陳 衛(wèi)，周 楠

(1．浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州 310014；2．杭州職業(yè)技術學院，浙江杭州 310018)

0 引言

鍋爐蓄熱可用蓄熱系數(shù)來表示，是指單位壓力變化時鍋爐存儲或釋放的蒸汽量[1]，包括鍋爐汽、水系統(tǒng)中工質(zhì)及金屬中存儲或釋放的熱量。鍋爐蓄熱量在單元機組協(xié)調(diào)控制中起著非常重要的作用，準確檢測鍋爐在不同工況下的蓄熱量可使機組控制品質(zhì)得以提高，以提高機組的負荷響應速率、更好地滿足電力系統(tǒng)自動發(fā)電控制(AGC)的要求。

目前，獲取鍋爐蓄熱量的方法主要有機理分析計算法[2-4]和試驗測試法[5]兩類。傳統(tǒng)機理分析法實現(xiàn)的硬件平臺以DCS控制系統(tǒng)為基礎，通過與DCS通信獲取鍋爐相關測點的測量數(shù)據(jù)，在工控機上完成蓄熱量的分析和計算。試驗測試法是在機組運行中，穩(wěn)定燃燒的條件下，通過汽機調(diào)門試驗，記錄汽包壓力、主蒸汽流量的變化曲線，然后對曲線進行處理得到對應工況下的蓄熱量。傳統(tǒng)機理分析法依賴于DCS系統(tǒng)、獨立性差，且得到計算結果用于協(xié)調(diào)控制中需經(jīng)過二次通信，實時性較差。試驗測試法只能得到少數(shù)工況下的蓄熱量，且在實際運行中，試驗條件很難得到滿足，測試準確度較低。

文中基于嵌入式Linux系統(tǒng)平臺，設計了一種鍋爐蓄熱量在線檢測儀。該檢測儀以機理建模為基礎，通過A/D轉換器采集現(xiàn)場相關測點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對鍋爐蓄熱量的檢測，檢測結果通過D/A轉換器以4～20 mA的形式輸出。

1 蓄熱測試機理分析

鍋爐蓄熱量是汽、水工質(zhì)蓄熱量和受熱面金屬蓄熱量的總和。參與蓄熱的主要設備包括汽包、水冷壁和過熱器[2]，以下由能量守恒原理對蓄熱機理進行分析。

1．1汽包蓄熱

汽包蓄熱的組成包括金屬蓄熱、飽和水及飽和蒸汽蓄熱3部分。根據(jù)能量守恒原理，汽包動態(tài)熱平衡方程為：

式中：Q為單位時間內(nèi)水冷壁從爐膛中吸收的熱量，kJ/s；D0為鍋爐給水流量，kg/s；Dk為汽包出口蒸汽流量，kg/s；i0為鍋爐給水(省煤器出口)焓值，kJ/kg；i″為汽包出口蒸汽焓值，kJ/kg；iw為汽包中飽和水焓值，kJ/kg；is為汽包中飽和蒸汽焓值，kJ/kg；Mw為汽包中飽和水質(zhì)量，kg；Ms為汽包中飽和蒸汽質(zhì)量，kg；qjs為汽包金屬的蓄熱量，kJ．

令Qr=Mwiw+Msis+qjs，即Qr為汽包蓄熱(包括飽和水、飽和蒸汽及金屬蓄熱，kJ)為汽包壓力Pb的函數(shù)。從而可導出汽包蓄熱量為：

(1)

式中：ρs為汽包中飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρw為汽包中飽和水的密度，kg/m3；V0為汽包有效容積，m3；Vw為汽包中飽和水容積，m3；Mw=ρwVw；T為金屬溫度，℃；Gjs汽包中金屬的總質(zhì)量；Cjs為汽包金屬的比熱。

