散射光就是由斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光组成的。其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定，因此Raman散射光的强度与温度有关，Raman散射光的强度可由光纤耦合器中的传感器转换成电流信号来线性表示，其关系公式如下：
Stokes散射光强度：
Anti-Stokes散射光强度:
式中，Is和Ia分别为传感器转换出来的Stokes和Anti-Stokes电流值，λs和λa分别为Stokes和Anti-Stokes光波长；As和Aa分别为Stokes和Anti-Stokes光强度计算的实验拟合系数；h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为玻尔兹曼常数；Δγ为偏移波数；T为绝对温度。
为了消除光信号在光纤弯曲、接头处传输产生的损耗对测量结果的影响，提高测温准确度，对Anti-Stokes光和Stokes光分别进行采集，利用两者强度的比值解调温度信号。由于Anti-stokes光对温度更为灵敏，因此将Anti-Stokes光作为信号通道，Stokes光作为比较通道，则两者之间的强度比为：
对式(3)进行泰勒展开并舍去高阶导数项，可知，r(T)与测量点的绝对温度T成线性与关系，T与r(T)的函数关系可简化为：
T＝mr(T)+a (4)
式中，m为光纤感温系数，a为常数。
如果从光脉冲进入光纤时开始计时，则不同时刻t在注入端收到的散射回波信号便表征着该信号是由距注入端为L处的光纤所反映：
式中，L为产生散射的位置，v为光在光纤中的传播速度，t为从光脉冲进入光纤到接收到回波信号的时间差。
设光探测脉冲的宽度为ΔT，由式(5)可知，光纤上各探测点与起始点的距离可表示为：
X＝[x1 x2 ... xn]T＝[v·ΔT 2v·ΔT ... n·v·ΔT]T (6)
由式(4)和式(6)，得光纤上各探测点的温度可表示为：
式中，r(n·v·ΔT)为回波信号时间差为n·v·ΔT时刻的反斯托克斯光和斯托克斯光强度比；
考虑到Raman信号在沿光纤传输过程中的损耗，在式(7)的基础上引入距离修正矩阵：Zl＝[ε·x1 ε·x2 ... ε·xn]T，式(7)可写成：
式中，ε为光纤长度修正系数，由光纤制作工艺和材质决定，不同的光纤，修正系数不一样。用户更换光纤或光缆后必须重新定标，为了克服这个缺点，引入双端单路解调法，具体操作为：
控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的始端进入，末端射出，此时光在光纤中的传播方向是从始端到末端(正方向)，设其传播速度为v，由式(8)可得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的末端进入，始端射出，此时光在光纤中的传播方向是从末端到始端(反方向)，则其传播速度为-v，由式(8)可得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
对式(9)和式(10)所得温度矩阵作算数平均值，则：
由式(11)可看出：双端单路解调方式对光从正反两个方向传输所得到的温度矩阵求算术平均值，由于正反两个方向测量都是在同一根光纤上进行，光纤长度修正系数ε是一样的，ε·n·v·ΔT项经过算术平均处理后被抵消，所以经双端单路解调后能够很好地修正损耗(ε·n·v·ΔT代表的就是光纤损耗)，大大减小光纤的损耗系数，提高测量精度和稳定性，当需要更换不同的光纤时，不需要对损耗系数进行重新校准和标定，仍能够保证同样的测温精度。
步骤二、DSP单元结合风速传感器、温度传感器采集的热风炉周围环境风速、温度值，对采集到的温度数据进行补偿修正。
由于高炉热风炉处在强磁场、腐蚀性气体、高粉尘浓度的大环境中，并且长期日晒雨淋。在这样恶劣的环境中，外界环境温度、空气对流速度会使分布式光纤对高炉热风炉温度的测量结果造成严重影响，本实施例通过温度传感器、风速传感器来检测热风炉外界环境的温度、空气对流速度，以实现对外界环境因素的补偿。
热风炉炉体上的空气强制对流传热问题，按湍流处理，传热学中热风炉炉体的对流换热系数计算采用h＝Nu*K/L，K为固体表面的热传导率，L为固体的几何特征参数，Nu为努塞尔系数，h为固体表面对流换热系数，为了简化计算，工程中一般采用经验公式：T＝T0+h*(T0-Ta)*w来求解固体与空气对流换热后的表面温度，h为热风炉表面与空气的对流换热系数，T为分布式光纤检测到的温度，Ta为热风炉外界环境温度，由温度传感器测量，T0为热风炉炉体表面的真实温度，w为风速，由风速传感器测量，T0＝(h*w*Ta+T)/(h+1)。
经过补偿后的分布式光纤测量点温度矩阵的表达式为：
在侵蚀模型求解过程中，热风炉炉体外侧被设置为绝热边界条件，所以要求分布式光纤必须测量出炉壳与空气对流换热之前的温度，即绝热边界条件下的温度才能计算出热风炉炉体外侧的温度，以便采用虚拟绝热内外边界修正法对热风炉内衬侵蚀状况进行准确计算。分布式光纤传感器通过风速传感器、温度传感器采集热风炉周围环境风速、温度值，并对测量值进行补偿修正后得到的温度场，正好可看成是炉体外侧在绝热边界条件下的温度场。
步骤三、DSP单元将修正后的温度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。
参看图3，所述的侵蚀模型求解单元为本实施例中最关键的部分，其包括热风炉炉体参数输入界面、变量存储区、传热方程建立模块、测量值调入模块、燃烧计算模块、炉体内侧边界修正模块；所述的热风炉炉体参数输入界面将用户输入的热风炉炉体内衬导热系数、几何尺寸等参数发送至变量存储区；所述的传热方程建立模块接收变量存储区传递过来的相关参数和燃烧计算模块输出的风温值以建立炉体内衬传热方程；所述的炉体内侧边界修正模块接收传热方程建立模块输出结果和测量值调入模块输出的分布式光纤测量值，经过反复求解和修正后，得到真实的炉体内侧边界形状及尺寸。
由于背景技术所分析的原因，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，本实施例在对比目前高炉侵蚀模型的应用原理、热风炉温度检测特点的基础上，提出了新的侵蚀模型求解方法：虚拟绝热内外边界修正法。
