鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)信號(hào)采集技術(shù)研究

趙　輝

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310051)

0　引言

當(dāng)前，我國(guó)工業(yè)鍋爐存在眾多不足，特別是燃煤工業(yè)鍋爐機(jī)械化和自動(dòng)化程度低、隱患多、效率低、耗能高、污染嚴(yán)重[1-3]。工業(yè)鍋爐產(chǎn)品很少配置較為齊全的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器、儀表及計(jì)量裝置，尤其是一些涉及能效的關(guān)鍵參數(shù)，如排煙含氧量、排煙溫度等。從現(xiàn)有的監(jiān)管手段來(lái)看，由于工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點(diǎn)分散，難以集中監(jiān)管，所以區(qū)域范圍內(nèi)所有工業(yè)鍋爐的安全節(jié)能環(huán)保動(dòng)態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)難以獲取。這給更全面的安全監(jiān)察、能耗和排放監(jiān)測(cè)帶來(lái)了一定的難度。

基于以上現(xiàn)狀，鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好地解決以上問(wèn)題。該系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝或利用已有的傳感器和采集終端，對(duì)鍋爐信號(hào)實(shí)時(shí)采集、編碼，并遠(yuǎn)程傳輸至平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐的24 h在線監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究已經(jīng)展開(kāi)，文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[5]介紹了電站鍋爐在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及軟件的開(kāi)發(fā)和制作，但能效測(cè)試及計(jì)算模型針對(duì)性較強(qiáng)，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，并不適用于工業(yè)鍋爐；文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[11]主要在工業(yè)鍋爐的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，對(duì)熱效率計(jì)算及軟件模型進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[12]～文獻(xiàn)[15]對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究與探討。以上研究均對(duì)該技術(shù)發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

鍋爐信號(hào)采集是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起始端，采集的信號(hào)是否可靠對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及處理至關(guān)重要。因此，本文將從信號(hào)采集分類(lèi)、用途、傳感器選型與安裝以及采集裝置研制這4方面，對(duì)信號(hào)采集技術(shù)進(jìn)行闡述。

1　信號(hào)采集分類(lèi)

鍋爐信號(hào)采集的物理參數(shù)可分為模擬信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)和視頻信號(hào)3類(lèi)。信號(hào)名稱及分類(lèi)信息如表1所示。

表1　信號(hào)名稱及分類(lèi)信息Tab.1　Signal names and classification information

模擬信號(hào)由各型傳感器采集的壓力、溫度、氧量以及由專(zhuān)用計(jì)量裝置采集的流量、煤耗量組成。用于測(cè)量上述物理量的傳感器和計(jì)量裝置安裝在被監(jiān)測(cè)鍋爐本體或管道上，由測(cè)量探頭和變送器組成。輸出信號(hào)統(tǒng)一采用4～20 mA的電流信號(hào)或0～5 V的電壓信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)線接入監(jiān)測(cè)裝置中模擬信號(hào)采集模塊的輸入接口。上述傳感器和計(jì)量裝置輸出電流或電壓信號(hào)通過(guò)1入2出的隔離器后接入模擬信號(hào)采集模塊的輸入端。開(kāi)關(guān)信號(hào)主要由報(bào)警、運(yùn)行、熄火等信號(hào)組成。不同爐型所監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)略有區(qū)別。采集方式為：從鍋爐電控柜內(nèi)的繼電器或接觸器的干接點(diǎn)接入開(kāi)關(guān)信號(hào)采集模塊的輸入端。開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)采集模塊內(nèi)部的光耦隔離電路后接入微控制器。此外，用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵也接入開(kāi)關(guān)信號(hào)采集模塊的輸入端。鍋爐房視頻信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集。

2　信號(hào)采集用途

開(kāi)關(guān)信號(hào)主要為鍋爐由控柜內(nèi)輸出的開(kāi)關(guān)、報(bào)警等無(wú)源信號(hào)。由于開(kāi)關(guān)信號(hào)涉及鍋爐安全運(yùn)行狀況，因此，只提取二次信號(hào)，而不改變?cè)刂齐娐?。模擬信號(hào)和化驗(yàn)數(shù)據(jù)主要涉及能效參數(shù)，用于評(píng)判鍋爐運(yùn)行效率和能效水平是否達(dá)標(biāo)。其中，給水流量和燃料消耗量用于正平衡熱效率計(jì)算，采用GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》計(jì)算公式。排煙氧量、排煙溫度、給水溫度、環(huán)境溫度用于反平衡熱效率計(jì)算，采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中的計(jì)算公式，具體如表2所示。

