火力發(fā)電廠大型熱電偶測量板卡冷端補(bǔ)償改進(jìn)方案

馬偉東，吳勝華，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

溫度是火力發(fā)電廠重要控制和監(jiān)視的參數(shù)之一，多年來溫度測量技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其測量裝置、測量手段也從單一的測量功能向多樣化、智能化和高精度方向發(fā)展。

火力發(fā)電廠主要使用熱電偶和熱電阻兩種測溫元件作為主力來完成鍋爐、汽機(jī)、水泵、水溫、氣溫、廠房等全廠設(shè)備和環(huán)境的必要的溫度采集。

熱電偶將溫度信號轉(zhuǎn)換為毫伏級別的電壓信號，電壓信號連接至溫度測量板卡進(jìn)行溫度測量。因測量特性，當(dāng)前常規(guī)測量方式均需要在測量板卡處進(jìn)行熱電偶冷端補(bǔ)償。

對各種水溫、氣溫、工況溫度、設(shè)備工作溫度等的溫度測量在火力發(fā)電廠中具有至關(guān)重要的作用，更精密更高等級的測量精度需求變得越來越重要。

1 冷端補(bǔ)償方案現(xiàn)狀

熱電偶是火力發(fā)電廠中溫度測量儀表中最常用的測溫元件，熱電偶測量溫度，將溫度轉(zhuǎn)換為毫伏級別的電壓信號，通過熱電偶測量板卡轉(zhuǎn)換成被測媒介的溫度值。在火電廠溫度測量中，熱電偶元件應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)比較簡單、生產(chǎn)方便、測量的范圍比較廣、精度比較高、慣性很小，且出口信號可以遠(yuǎn)距離傳播的優(yōu)點(diǎn)。

熱電偶兩端所產(chǎn)生的熱電勢的大小是熱端和冷端溫度的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)的，否則即會產(chǎn)生誤差。火力發(fā)電廠內(nèi)，測量板卡通常處于空調(diào)房之下，冷端溫度多無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的0℃，故測量熱電勢差變小，測量不準(zhǔn)，通常均需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償操作[1]，獲得準(zhǔn)確的測量溫度值。

現(xiàn)階段，火力發(fā)電廠會用到大量的熱電偶采集板卡，不同廠家、不同類型的熱電偶采集板卡采用的補(bǔ)償方法也各有不同，例如：板卡上設(shè)計有專用熱電組器件，使用該熱電組器件來采集板卡工作的環(huán)境溫度，但通常整個板卡只設(shè)計1 ～2 個熱電阻器件。或者板卡上放置有專用的測溫芯片，該芯片可直接對溫度信號進(jìn)行測量并將測量后的溫度值通過數(shù)字通訊協(xié)議傳送給處理器等。同時，目前常用的冷端補(bǔ)償信號的疊加方案主要有[2,3]：①板卡內(nèi)設(shè)置單個溫度采集點(diǎn)，將板卡內(nèi)測量得到的單個冷端補(bǔ)償環(huán)境溫度換算得到的電動勢值與板卡內(nèi)各測點(diǎn)測量所得電動勢值直接進(jìn)行數(shù)字累加，從而得到該測點(diǎn)實(shí)際的熱電偶電動勢值，從而得到被測溫度值；②板卡內(nèi)放置兩個溫度采集點(diǎn)，將測量板卡內(nèi)兩個環(huán)境溫度測量點(diǎn)所得溫度進(jìn)行取平均值操作，同樣按上述方式將電動勢值直接進(jìn)行累加，從而得到該測點(diǎn)實(shí)際的熱電偶電動勢值，從而得到被測溫度值[4]。

火力發(fā)電廠內(nèi)溫度測點(diǎn)眾多，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，通常會使用大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡進(jìn)行熱電偶采集測量，這些板卡往往有如下特點(diǎn)：

1）在同一板卡內(nèi)集成設(shè)計有多個熱電偶測點(diǎn)。例如8個測點(diǎn)、16 個測點(diǎn)甚至32 個測點(diǎn)。

2）部分設(shè)計內(nèi)板卡尺寸比較大。緊湊型設(shè)計或測點(diǎn)數(shù)相對較少的板卡，相對可保證小的板卡設(shè)計尺寸，但諸如測點(diǎn)數(shù)量多或者一些老系統(tǒng)的延續(xù)性設(shè)計，板卡尺寸會比較大。

3）板卡內(nèi)的多個測點(diǎn)位置相對分布排列，多個測點(diǎn)在板卡內(nèi)通常會進(jìn)行均勻排布。

圖1 DCS屏柜內(nèi)氣流引起溫度不均圖Fig.1 Temperature unevenness caused by air flow in DCS panel

大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡在火電廠實(shí)際應(yīng)用中，可能被放置于多種不同的物理位置，可水平放置，可豎直放置，可被放置于空曠環(huán)境內(nèi)，也可能被放置在密閉屏柜內(nèi)。諸如密閉屏柜內(nèi)，屏柜內(nèi)往往上下放置有多層板卡，熱氣流的上升特性會導(dǎo)致盤柜內(nèi)部各點(diǎn)溫度有明顯差異，屏柜上部溫度通常高于屏柜下部溫度。同時，在諸如DCS（分散控制系統(tǒng)）、PLC 等應(yīng)用場合，大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡通常做為單類型板卡與其它各種類型的板卡組合為一個測量控制系統(tǒng)使用，其它類型板卡在物理位置上可緊靠熱電偶采集板卡放置，這些其它類型板卡由于自身元器件排布而引起的熱量不均情況（處理器、供電電源等部分溫度會明顯高于板卡內(nèi)其它工作回路）會進(jìn)一步擴(kuò)散至相鄰的大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡（在DCS 柜中應(yīng)用參見圖1），該情況會進(jìn)一步引起大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡上各測點(diǎn)所處環(huán)境溫度產(chǎn)生進(jìn)一步的不均勻情況，如果不對上述這些特殊情況進(jìn)行精細(xì)化處理，而是粗獷地將整個板卡采用單一環(huán)境溫度測量接口或使用兩個溫度測量接口簡單取平均等方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其最終的冷端補(bǔ)償結(jié)果會比較粗糙，精度及精細(xì)度均有待提高。