该侵蚀建模法将热风炉设计图纸的热风炉炉体内侧尺寸作为内侧初始虚拟边界条件，将热风炉外侧定义为绝热边界条件，按照有限元法求解炉体传热方程。采用虚拟绝热内外边界修正法使建立的侵蚀模型既适用于开炉之初的热风炉，亦可用于已投产的热风炉，甚至还能推广到高炉炉缸炉底的相关监测领域，极大地提高了侵蚀模型的应用范围，为高炉安全生产提供了有力保障。
本实施例使用虚拟绝热内外边界修正法的原理分析如下：
S1-1：建立热风炉内衬传热微分方程
在推导热风炉内衬的传热微分方程的过程中，作以下假设：
a)热量传播速度远远快于其它与热现象有关的特征速度；
b)热风炉内衬的热物理参数(密度、比热、热导率)是均匀分布的；
c)在三个主方向上，任一方向上的导热仅取决于该方向上的温度梯度；
d)除热风炉内衬内侧被看成恒温边界条件以外，其余部分都看成是绝热边界条件。
根据上述假设，依据能量守恒定律和傅里叶定律对热风炉内衬传热方程进行推导。参看图5，在空间直角坐标系中，x方向上热风炉内衬的导热用傅立叶定律进行描述。
x方向导入微元体的热流量
x方向导出微元体的热流量
x方向导入微元体的净热流量：
同理y方向导入微元体的净热流量：
z方向导入微元体的净热流量：
kxx，kyy，kzz，分别为x，y，z方向的传热系数，T为温度。
微元体内物体温升所需的热流量：
式中:ρ为物体密度，c为物体比热，根据能量守恒原理有：
Qt＝Qx *+Qy *+Qz * (1-7)
将各项代人，化简后有：
向量微分算子：
在假设b)成立的情况下：式(1-8)简写为：
式中:k是热风炉内衬的导热系数(w/(m.℃))。
在稳态条件下，加上热风炉内衬内侧恒温边界条件和外侧绝热边界条件，由式(1-9)热风炉内衬二维传热微分方程可改写为：
其中Г1表示内衬内侧边界，Г2表示内衬外侧边界，Ω表示微分方程求解域，Tc为热风炉风温。
S1-2：热风炉燃烧计算
由式(1-10)可知，要求解热风炉内衬二维传热微分方程，就必须知道内衬内侧的恒温边界条件，此恒温边界条件可看成热风炉输出的风温，而风温可由燃烧计算得到。
所述风温是指煤气在燃烧室燃烧时，燃烧产物(即烟气)所能达到的温度，燃烧温度的高低，直接影响了蓄热能力。根据能量守衡和转化定律，燃烧过程中燃烧产物的热量收入与燃料燃烧的热量支出相等，燃烧的热平衡方程为(按每标准立方米体积计算)。
Qd+Qk+Qm＝Vn.·Cy·Ty+Qc+Qb+Qf (2-1)
其中：Qd为煤气的燃烧发热值(KJ/m3)，Qk为助燃空气显热(KJ/m3)，Qm为煤气显热(KJ/m3)，Vn为烟气体积(m3)，Ty为燃烧烟气温度(℃)，Cy为烟气比热，Qc为烟气通过炉墙散失的热量(KJ/m3)，Qb为燃料不完全燃烧损失的热量(KJ/m3)，Qf为烟气中CO2、H2O等高温分解吸收的热量(KJ/m3)。假设热风炉绝热情况良好，且煤气完全燃烧，则Qc＝0，Qb＝0，那么，燃烧烟气温度：
这样得出的燃烧温度是理论燃烧温度，因为不计Qc和Qb，一般都是在理论燃烧温度的基础上，乘上个系数，得出实际燃烧温度，即：
Tsj＝η·Ty (2-3)
一般，蓄热式热风炉的高温系数η＝0.9～0.952，Tsj为燃烧温度，即燃烧室的风温。
S2-1：单元分析
热风炉内衬是一种多层结构砌成的耐火砖，每一层的材质不一样，材质的导热系数也不一样，且每块砌体之间存在缝隙，热风炉内衬是一种复杂的多层砌体结构，所以直接采用解析法很难解出热风炉内衬的二维传热微分方程。有限元法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。对于求解结构复杂，参数多样的面域具有很好的逼近效果。本实施例即采用有限元法求解热风炉内衬传热微分方程。
采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和Galerkin法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。为了推导热风炉内衬传热微分方程的有限元计算格式，采用Galerkin法对式(1-10)进行弱化。
令u＝T对式(1-10)采用Galerkin弱解表达式得：
这里采用三节点的三角形单元，单元的基函数共有三个，选用插值多项式
分别代入单元三个节点的坐标可解得
其中
e单元中的近似函数为
将式(3-1)中的积分区域取为e单元的区域Ω(e)，并将单元中的近似函数表达式(3-6)代入，并注意到的任意性，可得：
记：
将单元基函数的具体表达式(3-5)代入(3-8)式中，可得
通过等参变换，可得：
A为三角形单元的面积。由于g为0，所以式(3-7)中的项不用计算。
S2-2：整体分析
整体分析就是将各个单元组成结构整体进行分析。整体分析的目的在于导出整个结构结点位移与结点温度之间的关系，建立整个结构的传热方程。
整体分析步骤：首先按照一定的集成规则，将各单元温度矩阵集合成结构整体温度矩阵，然后引入边界条件，求解整体平衡方程组。
S2-3：边界自适应修正
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，且所建立的侵蚀模型只适用于开炉前或新投产的高炉，而对于正在运行的高炉，内衬可能已经发生了侵蚀，炉体内侧的形状不再是高炉设计图纸上的形状，如果继续套用高炉设计图纸上给定的尺寸，那么建立的高炉侵蚀模型可能出现严重的失真。因此，建立热风炉内衬侵蚀模型前，要建立热风炉炉体的几何模型，几何模型的尺寸机构的准确性，直接影响最终建立的侵蚀模型的准确度，为了能让侵蚀模型既能用于开炉之初的热风炉，又能适用于开炉后的热风炉，对于热风炉内衬内侧，先采用开炉之初的尺寸(可从热风炉设计图纸上找到)，然后根据光纤测量的温度数据采用虚拟绝热内外边界修正法对内侧边界进行反复调整，最终得到实际的内侧边界形状，此内侧边界形状图就是建立热风炉侵蚀模型要得到的最终结果，根据马钢新区A#和B#高炉热风炉结构型设计图纸，建立热风炉炉衬几何模型如图6所示。图6是热风炉炉体的剖面图，从内到外分别由3个层组成：内衬砌体层、填充层、炉壳，其中内衬内衬砌体层由3种材质的子层构成。
S2-4：侵蚀模型求解
采用虚拟绝热内外边界修正法求解侵蚀边界，求解过程如下：