化驗(yàn)數(shù)據(jù)包括低位發(fā)熱量、灰分、飛灰含碳量、漏煤含碳量、爐渣含碳量，用于燃煤/生物質(zhì)鍋爐反平衡熱效率計(jì)算。以上物理參數(shù)在線測(cè)量難度比較大，一般是定期到鍋爐房采集煤樣、灰渣，由煤質(zhì)分析儀離線分析，并將結(jié)果輸入到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。計(jì)算公式如下所示。

(1)

η2=100%-q2-q3-q4-q5-q6

(2)

(3)

(4)

(5)

αth+αlm+αlz=100%

(6)

(7)

(8)

表2　熱效率計(jì)算參數(shù)Tab.2　Thermal efficiency calculation parameters

3　傳感器選型與安裝

采集模擬信號(hào)所用的傳感器和計(jì)量裝置如圖1所示。其中，水質(zhì)硬度報(bào)警儀和燃料計(jì)量稱重裝置是專(zhuān)門(mén)研制的，其余部件是市場(chǎng)上的成熟產(chǎn)品，測(cè)量的可靠性和精度滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求。溫度傳感器推薦選用K型熱電偶或Pt100熱電阻；壓力傳感器選用高溫型壓力傳感器(帶變送器)，4～20 mA輸出；氧量傳感器選用帶氧化鋯探頭傳感器，自帶變送器，4～20 mA輸出，24 V供電，包括2芯電纜探頭加熱和4芯電纜信號(hào)。

傳感器安裝方法如下。水質(zhì)硬度報(bào)警儀、給水流量計(jì)、給水溫度傳感器安裝在給水管道上。其中：水質(zhì)硬度報(bào)警儀的取水接頭焊接在軟水器與水箱之間的管道上；給水流量計(jì)焊接在入口處直管段的法蘭與管道螺紋連接處；給水溫度傳感器焊接在給水管道鍋爐入口處。對(duì)于燃油/氣鍋爐，在燃料管道入口處安裝燃油/燃?xì)饬髁坑?jì)，用于計(jì)量燃料量；對(duì)于燃煤/生物質(zhì)鍋爐，在煤斗上方焊接加裝燃料計(jì)量稱重裝置，用于計(jì)量燃料量，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采樣燃料和灰渣，由煤質(zhì)分析儀離線分析后將數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)軟件上。蒸汽溫度傳感器焊接在主蒸汽管道出口處；排煙溫度傳感器、排煙氧量傳感器焊接在排煙管道出口處。壓力變送器的安裝方法是在鍋爐壓力表的存水彎管上安裝三通閥。三通閥一側(cè)螺紋連接壓力表，另一側(cè)連接壓力變送器螺紋。環(huán)境溫度傳感器安裝在信號(hào)采集裝置外。網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝在正對(duì)鍋爐的墻壁上方，視頻范圍能覆蓋整個(gè)鍋爐房。

圖1　傳感器選型與安裝圖Fig.1　Model selection and installation of sensors

4　采集裝置研制

4.1　水質(zhì)硬度報(bào)警儀

鍋爐水質(zhì)硬度報(bào)警儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鍋爐水質(zhì)硬度報(bào)警儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of alarm device for water hardness of boiler

鍋爐水質(zhì)好壞，直接影響到鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐水質(zhì)硬度報(bào)警儀是一種水質(zhì)硬度在線測(cè)控裝置，能定期自動(dòng)進(jìn)行水樣的采集、攪拌和判斷，并自動(dòng)判別鍋爐給水硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。一旦超標(biāo)，該裝置立刻報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，該裝置可根據(jù)報(bào)警信號(hào)，及時(shí)控制水處理設(shè)備進(jìn)行水處理運(yùn)行及再生，既避免了硬度超標(biāo)水進(jìn)入鍋爐后結(jié)垢，又降低了用戶的人工運(yùn)行管理成本。