2 改進(jìn)的補(bǔ)償方案

為改進(jìn)上述相對粗獷的大型熱電偶測量板卡內(nèi)部冷端補(bǔ)償精度，設(shè)計了如下改進(jìn)方案，目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，對冷端補(bǔ)償精度進(jìn)行改進(jìn)。所使用的精細(xì)化的冷端補(bǔ)償方案介紹如下：

首先，將大型板卡按板卡內(nèi)測點(diǎn)數(shù)量可等分可不等分劃分為多個冷端補(bǔ)償區(qū)間。在各冷端補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)，采集區(qū)間邊界首尾兩處的冷端環(huán)境溫度，選取其中一處溫度值作為本區(qū)間的基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度，同時計算出其與另一處溫度的差值；將溫度差值按照區(qū)間內(nèi)包含的測點(diǎn)數(shù)進(jìn)行等分，獲得各區(qū)間的測點(diǎn)間基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度差值；依據(jù)各區(qū)間的基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度、測點(diǎn)間基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度差值以及各測點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)測點(diǎn)編號，即可精確化計算出各區(qū)間內(nèi)各測點(diǎn)的冷端補(bǔ)償溫度。

圖2 改進(jìn)的溫度補(bǔ)償方案示例Fig.2 Example of improved temperature compensation scheme

參考圖2 所示意的實(shí)際設(shè)計示例，介紹改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方案。

首先，將屏柜內(nèi)的大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡中多個測點(diǎn)按照物理位置進(jìn)行排序，例如從上到下分為測點(diǎn)01 到測點(diǎn)XX，之后將所有測點(diǎn)按物理順序劃分為多個小的溫度補(bǔ)償區(qū)間。如圖2 所示，溫度補(bǔ)償區(qū)間01 內(nèi)包含測點(diǎn)01 ～04，溫度補(bǔ)償區(qū)間02 內(nèi)包含測點(diǎn)05 ～10，溫度補(bǔ)償區(qū)間03 內(nèi)包含測點(diǎn)10 ～13，……，根據(jù)各測點(diǎn)在板卡內(nèi)部及外部的實(shí)際工況，各溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)測點(diǎn)數(shù)量可相同可不相同，此處不再一一列舉。

在各溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)首尾處分別放置環(huán)境溫度采集接口進(jìn)行環(huán)境溫度采集，從而獲得本溫度補(bǔ)償區(qū)間邊界首尾處的環(huán)境溫度。

然后按序?yàn)槊總€溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)測點(diǎn)分配區(qū)間內(nèi)部測點(diǎn)編號。例如示例中溫度補(bǔ)償區(qū)間2 包含測點(diǎn)05 ～10，本溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)包含6 個測點(diǎn)，溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)部編號為00-01-02-03-04-05。

溫度補(bǔ)償區(qū)間02 內(nèi)，采集到測點(diǎn)05 的溫度值為T2=21℃，測點(diǎn)10 的溫度值為T1=20℃。

下方測點(diǎn)的溫度小于上方的測點(diǎn)溫度，選取下方T1 作為本溫度補(bǔ)償區(qū)間的[基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度]，(T2-T1)/5=0.2℃為本溫度補(bǔ)償區(qū)間測點(diǎn)間基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度差值。

基于上述方案，測點(diǎn)06 冷端補(bǔ)償溫度T= [基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度]+區(qū)間內(nèi)測點(diǎn)編號×[測點(diǎn)間基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度差值]=20+4×0.2℃=20.8℃，測點(diǎn)09 冷端補(bǔ)償溫度T= [基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度]+區(qū)間內(nèi)測點(diǎn)編號×[測點(diǎn)間基準(zhǔn)冷端補(bǔ)償溫度差值]=20+1×0.2℃=20.2℃。

可以看出，如果使用傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方案，則測點(diǎn)06和測點(diǎn)09 將會使用相同的溫度補(bǔ)償值，而使用本方案進(jìn)行的溫度補(bǔ)償，測點(diǎn)06 和09 將獲得不同的溫度補(bǔ)償值，該補(bǔ)償值相比傳統(tǒng)方案將精細(xì)得多。

通過本方案，大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡內(nèi)各測點(diǎn)可獲得更精細(xì)的補(bǔ)償溫度，而不再是板卡內(nèi)全部測點(diǎn)使用同一補(bǔ)償溫度值或使用諸如兩個溫度補(bǔ)償值的平均值。

3 結(jié)論

與目前各廠家所使用的冷端補(bǔ)償方式相比，本方案將大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡全部測點(diǎn)在板卡內(nèi)細(xì)分為多個溫度補(bǔ)償區(qū)間，同時，在各溫度補(bǔ)償區(qū)間內(nèi)部，再一次按測點(diǎn)數(shù)進(jìn)行區(qū)間細(xì)分，通過如上兩個改進(jìn)方式獲得最終的冷端補(bǔ)償溫度。方案通過更精細(xì)化的操作方法來提高板卡內(nèi)各測點(diǎn)的冷端溫度補(bǔ)償精度，使用該方案制作的大型多點(diǎn)熱電偶測量板卡已進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用，具有較高的實(shí)用性和市場價值。