1．2水冷壁蓄熱

水冷壁中的工質(zhì)包括過冷水、飽和水和飽和蒸汽，飽和水與飽和蒸汽呈混溶狀態(tài)并沒有明顯的分界線。為簡化計算，將水冷壁分為加熱段和蒸發(fā)段，正常情況下，在負荷安全范圍內(nèi)，加熱段的高度維持在1/3左右[9]，因此只要知道了飽和水的體積和容積含汽率就能求出飽和蒸汽的質(zhì)量。壓力變化時，過冷水產(chǎn)生的蓄熱量很小，可以忽略不計。從而得到水冷壁蓄熱量為：

(2)

式中：ρs1為水冷壁中飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρw1為水冷壁中飽和水的密度，kg/m3；Vs1為水冷壁中飽和蒸汽的體積，m3；Vw1為水冷壁中飽和水的體積，m3；T為金屬溫度，℃；β為容積含汽率；Gjs1為水冷壁金屬的總質(zhì)量；Cjs1為水冷壁金屬的比熱。

1．3過熱器蓄熱

過熱器的蓄熱量可以認為是過熱蒸汽蓄熱與受熱面金屬蓄熱之和。電站鍋爐有多種形式的過熱器，管路長、布局復雜、體積龐大，機理分析計算復雜[8]?？紤]到機組在運行過程中，采用噴水減溫水的方法來控制過熱汽溫，使過熱汽溫達到設定值，因此以下主要考慮立式低溫過熱器和水平低溫過熱器的蓄熱量。

根據(jù)能量守恒原理，可導出過熱器的蓄熱量為：

(3)

式中：ρs2為過熱蒸汽密度，kg/m3；Vs2為過熱蒸汽體積(管道容積)，m3；Ms為過熱蒸汽的質(zhì)量，kg；is2為過熱蒸汽的平均焓值，kJ/kg；T為金屬溫度，℃；Gjs2為過熱器金屬的總質(zhì)量；Cjs2為過熱器金屬的比熱。

2 檢測儀硬件電路設計

2．1檢測儀硬件功能設計

檢測儀硬件電路主要由ARM11核心板、多路A/D轉換模塊、D/A轉換、V/I轉換、觸摸屏及通信接口等組成，如圖1所示。

圖1 檢測儀硬件結構框圖

采用S3C6410芯片作為數(shù)據(jù)處理及控制單元，4．3英寸觸摸屏作為人機交互單元。由于不存在直接的物理傳感器檢測鍋爐蓄熱量，檢測儀選用多路A/D轉換器將與蓄熱有關的現(xiàn)場測點變送器輸出采集到ARM芯片，經(jīng)數(shù)據(jù)預處理和模型運算得到鍋爐蓄熱量的值。檢測結果通過D/A轉換器及V/I變換電路以4～20 mA DC標準信號輸出，以便于控制系統(tǒng)應用。

2．2A/D轉換模塊

多路A/D轉換器選用TLC2543串行多路A/D轉換芯片[10]，采用COMS技術，具有12位分辨率，11個輸入通道。

TLC2543芯片通過SPI方式與S3C6410芯片接口，占用I/O口線少，TLC2543的DOUT、SCLK、DIN及CS引腳分別連接到S3C6410芯片的SPIMIS0、SPICLK0、SPIMOS0及SPICS0引腳，接口電路如圖2所示。模擬輸入信號的范圍是0～5 V DC，需要外接一個1.2 kΩ的下拉電阻，否則會導致輸入信號的波動。S3C6410配置為SPI總線上的主設備，TLC2543配置為從設備。

圖2 TLC2543與S3C6410接口電路

2．3D/A輸出及V/I轉換模塊

為提高蓄熱量檢測的實時性，檢測儀以模擬量4～20 mA DC的形式輸出檢測結果，便于DCS控制系統(tǒng)應用。利用S3C6410內(nèi)部D/A轉換器輸出DAC_OUT1接V/I轉換電路實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 V/I轉換電路

3 軟件設計

檢測儀所用S3C6410核心板移植的是Linux-2．6．29系統(tǒng)，內(nèi)核通用、穩(wěn)定、可裁剪，支持多任務、多種體系結構[11-15]。Linux系統(tǒng)分為內(nèi)核空間和用戶空間，系統(tǒng)通過內(nèi)核空間的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)用戶空間與底層硬件的聯(lián)系。檢測儀的數(shù)據(jù)處理程序及人機交互界面是在嵌入式Linux的Qt Creator集成開發(fā)環(huán)境下編程實現(xiàn)的。

