肖先勇 楊慶峰 馬祥 吳楠

作者簡(jiǎn)介：肖先勇（1985-），工程師，從事電站鍋爐設(shè)備智能控制的研究及應(yīng)用工作，xiaoxianyong@szebc.com。

引用本文：肖先勇，楊慶峰，馬祥，等.鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2024，

51（2）：350-356.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402027

摘 要 針對(duì)鍋爐傳統(tǒng)機(jī)械式三維膨脹指示器存在的人工讀數(shù)誤差大、數(shù)據(jù)時(shí)效性差等弊端，研制了鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在全負(fù)荷范圍內(nèi)三維熱膨脹位移值的在線測(cè)量。在某

1 050 MW超臨界機(jī)組π型鍋爐上的應(yīng)用表明：該系統(tǒng)測(cè)量可靠穩(wěn)定、數(shù)值準(zhǔn)確，測(cè)量誤差不超過(guò)±2 mm，有助于鍋爐運(yùn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，并能有效提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

關(guān)鍵詞 在線檢測(cè) 鍋爐熱膨脹 位移傳感器 燃燒優(yōu)化調(diào)整

中圖分類號(hào) TP277? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號(hào) 1000-3932（2024）02-0350-07

火電廠鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中各設(shè)備和部件在加壓、升溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同方向的熱膨脹位移變化，采用三維熱膨脹位移檢測(cè)裝置能及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過(guò)程中各部件熱膨脹變化情況，對(duì)鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整及安全運(yùn)行具有重要的參考指導(dǎo)作用［1］。

現(xiàn)有鍋爐主要采用機(jī)械指針式膨脹位移檢測(cè)裝置，用于測(cè)量鍋爐各關(guān)鍵部件膨脹或收縮過(guò)程中三維方向位移變化值［2］。由于采取機(jī)械式指針讀數(shù)，需要維護(hù)人員定期巡檢鍋爐各部件位置并記錄相應(yīng)位移變化值，由此增加了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員工作量，且各部件位移變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸?shù)郊厥夜┫嚓P(guān)人員參考和分析。

在燃料價(jià)格上升、環(huán)保要求提升、運(yùn)行成本增加、新能源全額上網(wǎng)擠占電量及間歇性能源增加等背景下，造成的電網(wǎng)調(diào)度難度大多轉(zhuǎn)移到火電調(diào)峰上?；痣姍C(jī)組在調(diào)峰時(shí)需要頻繁啟停進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，造成鍋爐設(shè)備受到交變應(yīng)力影響，容易引起鍋爐各關(guān)鍵部件產(chǎn)生三維膨脹，出現(xiàn)疲勞損傷［3～5］。因此，亟待一種具備在線測(cè)量功能的鍋爐熱膨脹位移檢測(cè)系統(tǒng)作為鍋爐實(shí)時(shí)熱膨脹檢測(cè)手段，通過(guò)及時(shí)反饋各關(guān)鍵被測(cè)部件膨脹數(shù)值來(lái)改善運(yùn)行操作策略，減少鍋爐的疲勞損傷，防止膨脹不均發(fā)生裂紋、泄漏等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用就地位移檢測(cè)裝置測(cè)量鍋爐各膨脹部件水平和垂直方向位移傳感器拉伸位移值，并將位移值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至膨脹就地機(jī)箱。膨脹就地機(jī)箱將檢測(cè)到的就地各膨脹測(cè)點(diǎn)拉伸位移值采用算法轉(zhuǎn)換得到鍋爐各測(cè)點(diǎn)三維方向（x、y、z方向）膨脹值，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將膨脹值通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給DCS或其他采集端［6～9］。

垂直方向上，在垂直指針上布置1只垂直位移傳感器測(cè)量垂直方向的拉伸值，通過(guò)補(bǔ)償修正其初始值，得到垂直方向的位移值。

水平方向上，在水平位移參考盤上布置3只拉繩平面位移傳感器，詳細(xì)算法結(jié)合圖1所示，A、B、C3點(diǎn)為平面位移傳感器安裝點(diǎn)，位于參考盤相鄰三邊中垂線交叉點(diǎn)。O（0，0）點(diǎn)為水平零位點(diǎn)，

L、L、L為膨脹部件處于零位點(diǎn)時(shí)拉繩拉伸值。當(dāng)發(fā)生水平膨脹位移后，O（0，0）點(diǎn)移動(dòng)到O′（x，

y），對(duì)應(yīng)傳感器的拉繩拉伸值變化為L(zhǎng)′、L′、L′。采用三點(diǎn)定位法結(jié)合三角函數(shù)公式得到水平位移坐標(biāo)值計(jì)算方法：

