一種鍋爐三維膨脹監測分析系統

劉馨雅，粟海濤，李 平，張中財，彭 雷

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001）

1 概述

鍋爐溫度越高熱膨脹就越大，高溫運行就會使鍋爐構件產生相應的熱膨脹，同時鍋爐每級受熱面由于溫度、選材差異，熱膨脹量又是不一樣的，就會使相鄰的系統存在膨脹差，從而產生熱應力，如果產生的應力超過部件承受能力，就會發生永久變形和疲勞破壞，從而嚴重影響鍋爐的安全運行[1-5]。

目前，國內火電廠鍋爐膨脹監測系統大多數采用指針式膨脹指示器，該指示器無法遠傳顯示，需要人工到就地觀察和記錄數據，由于膨脹監測點數量多、分布位置分散，費時費力且無法及時準確地記錄和鍋爐在不同負荷下的膨脹情況，更不能實現持續的檢測、記錄，不便于結合鍋爐運行工況對比分析相關部件的膨脹變化過程和特征。三維膨脹數字化監測分析系統可以很好地解決這一問題，實時監測鍋爐膨脹數據并及時遠傳至DCS 并分析，提升電廠數字化水平，同時還可以判斷膨脹指示器是否存在問題。

2 系統方案設計

三維膨脹監測分析系統由軟、硬件兩部分組成，可檢測到鍋爐膨脹測點三維方向上的膨脹位移值，以通訊方式遠傳至位移監測系統上位機處進行分析展示，推送膨脹異常報警。

系統網絡架構采用各就地測點間串聯的通訊方式，連接至就地機柜，由就地機柜對數據進行計算、處理后，以通訊方式傳送機組DCS 處。軟件可單獨部署在上位機處，也可部署在電廠智慧電廠平臺，具有較好兼容性。

2.1 硬件采集系統

膨脹量的數字化測量近些年也有發展，主要采用激光、聲波測量和圖像識別等技術，這些技術各有其特點和局限性：如能在寬溫度范圍保持測量精度的激光測量模塊，設備和維護成本過高；基于聲學原理的膨脹監測技術，測量精度易受現場粉塵影響；直接識別機械指針表盤的讀數的圖像識別技術布置和安裝相對靈活，但要實現高精度監測，其軟硬件成本也會較高。

三維膨脹監測分析系統硬件監測裝置每個膨脹測點處由3個傳感器組成，傳感器可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式傳感器可靠性高、壽命長，能適應現場惡劣環境，測量配件成本低，便于維護更換，但容易存在卡澀問題；非接觸式傳感器精度高，相較于接觸式傳感器，非接觸式傳感器不會產生卡澀問題，但測量配件價格和后期維護成本較高。出于工程實際應用需求考慮，本系統采用價格更低、維護成本更低的接觸式傳感器，并在傳感器裝置設計和工藝上進行優化處理，很好地解決了卡澀問題。

膨脹就地監測裝置3個傳感器測量方向兩兩互相垂直，Z 軸方向傳感器監測鍋爐垂直（上下）方向的位移，水平X、Y（鍋爐前后、左右）方向位移由兩個垂直連接的傳感器監測。

同時，可以根據需求選擇在每個傳統指針式就地膨脹指示器表盤附近加裝攝像裝置，實時采集指針式膨脹指示器視頻信號，作為輔助測量手段，連接傳輸至軟件上，在軟件中可以隨時查看各處膨脹指示器視頻情況，實現遠程監控，并可對指示器測得的數據進行校準，驗證并保證膨脹就地監測裝置的準確性。

攝像裝置的布置和選型是需要解決的一個問題。攝像裝置的布置位置要能同時看清水平表盤和垂直方向桿子讀數，并考慮攝像頭畸變導致的讀數不準確問題，盡量取景全面。而現場環境復雜，如果攝像裝置安裝過遠要占用很大空間，在工程實現上有困難，且讀數誤差較大；如果攝像裝置安裝過近容易造成取景不全，影響視頻遠程讀數。

攝像裝置采用網絡攝像機，接口協議為開放型網絡視頻接口，POE 網線供電，以Modbus-Tcp 通訊至上位機處。攝像機選型考慮到現場光源變化，選擇能自動補光的攝像機；考慮到攝像機安裝位置距離問題，攝像機焦距盡量選擇較小的，清晰度盡量高；防護等級不低于IP65，能適應現場粉塵、雨水等環境影響。經測試可以在上位機清晰看到指針刻度，讀到當前膨脹位移量。

本三維膨脹監測系統硬件能達到的最低性能指標如下：

測量誤差：滿量程的2%

量程： 0 ～500 mm

傳感器供電電壓：24 VDC

防護等級：IP65

工作環境溫度：-20 ～70 ℃

環境濕度：0%～95%

支持通訊方式： MODBUS-TCP。

以1 000 MW 的某項目π 型煤粉爐鍋爐為例，膨脹指示器布置位置及數量如表1 所示，目前新建項目膨脹測點數量一般會多于該項目，在30個以上，具體數量根據機組負荷大小不同而有所不同：

