鍋爐遠程監(jiān)測信號采集技術研究

趙　輝

(杭州市特種設備檢測研究院，浙江 杭州 310051)

0　引言

當前，我國工業(yè)鍋爐存在眾多不足，特別是燃煤工業(yè)鍋爐機械化和自動化程度低、隱患多、效率低、耗能高、污染嚴重[1-3]。工業(yè)鍋爐產(chǎn)品很少配置較為齊全的現(xiàn)場監(jiān)測傳感器、儀表及計量裝置，尤其是一些涉及能效的關鍵參數(shù)，如排煙含氧量、排煙溫度等。從現(xiàn)有的監(jiān)管手段來看，由于工業(yè)鍋爐容量小、數(shù)量大、布點分散，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)測帶來了一定的難度。

基于以上現(xiàn)狀，鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)能很好地解決以上問題。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場安裝或利用已有的傳感器和采集終端，對鍋爐信號實時采集、編碼，并遠程傳輸至平臺進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了對鍋爐的24 h在線監(jiān)測。目前，國內(nèi)鍋爐遠程監(jiān)測技術研究已經(jīng)展開，文獻[4]～文獻[5]介紹了電站鍋爐在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及軟件的開發(fā)和制作，但能效測試及計算模型針對性較強，計算過程復雜，并不適用于工業(yè)鍋爐；文獻[6]～文獻[11]主要在工業(yè)鍋爐的在線監(jiān)測技術方法和系統(tǒng)設計上，對熱效率計算及軟件模型進行了探討；文獻[12]～文獻[15]對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計及技術應用進行了研究與探討。以上研究均對該技術發(fā)展起到了推動作用。

鍋爐信號采集是遠程監(jiān)測系統(tǒng)起始端，采集的信號是否可靠對后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及處理至關重要。因此，本文將從信號采集分類、用途、傳感器選型與安裝以及采集裝置研制這4方面，對信號采集技術進行闡述。

1　信號采集分類

鍋爐信號采集的物理參數(shù)可分為模擬信號、開關信號和視頻信號3類。信號名稱及分類信息如表1所示。

表1　信號名稱及分類信息Tab.1　Signal names and classification information

模擬信號由各型傳感器采集的壓力、溫度、氧量以及由專用計量裝置采集的流量、煤耗量組成。用于測量上述物理量的傳感器和計量裝置安裝在被監(jiān)測鍋爐本體或管道上，由測量探頭和變送器組成。輸出信號統(tǒng)一采用4～20 mA的電流信號或0～5 V的電壓信號，并通過信號線接入監(jiān)測裝置中模擬信號采集模塊的輸入接口。上述傳感器和計量裝置輸出電流或電壓信號通過1入2出的隔離器后接入模擬信號采集模塊的輸入端。開關信號主要由報警、運行、熄火等信號組成。不同爐型所監(jiān)測的開關量信號略有區(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接入開關信號采集模塊的輸入端。開關信號經(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)場監(jiān)管司爐工的巡檢按鍵也接入開關信號采集模塊的輸入端。鍋爐房視頻信號由網(wǎng)絡攝像頭采集。

2　信號采集用途

開關信號主要為鍋爐由控柜內(nèi)輸出的開關、報警等無源信號。由于開關信號涉及鍋爐安全運行狀況，因此，只提取二次信號，而不改變原控制電路。模擬信號和化驗數(shù)據(jù)主要涉及能效參數(shù)，用于評判鍋爐運行效率和能效水平是否達標。其中，給水流量和燃料消耗量用于正平衡熱效率計算，采用GB/T 10180-2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》計算公式。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算，采用TSG G0003-2010 《工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》中的計算公式，具體如表2所示。

化驗數(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算。以上物理參數(shù)在線測量難度比較大，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)果輸入到遠程監(jiān)測系統(tǒng)。計算公式如下所示。

(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

采集模擬信號所用的傳感器和計量裝置如圖1所示。其中，水質(zhì)硬度報警儀和燃料計量稱重裝置是專門研制的，其余部件是市場上的成熟產(chǎn)品，測量的可靠性和精度滿足遠程監(jiān)測系統(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。

傳感器安裝方法如下。水質(zhì)硬度報警儀、給水流量計、給水溫度傳感器安裝在給水管道上。其中：水質(zhì)硬度報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。對于燃油/氣鍋爐，在燃料管道入口處安裝燃油/燃氣流量計，用于計量燃料量；對于燃煤/生物質(zhì)鍋爐，在煤斗上方焊接加裝燃料計量稱重裝置，用于計量燃料量，同時現(xiàn)場采樣燃料和灰渣，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采集裝置外。網(wǎng)絡攝像頭安裝在正對鍋爐的墻壁上方，視頻范圍能覆蓋整個鍋爐房。