（L-y）+x=L′

（L+y）+x=L′

代入已知的L、L、L′、L′值，解出x、y值，得到O′點(diǎn)平面坐標(biāo)值（x，y）。

需要指出的是，膨脹測(cè)點(diǎn)落入不同象限所采用的三角函數(shù)計(jì)算公式不同，圖1示例為膨脹測(cè)點(diǎn)落在第一象限情況下的計(jì)算方式，其余情況需根據(jù)3只位移傳感器的拉繩拉伸值判斷膨脹點(diǎn)所在象限，再根據(jù)對(duì)應(yīng)三角函數(shù)計(jì)算公式得到坐標(biāo)位移值。

圖2為單膨脹測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體膨脹測(cè)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行配置。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)根據(jù)鍋爐應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行配置，測(cè)點(diǎn)數(shù)量定義為N，每個(gè)測(cè)點(diǎn)輸出x、y、z三維方向膨脹值至DCS或其他采集端。系統(tǒng)主要由就地位移檢測(cè)裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換盒、膨脹就地機(jī)箱及通信電纜等組成，如圖3所示。

就地位移檢測(cè)裝置安裝于就地膨脹測(cè)點(diǎn)處，包含三維膨脹支架、連接導(dǎo)桿、位移傳感器、防護(hù)外殼罩等。信號(hào)轉(zhuǎn)換盒安裝于就地膨脹測(cè)點(diǎn)旁，信號(hào)轉(zhuǎn)換盒內(nèi)置信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，其功能為將測(cè)點(diǎn)位移傳感器拉伸值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用AD轉(zhuǎn)換電路采集膨脹位移測(cè)量端各路拉繩拉伸值，其內(nèi)置的基于AT91SAM9261的工業(yè)級(jí)ARM微處理器對(duì)位移拉伸值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析；采用工業(yè)級(jí)2.4英寸TFT液晶屏作為人機(jī)顯示界面；采用薄膜按鍵作為參數(shù)設(shè)置按鍵，通過(guò)液晶屏顯示界面設(shè)置位移修正值、監(jiān)測(cè)端地址等參數(shù)；采用SRAM、FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)AD采樣數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序和設(shè)置參數(shù)；采用抗雷擊抗靜電沖擊的MAX系列RS-485總線芯片設(shè)計(jì)通信模塊，提高模塊在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的可靠性；通信模塊采用MODBUS RTU協(xié)議與膨脹就地機(jī)箱數(shù)據(jù)通信。

就地各測(cè)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)串聯(lián)進(jìn)入膨脹就地機(jī)箱內(nèi)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析。z軸方向結(jié)合垂直方向布置的一只拉繩位移傳感器直接測(cè)量并修正得到z方向位移值，x、y軸方向結(jié)合水平方向布置的3只拉繩位移傳感器拉伸值及三點(diǎn)定位法、三角函數(shù)公式，得到水平x、y方向位移。與此同時(shí)，三維方向位移值集中顯示在機(jī)箱內(nèi)網(wǎng)關(guān)顯示屏上，方便巡檢人員及時(shí)了解各測(cè)點(diǎn)膨脹工況。各測(cè)點(diǎn)三維膨脹值通過(guò)以太網(wǎng)通信方式傳輸至DCS，根據(jù)膨脹就地機(jī)箱到DCS距離，采用光纖光纜（或網(wǎng)線）傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)［10］。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及應(yīng)用

項(xiàng)目選取國(guó)內(nèi)某1 050 MW超臨界機(jī)組π型鍋爐作為膨脹位移現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究對(duì)象，并實(shí)施工程應(yīng)用。根據(jù)該爐型的燃燒運(yùn)行要求，結(jié)合該爐型熱膨脹系統(tǒng)圖，在鍋爐共布置16個(gè)膨脹檢測(cè)點(diǎn)，并在對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)加裝三維熱膨脹位移在線檢測(cè)裝置［11，12］，具體測(cè)點(diǎn)布置見表1。

表1 測(cè)點(diǎn)布置表

膨脹檢測(cè)點(diǎn)所布置的位移檢測(cè)裝置充分考慮就地惡劣環(huán)境，所有傳感器采用電纜方式封裝，具有防塵、防水、防腐蝕及防卡澀功能，防護(hù)等級(jí)優(yōu)于IP65，全天候使用，不影響測(cè)量精度和靈敏度［13，14］。前墻大風(fēng)箱左側(cè)膨脹檢測(cè)裝置如圖4所示。

膨脹就地機(jī)箱對(duì)位移檢測(cè)裝置采集輸出的位移數(shù)據(jù)處理后得到各檢測(cè)點(diǎn)三維膨脹值，并輸出對(duì)應(yīng)x、y、z軸方向的位移值。

測(cè)點(diǎn)位移量值顯示界面如圖5所示。

4 應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1 膨脹位移數(shù)據(jù)誤差參比測(cè)試