先将热风炉炉壳及填料传热参数、热风炉炉壳及填料结构尺寸、热风炉内衬传热参数、热风炉内衬结构尺寸存入变量存储区，利用以上参数求解内衬传热微分方程系数矩阵，通过燃烧计算确定炉体内侧边界温度，随后采用热风炉设计图纸的热风炉炉体内侧尺寸作为内侧初始虚拟边界条件，将热风炉外侧定义为绝热边界条件，按照有限元法求解炉体传热方程，便可得到炉体各个区域(包括炉体表面)的温度分布，将计算出来的炉体表面温度与分布式光纤传感器输出的温度对比，如果其差值超过允许的误差范围(约为±10℃)，则对相应的炉体内侧尺寸进行适当修正，如此反复调整直至炉体表面的计算温度与分布式光纤测量值之差在允许范围内，最后将修正后的炉体内侧边界形状及尺寸输出，即得最终结果。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一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：
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；
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；
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；
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；所述的虚拟绝热内外边界修正法具体过程为：
(a)利用热风炉炉壳及填料传热参数、热风炉炉壳及填料结构尺寸、热风炉内衬传热参数、热风炉内衬结构尺寸求解内衬传热微分方程；
(b)通过燃烧计算确定炉体内侧边界温度，采用设计图纸中热风炉炉体内侧尺寸作为内侧初始虚拟边界条件，将热风炉外侧定义为绝热边界条件，按照有限元法求解步骤一所得炉体传热方程，得炉体各个区域的温度分布；
(c)将计算出来的炉体表面温度与分布式光纤传感器输出的温度对比，如果其差值超过允许的误差范围，则对相应的炉体内侧尺寸进行修正，如此反复调整直至炉体表面的计算温度与分布式光纤测量值之差在允许范围内；最后将修正后的炉体内侧边界形状及尺寸输出，即得最终结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，其特征在于：步骤一所述的双端单路解调法具体过程为：
1)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的始端进入，末端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
<mrow>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>n</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
2)控制分布式光纤传感器中的光路选择开关，使入射光从分布式光纤的末端进入，始端射出，得分布式光纤上各测量点的温度矩阵：
<mrow>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mi>&epsiv;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>n</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>v</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>T</mi>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
上述两式中，m为光纤感温系数，ε为光纤长度修正系数，v为光在光纤中的传播速度，ΔT为光探测脉冲的宽度，r(xn)为距始端位移为xn米处的反斯托克斯光和斯托克斯光强度比，a为常数；
3)对步骤1)和2)所得温度矩阵作算数平均值，得：
<mrow>
<mi>&Gamma;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
该温度矩阵为经过双端单路解调后得到的温度矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，其特征在于：经步骤二补偿修正后温度矩阵为：
<mrow>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>T</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>r</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>x</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>w</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>a</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>I</mi>
</mrow>
式中，Ta为热风炉外界环境温度，w为热风炉外界环境风速，h为对流换热系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，其特征在于：步骤(a)所述内衬传热微分方程为：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mo>&part;</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<msup>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mo>&part;</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<msup>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mo>,</mo>
<mi>y</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&Element;</mo>
