肖先勇 楊慶峰 馬祥 吳楠

作者簡介：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)測量可靠穩(wěn)定、數(shù)值準(zhǔn)確，測量誤差不超過±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 鍋爐熱膨脹 位移傳感器 燃燒優(yōu)化調(diào)整

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

火電廠鍋爐在運(yùn)行過程中各設(shè)備和部件在加壓、升溫時(shí)會出現(xiàn)不同方向的熱膨脹位移變化，采用三維熱膨脹位移檢測裝置能及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過程中各部件熱膨脹變化情況，對鍋爐燃燒優(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裝置，用于測量鍋爐各關(guān)鍵部件膨脹或收縮過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量功能的鍋爐熱膨脹位移檢測系統(tǒng)作為鍋爐實(shí)時(shí)熱膨脹檢測手段，通過及時(shí)反饋各關(guān)鍵被測部件膨脹數(shù)值來改善運(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、泄漏等問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用就地位移檢測裝置測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)字信號傳輸至膨脹就地機(jī)箱。膨脹就地機(jī)箱將檢測到的就地各膨脹測點(diǎn)拉伸位移值采用算法轉(zhuǎn)換得到鍋爐各測點(diǎn)三維方向（x、y、z方向）膨脹值，并通過網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將膨脹值通過以太網(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量垂直方向的拉伸值，通過補(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），對應(yīng)傳感器的拉繩拉伸值變化為L′、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為單膨脹測點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體膨脹測點(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)場測點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行配置，測點(diǎn)數(shù)量定義為N，每個(gè)測點(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裝置、信號轉(zhuǎn)換盒、膨脹就地機(jī)箱及通信電纜等組成，如圖3所示。

就地位移檢測裝置安裝于就地膨脹測點(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。信號轉(zhuǎn)換盒安裝于就地膨脹測點(diǎn)旁，信號轉(zhuǎn)換盒內(nèi)置信號轉(zhuǎn)換模塊，其功能為將測點(diǎn)位移傳感器拉伸值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

信號轉(zhuǎn)換模塊采用AD轉(zhuǎn)換電路采集膨脹位移測量端各路拉繩拉伸值，其內(nèi)置的基于AT91SAM9261的工業(yè)級ARM微處理器對位移拉伸值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析；采用工業(yè)級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，通過液晶屏顯示界面設(shè)置位移修正值、監(jiān)測端地址等參數(shù)；采用SRAM、FLASH存儲器存儲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。

就地各測點(diǎn)的數(shù)字信號經(jīng)過串聯(lián)進(jìn)入膨脹就地機(jī)箱內(nèi)，對信號進(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)了解各測點(diǎn)膨脹工況。各測點(diǎn)三維膨脹值通過以太網(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［10］。

3 現(xiàn)場實(shí)施及應(yīng)用

項(xiàng)目選取國內(nèi)某1 050 MW超臨界機(jī)組π型鍋爐作為膨脹位移現(xiàn)場測試研究對象，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)膨脹檢測點(diǎn)，并在對應(yīng)檢測點(diǎn)加裝三維熱膨脹位移在線檢測裝置［11，12］，具體測點(diǎn)布置見表1。

表1 測點(diǎn)布置表

膨脹檢測點(diǎn)所布置的位移檢測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)等級優(yōu)于IP65，全天候使用，不影響測量精度和靈敏度［13，14］。前墻大風(fēng)箱左側(cè)膨脹檢測裝置如圖4所示。

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

測點(diǎn)位移量值顯示界面如圖5所示。

4 應(yīng)用測試數(shù)據(jù)分析

4.1 膨脹位移數(shù)據(jù)誤差參比測試

選取左側(cè)后包墻出口集箱處檢測點(diǎn)（測點(diǎn)12）進(jìn)行膨脹位移數(shù)據(jù)誤差參比測試：先就地采用游標(biāo)卡尺實(shí)測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)讀取顯示界面對應(yīng)的測點(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，測點(diǎn)在x、y、z方向上的膨脹位移值增大，三維方向?qū)崪y值與顯示值大小及增長趨勢方向高度一致。從數(shù)據(jù)對比得到，x方向膨脹位移實(shí)測值和顯示值的差值|Δx|≤1 mm，y方向膨脹位移實(shí)測值和顯示值的差值

|Δy|≤1 mm，z方向膨脹位移實(shí)測值和顯示值的差值|Δz|≤2 mm，綜合測點(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)荷階段工況作為測試環(huán)境，在此期間將采集到的各測點(diǎn)三維膨脹位移值進(jìn)行折線處理，分析不同測點(diǎn)位置膨脹曲線變化趨勢，判斷爐膛各區(qū)域熱負(fù)荷情況并探索對應(yīng)區(qū)域燃燒調(diào)整方法。

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

圖7 膨脹檢測點(diǎn)布置示意圖

測試期間記錄了6～9號膨脹檢測點(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）。為便于理解測點(diǎn)在爐膛前、后、左、右、上、下方位的膨脹值對應(yīng)情況，將x、y、z方向轉(zhuǎn)換為膨脹測點(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組檢測點(diǎn)膨脹位移值，各檢測點(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號檢測點(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號檢測點(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，各檢測點(diǎn)膨脹位移值變化較小，趨于穩(wěn)定，各膨脹檢測點(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

所研制的鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、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)測量誤差較小，對各膨脹檢測點(diǎn)在機(jī)組全負(fù)荷范圍內(nèi)的三維位移值測量具備實(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)效性差等問題。該系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用對鍋爐運(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）