選取左側(cè)后包墻出口集箱處檢測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)12）進(jìn)行膨脹位移數(shù)據(jù)誤差參比測(cè)試：先就地采用游標(biāo)卡尺實(shí)測(cè)x、y、z方向膨脹位移值，將其作為標(biāo)準(zhǔn)參考值，同時(shí)在膨脹就地機(jī)箱內(nèi)讀取顯示界面對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)x、y、z方向膨脹位移值，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2中數(shù)據(jù)為發(fā)電機(jī)功率從0 MW（冷爐狀態(tài)）上升至1 050 MW（滿負(fù)荷狀態(tài)）期間所采集的12組膨脹位移實(shí)測(cè)值和顯示值。根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著鍋爐啟爐，測(cè)點(diǎn)在x、y、z方向上的膨脹位移值增大，三維方向?qū)崪y(cè)值與顯示值大小及增長(zhǎng)趨勢(shì)方向高度一致。從數(shù)據(jù)對(duì)比得到，x方向膨脹位移實(shí)測(cè)值和顯示值的差值|Δx|≤1 mm，y方向膨脹位移實(shí)測(cè)值和顯示值的差值

|Δy|≤1 mm，z方向膨脹位移實(shí)測(cè)值和顯示值的差值|Δz|≤2 mm，綜合測(cè)點(diǎn)溫升膨脹數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該差值可控，系統(tǒng)誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 膨脹位移數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

選取爐膛變負(fù)荷階段工況作為測(cè)試環(huán)境，在此期間將采集到的各測(cè)點(diǎn)三維膨脹位移值進(jìn)行折線處理，分析不同測(cè)點(diǎn)位置膨脹曲線變化趨勢(shì)，判斷爐膛各區(qū)域熱負(fù)荷情況并探索對(duì)應(yīng)區(qū)域燃燒調(diào)整方法。

本次測(cè)試選取鍋爐前后墻對(duì)沖燃燒器附近的4個(gè)膨脹檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為測(cè)試分析對(duì)象，檢測(cè)點(diǎn)包括前墻大風(fēng)箱左側(cè)（6號(hào)檢測(cè)點(diǎn)）、前墻大風(fēng)箱右側(cè)（7號(hào)檢測(cè)點(diǎn)）、后墻大風(fēng)箱右側(cè)（8號(hào)檢測(cè)點(diǎn)）、后墻大風(fēng)箱左側(cè)（9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)），具體布置如圖7所示。

圖7 膨脹檢測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)試期間記錄了6～9號(hào)膨脹檢測(cè)點(diǎn)在機(jī)組發(fā)電機(jī)功率600～1 050 MW間的膨脹位移值（表3）。為便于理解測(cè)點(diǎn)在爐膛前、后、左、右、上、下方位的膨脹值對(duì)應(yīng)情況，將x、y、z方向轉(zhuǎn)換為膨脹測(cè)點(diǎn)在爐膛方位上的關(guān)系。據(jù)表3所繪曲線如圖8所示。根據(jù)表3和圖8可知，機(jī)組發(fā)電機(jī)功率在600～1 050 MW之間，共采集8組檢測(cè)點(diǎn)膨脹位移值，各檢測(cè)點(diǎn)三維方向膨脹位移值呈曲線波動(dòng)，在鍋爐前、后、左、右向的膨脹位移值波動(dòng)范圍小于10 mm，在鍋爐上、下向的膨脹值波動(dòng)范圍小于15 mm。該鍋爐6～9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)下向膨脹設(shè)計(jì)值不大于329 mm，實(shí)際運(yùn)行期間下向膨脹位移最大值分別為292、288、266、260 mm，均不大于329 mm，滿足膨脹設(shè)計(jì)值要求。

結(jié)合6～9號(hào)檢測(cè)點(diǎn)在機(jī)組不同功率工況下三維膨脹位移值大小及方向得出，機(jī)組功率在高位運(yùn)行期間，各檢測(cè)點(diǎn)膨脹位移值變化較小，趨于穩(wěn)定，各膨脹檢測(cè)點(diǎn)膨脹位移值均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，未出現(xiàn)超膨脹或預(yù)警情況［15］。

5 結(jié)束語(yǔ)

所研制的鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，免維護(hù)。在1 050 MW機(jī)組上進(jìn)行的研究應(yīng)用表明，該系統(tǒng)測(cè)量誤差較小，對(duì)各膨脹檢測(cè)點(diǎn)在機(jī)組全負(fù)荷范圍內(nèi)的三維位移值測(cè)量具備實(shí)時(shí)在線、可靠穩(wěn)定、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，解決了機(jī)械式三維膨脹指示器人工讀數(shù)誤差大、數(shù)據(jù)時(shí)效性差等問(wèn)題。該系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用對(duì)鍋爐運(yùn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整起到重要的參考和補(bǔ)充作用，借助該系統(tǒng)可為機(jī)組運(yùn)行及燃燒優(yōu)化調(diào)整制定最優(yōu)升溫、升壓曲線，避免鍋爐膨脹超限、鍋爐泄漏等問(wèn)題，有效提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

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（收稿日期：2023-02-22，修回日期：2024-01-29）