<mi>&Omega;</mi>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>T</mi>
<msub>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<msub>
<mo>|</mo>
<mrow>
<mi>&Gamma;</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式中，Г1表示内衬内侧边界，Г2表示内衬外侧边界，Ω表示微分方程求解域，Tc为热风炉风温，K是热风炉内衬的导热系数。
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法，其特征在于：步骤(b)通过燃烧计算确定的炉体内侧边界温度为：
Tsj＝η·Ty
<mrow>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mo>.</mo>
</mrow>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
上式中，Qd为燃烧室内煤气的燃烧发热值，Qk为助燃空气显热，Qm为煤气显热，Qf为烟气中CO2、H2O高温分解吸收的热量，Vn为烟气体积，Cy为烟气比热，η为高温系数，η＝0.9～0.952。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510574898.8A CN105241576B (zh) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510574898.8A CN105241576B (zh) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105241576A CN105241576A (zh) | 2016-01-13 |
| CN105241576B true CN105241576B (zh) | 2017-12-15 |
Family
ID=55039301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510574898.8A Active CN105241576B (zh) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105241576B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108289130B (zh) * | 2018-03-14 | 2021-07-06 | 浙江禹控科技有限公司 | 一种用于水利物联网感控平台的智能终端及数据传输方法 |
| CN110551864B (zh) * | 2019-09-29 | 2023-09-05 | 北京华创智芯科技有限公司 | 测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法和高炉 |
| CN112831623A (zh) * | 2019-11-01 | 2021-05-25 | 无锡迈能科技有限公司 | 一种预防高炉炉缸烧穿的方法 |
| CN111189552B (zh) * | 2020-01-09 | 2021-09-14 | 中国石油大学(华东) | 一种甲烷水合物火焰温度测试装置及测温修正方法 |
| CN111854668B (zh) * | 2020-08-25 | 2024-07-12 | 中冶赛迪工程技术股份有限公司 | 一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算装置及方法 |
| CN113009179B (zh) * | 2021-03-10 | 2023-07-25 | 辽宁省计量科学研究院 | 一种光纤分布式流速测量方法及装置 |
| CN114278263B (zh) * | 2021-12-23 | 2022-11-29 | 中国石油大学(北京) | 一种液氮循环压裂高效开发深部地热储层方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU3982093A (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-16 | Kawasaki Steel Corporation | Method and apparatus for monitoring temperature of blast furnace and temperature control system using temperature monitoring apparatus |
| CN101275829A (zh) * | 2007-03-29 | 2008-10-01 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种测量高炉炉衬侵蚀厚度方法 |
| CN102876825A (zh) * | 2012-09-13 | 2013-01-16 | 江苏永钢集团有限公司 | 一种高炉炉缸侵蚀线位置的判定方法 |
| CN103866061A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-06-18 | 宝山钢铁股份有限公司 | 一种高炉炉缸侵蚀偏差监测方法 |
| CN104697665A (zh) * | 2015-03-23 | 2015-06-10 | 马鞍山市安工大工业技术研究院有限公司 | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉温度监测系统及方法 |
-
2015
