嵌入式鍋爐蓄熱量檢測儀

陳 衛(wèi)，周 楠

(1．浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州 310014；2．杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)組協(xié)調(diào)控制中起著非常重要的作用，準(zhǔn)確檢測鍋爐在不同工況下的蓄熱量可使機(jī)組控制品質(zhì)得以提高，以提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)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(jī)理分析計算法[2-4]和試驗測試法[5]兩類。傳統(tǒng)機(jī)理分析法實現(xiàn)的硬件平臺以DCS控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過與DCS通信獲取鍋爐相關(guān)測點的測量數(shù)據(jù)，在工控機(jī)上完成蓄熱量的分析和計算。試驗測試法是在機(jī)組運(yùn)行中，穩(wěn)定燃燒的條件下，通過汽機(jī)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(jìn)行處理得到對應(yīng)工況下的蓄熱量。傳統(tǒng)機(jī)理分析法依賴于DCS系統(tǒng)、獨立性差，且得到計算結(jié)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(yùn)行中，試驗條件很難得到滿足，測試準(zhǔn)確度較低。

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

1 蓄熱測試機(jī)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(shè)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(jī)理進(jìn)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(dǎo)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(fù)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(rèn)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(fù)雜、體積龐大，機(jī)理分析計算復(fù)雜[8]?？紤]到機(jī)組在運(yùn)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(dá)到設(shè)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(dǎo)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(shè)計

2．1檢測儀硬件功能設(shè)計

檢測儀硬件電路主要由ARM11核心板、多路A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jī)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(zhuǎn)換器將與蓄熱有關(guān)的現(xiàn)場測點變送器輸出采集到ARM芯片，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理和模型運(yùn)算得到鍋爐蓄熱量的值。檢測結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器及V/I變換電路以4～20 mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，以便于控制系統(tǒng)應(yīng)用。

2．2A/D轉(zhuǎn)換模塊

多路A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC2543串行多路A/D轉(zhuǎn)換芯片[10]，采用COMS技術(shù)，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(dǎo)致輸入信號的波動。S3C6410配置為SPI總線上的主設(shè)備，TLC2543配置為從設(shè)備。

圖2 TLC2543與S3C6410接口電路

2．3D/A輸出及V/I轉(zhuǎn)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(jié)果，便于DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用。利用S3C6410內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器輸出DAC_OUT1接V/I轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)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(wù)、多種體系結(jié)構(gòu)[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(jī)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(jī)畫面顯示、多路A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、蓄熱量計算、結(jié)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(zhuǎn)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(shè)備，需要編寫字符型設(shè)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(shè)備驅(qū)動的file - operations結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jī)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(jìn)口溫度及低溫過熱器壁溫。為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對直接采集的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括剔除粗大誤差和標(biāo)度變換。

根據(jù)前述導(dǎo)出的蓄熱計算公式式(1)、式(2)、式(3)，對給定的機(jī)組需要先按鍋爐設(shè)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(jié)果，其和即為鍋爐總的蓄熱量。

4 試驗結(jié)果

對某300 MW單元機(jī)組，鍋爐型號為：HG-1025/17．5-YM15，根據(jù)提供的機(jī)組資料可以求出關(guān)于鍋爐的相關(guān)設(shè)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(jī)組正常運(yùn)行時，水位變化范圍較小，可將其對水和蒸汽容積的影響進(jìn)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(yīng)的水和蒸汽的容積，以使結(jié)果更加準(zhǔn)確。表1給出了根據(jù)實際運(yùn)行數(shù)據(jù)計算結(jié)果，表中以汽包壓力代表機(jī)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(jié)果的變化趨勢與文獻(xiàn)[2]的結(jié)論相同。

表1 鍋爐蓄熱量檢測結(jié)果

5 結(jié)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(zhǔn)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(jié)果的實時性，有助于提高單元機(jī)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(yīng)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(jī)組過程控制。E-mail：chenwei_jiangsn@163．com