該裝置具體運(yùn)行流程如下。

①?zèng)_洗及導(dǎo)入。從第二三通閥進(jìn)入的被測(cè)定水經(jīng)中空膜過(guò)濾器過(guò)濾雜質(zhì)，并由定流量閥控制被測(cè)定水的給水量。打開(kāi)電磁閥后，被測(cè)定水導(dǎo)入到測(cè)定管中。此時(shí)，原滯留在測(cè)定管中的水被帶走，同時(shí)也對(duì)測(cè)定管進(jìn)行了沖洗。

②注藥及攪拌。關(guān)閉電磁閥，啟動(dòng)加藥泵，將試劑盒內(nèi)的測(cè)定試劑經(jīng)加藥軟管注入到被測(cè)定水中。同時(shí)，將電磁感應(yīng)線圈通電，使攪拌器旋轉(zhuǎn)，攪拌混合測(cè)定試劑和被測(cè)定水。

③測(cè)定。測(cè)定試劑和被測(cè)定水中Ca2+、Mg2+在測(cè)定管中發(fā)生反應(yīng)，使溶液產(chǎn)生顏色，反應(yīng)溶液的顏色會(huì)根據(jù)被測(cè)定水中Ca2+、Mg2+含量的不同而發(fā)生變化。用光源對(duì)反應(yīng)溶液進(jìn)行透光，通過(guò)受光元件測(cè)定的透光強(qiáng)度可得離子濃度。因?yàn)楦鶕?jù)此色調(diào)吸收的被測(cè)定水的光量會(huì)有所不同，透光強(qiáng)度會(huì)隨著被測(cè)定水的顯像色調(diào)發(fā)生變化。

④判斷及反饋?？刂颇K根據(jù)測(cè)定值進(jìn)行濃度判斷，將水質(zhì)硬度超標(biāo)的測(cè)定結(jié)果反饋給水處理設(shè)備，并發(fā)出水處理運(yùn)行及再生的控制信號(hào)。同時(shí)，將報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量輸出給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

⑤排水。被測(cè)定完畢的進(jìn)樣水經(jīng)排水管從排水口排出，完成測(cè)定。

4.2　斗式計(jì)量稱重裝置

煤耗量是鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正平衡熱效率計(jì)算的必備參數(shù)。斗式計(jì)量稱重裝置在原斗式上煤設(shè)備的基礎(chǔ)上，盡量不改變?cè)卸肥教嵘Y(jié)構(gòu)和電路，并增加稱重裝置與煤量計(jì)量控制柜，從而實(shí)現(xiàn)耗煤量自動(dòng)稱重與計(jì)量。該裝置適用于燃煤/生物質(zhì)鏈條鍋爐。

斗式計(jì)量稱重裝置由進(jìn)料系統(tǒng)、稱重裝置、卸料系統(tǒng)和計(jì)量控制柜組成，適用于非連續(xù)性進(jìn)料稱重和計(jì)量。工作原理如下。加煤斗在卸煤坑加完煤后，由升降馬達(dá)帶動(dòng)加煤斗上升；經(jīng)過(guò)弧形導(dǎo)軌后，加煤斗向稱重煤斗倒煤。倒完煤后，計(jì)量控制柜儀表自動(dòng)判斷稱重煤斗稱量是否穩(wěn)定。如穩(wěn)定，稱重傳感器自動(dòng)稱重并累計(jì)重量，延時(shí)后系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)閘門(mén)放煤，判定放空后自動(dòng)關(guān)閉閘門(mén)，將稱重信號(hào)傳遞給計(jì)量控制柜進(jìn)行計(jì)量、記錄，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.3　皮帶式計(jì)量稱重裝置

皮帶式計(jì)量稱重裝置可拆除原斗式上煤設(shè)備，安裝皮帶輸送式上煤設(shè)備，并增加稱重裝置與計(jì)量控制柜。該裝置能自動(dòng)稱重每斗進(jìn)煤并自動(dòng)計(jì)量、放煤、輸送，對(duì)于間歇式上煤和連續(xù)上煤的燃煤鍋爐均適用。

該裝置工作原理如下。

①開(kāi)啟皮帶輸送機(jī)運(yùn)行按鈕，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，帶動(dòng)傳動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送帶開(kāi)始上下往復(fù)運(yùn)行。