3．1軟件總體流程圖

檢測儀軟件主要由初始化、開機畫面顯示、多路A/D轉換、數(shù)據(jù)預處理、蓄熱量計算、結果顯示及D/A輸出幾個部分組成，總體流程圖如圖4所示。

圖4 軟件總體流程圖

3．2A/D轉換器驅(qū)動程序

如圖2所示，TLC2543以SPI方式與S3C6410接口，TLC2543屬于字符型設備，需要編寫字符型設備驅(qū)動程序，以實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)采集。驅(qū)動程序主要包括TLC2543模塊的加載與卸載函數(shù)、及字符設備驅(qū)動的file - operations結構體中的成員函數(shù)，包括：open()、close()、write()、read()等，這些函數(shù)實現(xiàn)了對模數(shù)轉換器TLC2543的配置與讀寫操作。

3．3數(shù)據(jù)處理及蓄熱量計算

由機理分析可知，要得到鍋爐蓄熱量需要采集的測點數(shù)據(jù)包括：汽包壓力、汽包水位、汽包壁溫、省煤器出口給水溫度、主汽壓力、一級過熱器減溫器進口溫度及低溫過熱器壁溫。為保證測量結果的準確性和可靠性，需要對直接采集的測點數(shù)據(jù)進行預處理，預處理包括剔除粗大誤差和標度變換。

根據(jù)前述導出的蓄熱計算公式式(1)、式(2)、式(3)，對給定的機組需要先按鍋爐設計圖紙資料確定其中的汽包有效容積、汽包金屬總質(zhì)量、水冷壁有效容積、水冷壁金屬總質(zhì)量、容積含汽率、過熱器管道有效容積、過熱器金屬總質(zhì)量等參數(shù)。而式中的密度、焓值、比熱等可由查表程序根據(jù)實時測點數(shù)據(jù)查得。將以上參數(shù)及測點數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)、式(3)，即可得到汽包、水冷壁、過熱器的蓄熱量結果，其和即為鍋爐總的蓄熱量。

4 試驗結果

對某300 MW單元機組，鍋爐型號為：HG-1025/17．5-YM15，根據(jù)提供的機組資料可以求出關于鍋爐的相關設計數(shù)據(jù)：汽包的有效容積為35.48 m3，汽包金屬的有效質(zhì)量為120 748 kg；水冷壁的有效容積為44.8 m3，金屬有效質(zhì)量為271 110 kg；過熱器的有效容積為106 m3，金屬的有效質(zhì)量為669 316 kg．汽包水位的變化會對汽包中水和蒸汽的有效容積帶來影響，在機組正常運行時，水位變化范圍較小，可將其對水和蒸汽容積的影響進行離線計算，檢測儀編程中用查表的方法得到實時汽包水位對應的水和蒸汽的容積，以使結果更加準確。表1給出了根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)計算結果，表中以汽包壓力代表機組工況的變化。

由表1可以看出，汽包蓄熱量隨壓力降低呈明顯下降的趨勢，水冷壁蓄熱量在壓力為17 MPa左右出現(xiàn)拐點，而過熱器蓄熱量隨壓力降低有所下降，但變化量相對較小，測試結果的變化趨勢與文獻[2]的結論相同。

表1 鍋爐蓄熱量檢測結果

5 結論

基于ARM-Linux平臺實現(xiàn)的鍋爐蓄熱量在線檢測裝置可以解決現(xiàn)有蓄熱量計算或測試方法準確度不高、通用性差、依賴于DCS系統(tǒng)等問題，同時有效提高了檢測結果的實時性，有助于提高單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的性能，滿足電網(wǎng)調(diào)度需求，具有較好的應用前景。

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作者簡介：陳衛(wèi)(1980-)，高級工程師，研究方向為火電機組過程控制。E-mail：chenwei_jiangsn@163．com