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)硬度報警儀

鍋爐水質(zhì)硬度報警儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鍋爐水質(zhì)硬度報警儀結(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)濟運行。鍋爐水質(zhì)硬度報警儀是一種水質(zhì)硬度在線測控裝置，能定期自動進行水樣的采集、攪拌和判斷，并自動判別鍋爐給水硬度是否符合標準。一旦超標，該裝置立刻報警，并將報警信號轉(zhuǎn)換為開關量傳輸至遠程監(jiān)測系統(tǒng)。同時，該裝置可根據(jù)報警信號，及時控制水處理設備進行水處理運行及再生，既避免了硬度超標水進入鍋爐后結(jié)垢，又降低了用戶的人工運行管理成本。

該裝置具體運行流程如下。

①沖洗及導入。從第二三通閥進入的被測定水經(jīng)中空膜過濾器過濾雜質(zhì)，并由定流量閥控制被測定水的給水量。打開電磁閥后，被測定水導入到測定管中。此時，原滯留在測定管中的水被帶走，同時也對測定管進行了沖洗。

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

③測定。測定試劑和被測定水中Ca2+、Mg2+在測定管中發(fā)生反應，使溶液產(chǎn)生顏色，反應溶液的顏色會根據(jù)被測定水中Ca2+、Mg2+含量的不同而發(fā)生變化。用光源對反應溶液進行透光，通過受光元件測定的透光強度可得離子濃度。因為根據(jù)此色調(diào)吸收的被測定水的光量會有所不同，透光強度會隨著被測定水的顯像色調(diào)發(fā)生變化。

④判斷及反饋。控制模塊根據(jù)測定值進行濃度判斷，將水質(zhì)硬度超標的測定結(jié)果反饋給水處理設備，并發(fā)出水處理運行及再生的控制信號。同時，將報警信號轉(zhuǎn)換為開關量輸出給遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

⑤排水。被測定完畢的進樣水經(jīng)排水管從排水口排出，完成測定。

4.2　斗式計量稱重裝置

煤耗量是鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)正平衡熱效率計算的必備參數(shù)。斗式計量稱重裝置在原斗式上煤設備的基礎上，盡量不改變原有斗式提升結(jié)構(gòu)和電路，并增加稱重裝置與煤量計量控制柜，從而實現(xiàn)耗煤量自動稱重與計量。該裝置適用于燃煤/生物質(zhì)鏈條鍋爐。

斗式計量稱重裝置由進料系統(tǒng)、稱重裝置、卸料系統(tǒng)和計量控制柜組成，適用于非連續(xù)性進料稱重和計量。工作原理如下。加煤斗在卸煤坑加完煤后，由升降馬達帶動加煤斗上升；經(jīng)過弧形導軌后，加煤斗向稱重煤斗倒煤。倒完煤后，計量控制柜儀表自動判斷稱重煤斗稱量是否穩(wěn)定。如穩(wěn)定，稱重傳感器自動稱重并累計重量，延時后系統(tǒng)自動打開閘門放煤，判定放空后自動關閉閘門，將稱重信號傳遞給計量控制柜進行計量、記錄，并將信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

4.3　皮帶式計量稱重裝置

皮帶式計量稱重裝置可拆除原斗式上煤設備，安裝皮帶輸送式上煤設備，并增加稱重裝置與計量控制柜。該裝置能自動稱重每斗進煤并自動計量、放煤、輸送，對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開啟皮帶輸送機運行按鈕，啟動驅(qū)動裝置，帶動傳動滾筒轉(zhuǎn)動，輸送帶開始上下往復運行。

②將煤倒入安裝在卸煤坑中的稱重煤斗中，計量控制柜儀表自動判斷稱重煤斗稱量是否穩(wěn)定。如穩(wěn)定，稱重傳感器自動稱重、累計質(zhì)量，將稱重信號傳遞給計量控制柜進行計量、記錄，并將信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

③稱重計量完成后，稱重煤斗自動打開閘門放煤，判定放空后自動關閉閘門。

④煤落入皮帶輸送機底部正上方的導煤槽中，經(jīng)導煤槽落入輸送帶上。

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量和輸送過程。

5　結(jié)束語

鍋爐信號采集是遠程監(jiān)測系統(tǒng)起始端，采集的信號是否可靠對后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及處理至關重要。本文首先從信號采集類型、信號來源、檢測范圍、信號用途進行闡述，然后說明了傳感器選型和安裝方式，最后介紹了專門研制的、用于水質(zhì)硬度監(jiān)測和燃料計量稱重的采集裝置。通過以上信號采集技術，該鍋爐遠程監(jiān)測系統(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)試運行期間，17臺燃油/氣鍋爐整體熱效率平均提高了2.97%，32臺燃煤/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)測到上千次能效超標報警；幫助20余家企業(yè)節(jié)能，取得了良好社會效益和節(jié)能效果。

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