- 2015-09-10 CN CN201510574898.8A patent/CN105241576B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU3982093A (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-16 | Kawasaki Steel Corporation | Method and apparatus for monitoring temperature of blast furnace and temperature control system using temperature monitoring apparatus |
| CN101275829A (zh) * | 2007-03-29 | 2008-10-01 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种测量高炉炉衬侵蚀厚度方法 |
| CN102876825A (zh) * | 2012-09-13 | 2013-01-16 | 江苏永钢集团有限公司 | 一种高炉炉缸侵蚀线位置的判定方法 |
| CN103866061A (zh) * | 2012-12-18 | 2014-06-18 | 宝山钢铁股份有限公司 | 一种高炉炉缸侵蚀偏差监测方法 |
| CN104697665A (zh) * | 2015-03-23 | 2015-06-10 | 马鞍山市安工大工业技术研究院有限公司 | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉温度监测系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105241576A (zh) | 2016-01-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105241576B (zh) | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉内衬侵蚀建模方法 | |
| Dunn et al. | A new piloted premixed jet burner to study strong finite-rate chemistry effects | |
| CN104697665B (zh) | 一种基于分布式光纤的高炉热风炉温度监测方法 | |
| CN105466498B (zh) | 一种高温环境下材料三维形变和温度同步测控装置及方法 | |
| JP2018524579A (ja) | 分布型光ファイバーで水理構造物の浸透流の形態を検知する集積システム及びその方法 | |
| Li et al. | Estimation of radiative properties and temperature distributions in coal-fired boiler furnaces by a portable image processing system | |
| CN106066208B (zh) | 一种燃煤电站锅炉高温过热器壁面温度在线监测的装置及方法 | |
| CN104677426A (zh) | 基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置 | |
| CN100545665C (zh) | 半导体激光器温度特性参数即升即测测试装置及方法 | |
| CN202522326U (zh) | 接触—非接触式蓝宝石红外测温系统 | |
| CN105973473A (zh) | 基于目标表面温度分布的空间温度场重构方法及装置 | |
| CN103557965B (zh) | 水泥回转窑温度测定及其温度场在线检测方法、装置 | |
| CN110207830A (zh) | 一种非黑体辐射源的图像传感器标定装置和标定方法 | |
| CN116337401A (zh) | 激波风洞等离子鞘套与尾迹光辐射特性测量系统及方法 | |
| CN103487349A (zh) | 间歇式燃烧气体热量计 | |
| CN105784187A (zh) | 一种锅炉炉膛测温方法和测温装置 | |
| CN106323661B (zh) | 一种隧道排烟口集中排烟性能测试装置的测试方法 | |
| CN103759776B (zh) | 一种全光学化的气体质量流量监测装置和方法 | |
| CN113376109A (zh) | 基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置及检测方法 | |
| CN103292842B (zh) | 基于检测氧含量的插入式烟气流量测量方法及测量装置 | |
| CN207031471U (zh) | 利用矩形原理测量高炉布料溜槽倾角的仪器 | |
| CN201220947Y (zh) | 高炉炉腔温度在线检测装置 | |
| CN105181171B (zh) | 一种基于分布式光纤的热风管温度检测方法 | |
| CN114198645A (zh) | 一种热力管道泄露监测系统 | |
| CN214583662U (zh) | 一种沥青路面压实温度检测系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190325 Address after: 243000 24 Intelligent Equipment Industrial Park, Yushan Economic Development Zone, Ma'anshan City, Anhui Province Patentee after: MAANSHAN ANGONG UNIVERSITY INTELLIGENT EQUIPMENT TECHNOLOGY INSTITUTE CO., LTD. Address before: 243071 No. 578 Taibai Road, Ma'anshan economic and Technological Development Zone, Anhui Patentee before: Maanshan AHUT Industrial Technology Research Institute Co., Ltd. |