高炉冷却壁光纤光栅智能监测机理的研究

以监测高炉冷却壁热状态为目标，开展冷却壁温度场及应力场光纤光栅智能监测机理、冷却壁进出水温差、流量及热负荷监测机理、冷却壁状态评估理论模型和相关实验技术研究。基于冷却壁传热模型、光纤光栅传感技术和人工神经网络技术建立高炉冷却壁温度和热应力场的智能监测模型。监测模型可以对冷却壁进行多点温度和热应力值的在线监测，还可对冷却壁热面最高温度和最大热应力进行预报；基于光纤布喇格光栅耦合模理论，对冷却壁水温差、流量、流速及热负荷进行监测机理研究；对冷却壁进行1：1热态实验研究，验证和修正智能监测系统以及进行冷却壁冷却水光纤光栅温度传感特性和应变传感特性的实验研究；进行冷却壁状态评估系统研究。智能监测对监测数据进行在线评估（如预警、初步评估等）和离线评估（如数据融合、信息提取、损伤识别和结构的安全性评估）。

基于光纤光栅传感技术，进行应用于冷却壁测试的光纤光栅温度和应变测量精度、光纤光栅应变测量抗电磁干扰、抗零漂及重复性实验研究，实验表明，光纤光栅温度测量精度为±1%/F.S.，光纤光栅贴于冷却壁表面，具有良好的抗电磁干扰性能、零点漂移很小和良好的重复性。对高炉冷却壁进行了三维传热和应力模型的研究。分析了冷却壁本体与冷却水之间的热交换，得出了冷却水管与冷却壁本体之间的气隙层厚度是影响冷却壁冷却性能的最主要的因素之一。对高炉冷却壁进行了1:1热态实验。通过热态实验验证了高炉冷却壁三维传热模型的正确性，为高炉冷却壁智能监测模型的建立确立了理论基础。对高炉冷却壁1:2比例进行了基于光纤光栅传感技术的热态实验研究，为光纤光栅技术在冷却壁温度和热应力检测和冷却水流量和温度的检测奠定基础。基于冷却壁传热模型、光纤光栅传感技术和人工神经网络技术建立高炉冷却壁温度和热应力场的智能监测模型。基本模型保证通用性，采用适当简化的回归关系式，以使计算简易；人工神经网络通过对实验数据的学习，可提高模型与实际物理过程的吻合程度。针对智能监测模型和实验训练得出了基于参数修正因子的高炉冷却壁智能监测模型，该模型智能监测得出的热面最高温度和热应力与实验所测数据基本吻合，相对误差在3%以内，因而可以认为，基于模型的智能监测是有效的，可以满足高炉冷却壁现场监测的需要。对高炉冷却壁进行了基于光纤光栅技术的冷却水水温和流量的实验研究。设计出带温度补偿的光纤光栅冷却水流量计，通过实验室实验，得出了波长与水流量的关系，从而确立了以光纤光栅为基础的冷却壁水温度和流量传感器的研究方向，也为冷却壁冷却水光纤光栅流量计的开发奠定了理论基础。光纤光栅冷却壁水流量和温度传感器测量精度高、体积小、成本低、更换方便。对高炉冷却壁现场智能监测进行了智能监测软件的开发以及冷却壁安全性能的评估。针对高炉冷却壁现场使用的特点，开发出冷却壁在线智能监测软件，并应用于国内某一钢铁公司的两座高炉上，实时在线监测高炉冷却壁的热面最高温度、热面最大热应力、冷却壁热面圆周渣皮厚度以及对热面最高温度和渣皮厚度报警和安全性评估。