分布式立体温度监测系统在湿法电解工艺的应用

牛 高，徐 跃，蔡 兵

(1.中国冶金科工股份有限公司， 北京 100028； 2.一日智能技术(南京)有限公司， 江苏 南京 210033；3.云南锡业股份有限公司 铜业分公司， 云南 个旧 641600)

0 概述

电解槽是湿法电解工艺中的主体设备，包括槽内电解配液、安放于电解槽内的阴阳极电极板，以及其他衍生物等在内，它们在生产过程中的稳定性直接影响到生产效率和产品最终质量。

湿法电解生产的传统工艺中，通常是通过定期测量电解配液和阴阳极电极板裸露部分温度来判断整个槽体的热平衡情况，以此来判断生产情况是否正常。而传统的监测方式(热电偶、测温探头)，对于非规则电解槽槽体内部温度的测量难以做到实时、全面、有效。且传统的监测方式(热电偶、测温探头)本身含有大量的金属材质，极易被配液(电解液)腐蚀，同时在湿法电解工艺中大电流、强磁场等极端恶劣环境中也会存在严重的安全隐患。

工艺过程中，配液中的杂质会溶解或不溶解，直接脱落于电解液中，随着杂质的析出，产出阳极泥而悬浮或半悬浮于电解液中，由于离子置换反应，阳极泥会附着在阴极表面，长出“粒子”，受电解槽面人工作业的扰动和电解作业时间的推移，随着阴极表面“粒子”的进一步生长，在足够时间以后，会直接搭触到阳极表面，从而形成短路，将导致极板发热或烧蚀，增加电能消耗，也会导致阴极板上已长成的阴极产品返溶到电解液中，从而降低产品产量，污染电解液，降低电解液的重复利用率。

图1 电解槽槽面电解配液液面流动分析

特别是电解槽内阴阳极电极板在生产过程中，因为电解槽槽体的材料与结构等因素，不能有效的对电解槽槽体内实现立体的温度监测和状态判断，来精准的掌握生产运行情况。另外，在生产过程中电极板装卸也会时常与电解槽槽体边缘发生摩擦碰撞，难免对电解槽槽体造成机械损伤，致使电解槽破损，缩短使用寿命。而现有的微波探伤测量等手段，更不能在短时间内发现破损状况，以提醒操作人员尽快维护。同时，行业中目前也缺乏对电解工艺中生产运行以及故障隐患的极早发现和及时排除的有效手段，最后会导致生产效能的低下、能耗的损失，产能的减少。

针对以上情况，分布式立体温度监测系统在湿法电解工艺中的应用，结合电解槽面温升态势智能监控系统，可以全面实现和确保对湿法电解工艺生产过程中各项重要温度指标温升态势实时、精准、立体、完整、智能、高效的实时在线监测。

1 方案设计

1.1 系统架构

分布式立体温度监测系统作为全新的快速温度探测体系，系统主要测温元件由石英等绝缘材料构成，电气绝缘，不受任何电磁干扰，也不发射电磁波，特别适合各种复杂环境、强电环境，长期稳定性好，使用寿命长；核心信号探测处理器采用国际领先的数字化解调技术，具有实时在线信号大并发采集处理和自检功能；系统能综合各种监控参数进行自主分析，能快速发现隐患，迅速响应控制。

从感温信号探测处理器到系统控制中心，感温测量和信号传输均为光信号，完全无电化检测，系统本身绝缘安全并防爆；系统控制中心可实时显示各探测区域的位置、探测点温度信息，管理人员通过管理界面能直观的了解设备的运行情况。

分布式立体温度监测系统采用一套主控测温系统，通过环绕在电解槽的专用感温光缆进行温度实时在线监测。测温主控系统采集到温度数据，结合槽面智能温升态势监控系统进行数据智能分析处理，并通过展示端界面汇总展示。当监测到电解槽温度异常时，根据预设温度报警阀值智能分析判断立即进行报警，并对故障点进行精确定位，避免故障隐患的进一步扩张。

图2 系统架构图

1.2 分布式立体温度监测系统在电解槽内的应用

系统采用了当今先进的光通讯技术、微处理器技术、数字化温度传感技术和独创设计的低温、强电场、强腐蚀、潮湿环境运行技术。它能分别针对不同环境下的温度进行监测，能及早发现事故隐患，将损失减至最低。同时还能提供大量在线温度监测数据，为生产管理人员全面了解电解槽运行情况提供可靠依据。

1.3 测温主控系统

测温主控系统是分布式立体温度监测系统的核心，实现整个系统的信号采集、信号处理、数据转换、数据分析、超温预警、超温告警、超温报警、网络传输等主要功能。

1.4 测温原理

光纤测温的机理是依据后向拉曼(Raman)散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用,因为光纤分子的热振动，会产生一个斯托克斯(Stokes)光(比光源波长长的光)，和一个反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波长短的光)。光纤受外部温度的调制使得光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强变化，Anti-Stokes与Stokes的比值决定了温度的绝对指示，这一原理的利用就实现了对沿光纤温度场的分布式测量，即拉曼(Raman)散射效应的应用。

结合专门订制的脉冲光源和信号的高速采集与处理技术，就能准确得到光纤沿线所有点的温度值。基于拉曼(Raman)散射效应的原理应用，分布式光纤测温技术特别适合于湿法电解工艺中大面积、大区域、长周期的电解槽体内温度的精确监测，它可以得到沿着被测电解槽内敷设的专用光纤每个点的温度信号，得到了以往工艺条件中所不具备技术条件获取到的准确温度数据。