表1 膨脹指示器布置位置和數量

2.2 膨脹數據分析

在節約就地巡檢人力的同時，三維膨脹監測分析系統可以在線實時分析運行數據，為用戶提供運行健康指導。

2.2.1 理論值計算方法

固態物質當溫度變化1 ℃時，其長度的變化和它在0 ℃時長度的比值，叫做線性膨脹系數。利用膨脹計算公式計算出膨脹量理論值：

寬度及深度方向膨脹量（mm）=距膨脹零點的距離/1 000*單位膨脹量；

垂直方向膨脹量（mm）=上一個分區內最末膨脹量+（標高－膨脹零點標高）/1 000×單位膨脹量；

單位膨脹量（mm/m）=（計算溫度-環境溫度)×線性膨脹系數α/1 000；

線性膨脹系數α（10-3mm/m℃）=（計算溫度所在區間溫度上限對應的線脹系數-計算溫度所在區間溫度下限對應的線脹系數）/（計算溫度所在區間溫度上限-計算溫度所在區間溫度下限）×（計算溫度-計算溫度所在區間溫度下限）+計算溫度所在區間溫度下限對應的線脹系數，部分國產鋼材線性膨脹系數如表2所示：

表2 某些國產鋼材的線膨脹系數α×106/℃

鍋爐熱膨脹系統分區：

（1）大包區域：鍋爐大包內表面至頂棚拐點。

（2）爐膛水冷壁溫度把水冷壁分為5個區（前4個為螺旋水冷壁區，最后為垂直水冷壁區）：

X 區：從冷灰斗水冷壁進口集箱標高至最下層燃燒器標高再減去1 524 mm；

B 區：X 區標高至最上層燃燒器標高再加上1 524 mm；

燃盡區：B 區標高至最上層燃盡風標高；

螺旋水冷壁出口區：燃盡區標高至螺旋水冷壁出口集箱標高；

垂直水冷壁區：螺旋水冷壁區標高至垂直水冷壁出口集箱標高。

（3）后豎井包墻區域：從頂棚拐點至包墻出口集箱。

（4）省煤器護板區域上：從包墻出口集箱至省煤器護板材料分界點。

（5）省煤器護板區域下：從省煤器護板材料分界點至灰斗。

（6）大風箱區域：距最上層燃盡風最近的剛性梁至最下層燃燒器最近的剛性梁。

溫度計算：由于實際鍋爐在各個分區上并未設置溫度測點，因此難以獲得該測點準確的實時溫度，采用對理論溫度計算值進行線性插值的方法計算：

計算出幾種負荷下各分區的溫度[t1,t2,t3…]，同時根據鍋爐相應各個工況的蒸汽流量[l1,l2,l3…]，將這些參考值作為插值區間，當讀出實時工況下的蒸汽流量l s 時，通過插值，計算出當前負荷下各分區的溫度[t1i,t2i,t3i…]，再將已有測點溫度和插值出的當前溫度和相除，求出偏差系數k，利用偏差系統k 修正插值出的各點溫度，將修正后的溫度代入公式進行膨脹量的計算。

2.2.2 報警功能

三維膨脹監測分析系統開發有膨脹異常報警功能，在軟件界面醒目提示并統計測點膨脹異常情況，指導用戶運行操作，及時發現膨脹異常情況并采取相應措施。軟件在計算值與測量值偏離一定范圍后系統推送報警提示信息并記錄。報警值的偏離范圍需要在現場進行調試后確定。

——部件測點膨脹理論計算值大于膨脹實際值一定范圍時，判斷該部件被測點膨脹受限，推送該點膨脹受限報警；

——部件測點膨脹理論計算值小于膨脹實際值一定范圍時，判斷該點膨脹超限，該點存在超溫的可能性；

——計算一段時間內相關聯被測點的膨脹量變化速率，分析設備是否存在膨脹不均、速率過快等情況，進行部件測點膨脹不均、膨脹變化速率過快報警。

2.2.3 零位校準

鍋爐在長期運行后高溫高壓部件會發生形變，停爐后膨脹位移可能不會回到0位，在建設初期安裝的膨脹測量裝置所測得的膨脹位移量隨著時間流逝逐漸不能客觀反映膨脹位移變化情況。應將停爐后的測點認定為膨脹零點。記錄膨脹量的歷史數據，以表格形式記錄鍋爐停爐后各膨脹點數據及時間日期，自動將此時間點后采集到的各膨脹測點3個方向位移數據減去最近的一次停爐后記錄的測點對應位移，進行自動零位校準，得到相對坐標（即校正值）。

2.2.4 膨脹量計算方法工程驗證

三維膨脹監測分析系統已經在多家電廠得到了部署和驗證，計算程序和硬件在不斷地迭代和優化中。以某運行情況良好的百萬機組項目數據為例，采集該電廠1#機組穩定運行620 MW 負荷期間的某時刻的機組運行數據，建立膨脹測點X、Y、Z 三個方向各點計算出的理論值與實際值數據對比柱狀圖，如圖1所示：

圖1 膨脹理論值與實際值對比

可以看出，在鍋爐正常穩定運行的情況下，三維膨脹監測分析系統所計算出的理論值與實際測得的位移值接近，證明該理論值的計算結果是準確的，經過實際工程驗證，該計算方法準確可靠，同時證明通過膨脹量計算理論值與實際膨脹量對比進行報警的方法是合理可靠的。

3 結語

隨著工業4.0、互聯網+、5G 網絡技術的日益普及，工業行業數字化和智能化轉型已經成為技術發展的方向和潮流。傳統機械指針式膨脹指示器已經無法滿足智慧電廠的要求，使用三維數字膨脹監視系統取代傳統的機械指針式膨脹指示器，并實現其工程化應用，可以不破壞原有的膨脹指示器，獲得精確、連續的鍋爐膨脹數據，分析與膨脹有關的相關問題，有利于掌握鍋爐在不同工況下的膨脹數據，減少因膨脹異常而導致的衍生問題。三維膨脹監測分析系統具有較好的技術價值和市場前景，提升電廠智慧化水平，有利于智慧電廠建設，順應時代發展潮流。