②將煤倒入安裝在卸煤坑中的稱重煤斗中，計(jì)量控制柜儀表自動(dòng)判斷稱重煤斗稱量是否穩(wěn)定。如穩(wěn)定，稱重傳感器自動(dòng)稱重、累計(jì)質(zhì)量，將稱重信號(hào)傳遞給計(jì)量控制柜進(jìn)行計(jì)量、記錄，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

③稱重計(jì)量完成后，稱重煤斗自動(dòng)打開(kāi)閘門(mén)放煤，判定放空后自動(dòng)關(guān)閉閘門(mén)。

④煤落入皮帶輸送機(jī)底部正上方的導(dǎo)煤槽中，經(jīng)導(dǎo)煤槽落入輸送帶上。

⑤煤經(jīng)輸送帶由卸煤坑底部輸送到鍋爐煤斗的正上方，經(jīng)由卸煤漏斗落入鍋爐煤斗中，從而完成一斗煤的稱重計(jì)量和輸送過(guò)程。

5　結(jié)束語(yǔ)

鍋爐信號(hào)采集是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起始端，采集的信號(hào)是否可靠對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及處理至關(guān)重要。本文首先從信號(hào)采集類(lèi)型、信號(hào)來(lái)源、檢測(cè)范圍、信號(hào)用途進(jìn)行闡述，然后說(shuō)明了傳感器選型和安裝方式，最后介紹了專(zhuān)門(mén)研制的、用于水質(zhì)硬度監(jiān)測(cè)和燃料計(jì)量稱重的采集裝置。通過(guò)以上信號(hào)采集技術(shù)，該鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠有效降低鍋爐安全隱患，而且能幫助企業(yè)節(jié)能。系統(tǒng)試運(yùn)行期間，17臺(tái)燃油/氣鍋爐整體熱效率平均提高了2.97%，32臺(tái)燃煤/生物質(zhì)鍋爐平均提高了5.08%；成功消除20余次安全隱患，監(jiān)測(cè)到上千次能效超標(biāo)報(bào)警；幫助20余家企業(yè)節(jié)能，取得了良好社會(huì)效益和節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙海濱,馮維君,劉樂(lè)雄,等.浙江省工業(yè)鍋爐節(jié)能現(xiàn)狀與對(duì)策[J].中國(guó)特種設(shè)備安全,2014,30(8):56-61.

[2] 王春晶.中小燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能減排途徑及情景分析,潔凈煤技術(shù)[J].潔凈煤技術(shù),2016,22(1):109-113.

[3] 趙欽新,陳曉露,邵懷爽,等.工業(yè)鍋爐技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐,2016(6):1-23.

[4] 石偉晶,王景成,史元浩.燃煤電站鍋爐最佳煙氣含氧量在線計(jì)算模型[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(12):1326-1331.

[5] 羅嘉,陳世和,張曦,等.電站鍋爐典型熱工參數(shù)軟測(cè)量研究[J].中國(guó)電力,2016,49(6):48-52.

[6] 王玉石,唐滿紅,李鵬.煙氣冷凝鍋爐熱效率計(jì)算方法研究[J].油氣田地面工程,2017,36(3):18-20.

[7] 盧偉業(yè),李越勝,馮國(guó)行,等.一種用于燃天然氣蒸汽鍋爐熱效率的快速預(yù)測(cè)方法[J].節(jié)能技術(shù),2017,35(1):21-25.

[8] 李飛翔,楊笑峰,王泓,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的鍋爐能效測(cè)試集成系統(tǒng)的研發(fā)[J].工業(yè)鍋爐,2013(4):34-38.

[9] 汪建宇,郭洪濤.基于互聯(lián)網(wǎng)的鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2013(3):82-83.

[10]李健,張彬文.煙氣含氧量軟測(cè)量方法研究[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(6):83-85.

[11]仝營(yíng),顧新建,紀(jì)楊建.基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的工業(yè)鍋爐在線監(jiān)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2016,22(1):213-219.

[12]臧峰,王江偉,趙剛,等.基于GPRS的無(wú)線采集終端開(kāi)發(fā)[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(6):55-58.

[13]崔勇,宋健,繆蔥蔥,等.移動(dòng)云計(jì)算研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2017,40(2):273-295.

[14]黃峰.分布式云數(shù)據(jù)中心架構(gòu)及管理關(guān)鍵技術(shù)[J].自動(dòng)化儀表,2014,35(8):1-4.

[15]張學(xué)輝.基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2017,38(3):41-43.