表1 系统主机性能指标

图3 光纤温度监测原理

2 系统优势及特点

系统传感器采用最新的传感技术，是全无源绝缘光纤器件，与传统传感器相比，具有如下的优点和特点。它本质绝缘防爆、无电传感、化学性质稳定、传输距离远、可用于对外界的绝对测量。这种分布式电解槽立体温度监测系统技术含量高、经济效益好，可以精确地发现和定位电解槽内的异常温度状况，有效的保证电解工艺长期稳定的运行，使电解生产处于长期最佳运行状况。

2.1 无源测量技术，节约人力，抗电磁辐射，本质安全

在传统的电解生产工艺控制中，生产过程电解槽内所用电解配液的温度测量多采用双人制手工测量和巡视的方法，区域覆盖广，测量范围大，劳动强度高。分布式立体温度监测系统将测量技术在电解工艺的使用进行了创新，采用现场无源和无电的测量技术，节约了人力，提升了效益。感温元件为测温光纤，内部传输的光信号的平均功率为微瓦级。测温光纤由石英等绝缘材料构成，电气绝缘，不受任何电磁干扰，也不发射电磁波，特别适合各种复杂环境、强电环境。

2.2 快速响应，反应速度快，完全分布式

系统能在几秒内检测整条光纤沿线完整的分布温度，无遗漏。响应速度快，单通道扫描时间小于10 s。系统信号和温度数据采集速度快，触发机制快，能彻底消除因预警周期过长而引起的故障隐患。

2.3 可实现单点温度测量、定位和逐点报警

结合电解槽面温升态势智能监控系统，发现隐患、预判告警时，不仅能清楚的检测到每个探测器的温度输出信号和温度数据，也能精确的定位到前端探测光纤的准确位置上，定位精度高，便于故障处置和槽内维护的准确执行。

2.4 测量精度极高，环境实用性强，系统易于安装

系统结构紧凑，安装简单，维护方便，能耗极低。传统的分布式光纤感温测量应用一般精度可做到3～5 ℃。结合电解槽面温升态势智能监控系统，可将精度提高到±1 ℃，使系统的使用更加可靠，并可应用于测量中。

2.5 功能强大的海量数据分析和数据库管理系统

与电解槽面温升态势智能监控系统相结合，强大的海量数据分析能力和数据库管理系统能实时显示所有电解槽槽面分区区域内的实时温度和变化曲线，以及历史数据、温度变化平均曲线；实时显示准确的报警位置和告警状态值，能查询报警位置的最高告警温度点历史记录；可以根据现场使用情况设定分级的预警值、告警值、报警值；进行各类数据查询：测量点的温度查询、报警纪录的查询、按分区区域的查询、历史数据综合查询等多种功能。

3 系统功能

3.1 系统结构

系统采用展示端、服务器、数据库三层结构，与电解槽面温升态势智能监控系统统一数据处理，实现电解工艺现场监控控制实时可视化。系统的开发是有针对性的，操作界面可根据用户需求个性化设计，具有直观、简单、方便的特点，可以完全满足用户特定开发要求。

3.2 软件功能

实时显示各电解槽的监测温度值，按照间隔固定时间记录温度信息，可随时检索查阅；

(1)可设定多种预警、告警和报警参数；

(2)可查询多个测量点的历史温度记录；

(3)系统设计有预留模块，以便于以后扩充使用；

(4)可根据温度的升高速率进行报警，并可设定报警速率值；

(5)位置查询：可根据探测点在监测区的分布位置准确定位；

(6)报警记录查询：可记录和查询系统内所有的预警、告警和报警记录，并下载和导出；

(7)温度变化曲线查询：可查询各电解槽、探测点的历史变化曲线，并下载和导出；

(8)历史数据查询：可记录和查询系统内1年以上的历史数据，并下载和导出；

(9)系统管理功能：系统支持对进行用户管理、数据管理、权限管理等多种管理功能，操作日志支持下载和导出。

3.3 软件实例界面样例

界面图如图4、图5所示。

4 感温光纤的敷设方案

本应用在充分考虑不影响电解槽自身工作稳定的同时，确保测温效果和可靠性，根据现场实际情况设计光纤敷设监测方式，在电解槽侧壁内部预埋环绕三圈感温光纤。

以4 370 mm×1 200 mm×1 740 mm(长×宽×高)电解槽为例，侧壁厚度为60 mm。在电解槽壁内预埋一根Φ20 mm的线管，线管环绕电解槽三圈，测温光纤穿入线管内，实现对电解槽的温度监测。单个电解槽内预埋线管约35 m，测温光纤约40 m(包含槽体外预留部分)。由于电解槽采用保温隔热材料制成，这种安装方式可以在不影响正常生产的情况下，使电解槽壁对测温精度影响降低到最小。这种安装方式不受电解槽浇筑生产和运输过程的影响，而且方便测温系统运行后期对损耗光纤随时进行更换，确保测温系统正常使用。

图4 系统界面图

图5 系统后台管理界面图

图6 电解槽侧壁测温光纤(光缆)安装示意图

5 结论

系统针对湿法电解生产环境中大电流、强磁干扰、高腐蚀、电解槽体绝对绝缘等特点，采用防腐蚀、耐高温、无金属绝缘材料制成的感温光纤环绕在电解槽侧壁，能够立体地实时在线监测电解槽体和槽内电解液、电极板的温度，根据温度变化，分析电解槽的热平衡状态。并结合电解槽槽面温升态势监控系统，可以精确地发现和定位电解槽的异常状况，有效的保证电解工艺的长期稳定运行，使电解工艺长期处于最佳运行状况，能有效减少故障，降低能耗损失，提升生产效能，以此持续创造巨大的经济价值。