鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測系統的開發及應用

肖先勇 楊慶峰 馬祥 吳楠

作者簡介：肖先勇（1985-），工程師，從事電站鍋爐設備智能控制的研究及應用工作，xiaoxianyong@szebc.com。

引用本文：肖先勇，楊慶峰，馬祥，等.鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測系統的開發及應用［J］.化工自動化及儀表，2024，

51（2）：350-356.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402027

摘 要 針對鍋爐傳統機械式三維膨脹指示器存在的人工讀數誤差大、數據時效性差等弊端，研制了鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測系統，可實現機組在全負荷范圍內三維熱膨脹位移值的在線測量。在某

1 050 MW超臨界機組π型鍋爐上的應用表明：該系統測量可靠穩定、數值準確，測量誤差不超過±2 mm，有助于鍋爐運行燃燒優化調整，并能有效提高鍋爐的經濟性和安全性。

關鍵詞 在線檢測 鍋爐熱膨脹 位移傳感器 燃燒優化調整

中圖分類號 TP277? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2024）02-0350-07

火電廠鍋爐在運行過程中各設備和部件在加壓、升溫時會出現不同方向的熱膨脹位移變化，采用三維熱膨脹位移檢測裝置能及時有效發現鍋爐運行過程中各部件熱膨脹變化情況，對鍋爐燃燒優化調整及安全運行具有重要的參考指導作用［1］。

現有鍋爐主要采用機械指針式膨脹位移檢測裝置，用于測量鍋爐各關鍵部件膨脹或收縮過程中三維方向位移變化值［2］。由于采取機械式指針讀數，需要維護人員定期巡檢鍋爐各部件位置并記錄相應位移變化值，由此增加了現場維護人員工作量，且各部件位移變化的實時數據不能及時傳輸到集控室供相關人員參考和分析。

在燃料價格上升、環保要求提升、運行成本增加、新能源全額上網擠占電量及間歇性能源增加等背景下，造成的電網調度難度大多轉移到火電調峰上?；痣姍C組在調峰時需要頻繁啟停進行負荷調整，造成鍋爐設備受到交變應力影響，容易引起鍋爐各關鍵部件產生三維膨脹，出現疲勞損傷［3～5］。因此，亟待一種具備在線測量功能的鍋爐熱膨脹位移檢測系統作為鍋爐實時熱膨脹檢測手段，通過及時反饋各關鍵被測部件膨脹數值來改善運行操作策略，減少鍋爐的疲勞損傷，防止膨脹不均發生裂紋、泄漏等問題。

1 系統方案設計

系統采用就地位移檢測裝置測量鍋爐各膨脹部件水平和垂直方向位移傳感器拉伸位移值，并將位移值轉換為數字信號傳輸至膨脹就地機箱。膨脹就地機箱將檢測到的就地各膨脹測點拉伸位移值采用算法轉換得到鍋爐各測點三維方向（x、y、z方向）膨脹值，并通過網關數據轉換，將膨脹值通過以太網發送給DCS或其他采集端［6～9］。

垂直方向上，在垂直指針上布置1只垂直位移傳感器測量垂直方向的拉伸值，通過補償修正其初始值，得到垂直方向的位移值。

水平方向上，在水平位移參考盤上布置3只拉繩平面位移傳感器，詳細算法結合圖1所示，A、B、C3點為平面位移傳感器安裝點，位于參考盤相鄰三邊中垂線交叉點。O（0，0）點為水平零位點，

L、L、L為膨脹部件處于零位點時拉繩拉伸值。當發生水平膨脹位移后，O（0，0）點移動到O′（x，

y），對應傳感器的拉繩拉伸值變化為L′、L′、L′。采用三點定位法結合三角函數公式得到水平位移坐標值計算方法：

（L-y）+x=L′

（L+y）+x=L′

代入已知的L、L、L′、L′值，解出x、y值，得到O′點平面坐標值（x，y）。

需要指出的是，膨脹測點落入不同象限所采用的三角函數計算公式不同，圖1示例為膨脹測點落在第一象限情況下的計算方式，其余情況需根據3只位移傳感器的拉繩拉伸值判斷膨脹點所在象限，再根據對應三角函數計算公式得到坐標位移值。

圖2為單膨脹測點系統架構，實際應用中需根據具體膨脹測點數量進行配置。

2 系統組成

系統根據鍋爐應用現場測點數量進行配置，測點數量定義為N，每個測點輸出x、y、z三維方向膨脹值至DCS或其他采集端。系統主要由就地位移檢測裝置、信號轉換盒、膨脹就地機箱及通信電纜等組成，如圖3所示。

就地位移檢測裝置安裝于就地膨脹測點處，包含三維膨脹支架、連接導桿、位移傳感器、防護外殼罩等。信號轉換盒安裝于就地膨脹測點旁，信號轉換盒內置信號轉換模塊，其功能為將測點位移傳感器拉伸值轉換為數字信號。

信號轉換模塊采用AD轉換電路采集膨脹位移測量端各路拉繩拉伸值，其內置的基于AT91SAM9261的工業級ARM微處理器對位移拉伸值數據進行預處理分析；采用工業級2.4英寸TFT液晶屏作為人機顯示界面；采用薄膜按鍵作為參數設置按鍵，通過液晶屏顯示界面設置位移修正值、監測端地址等參數；采用SRAM、FLASH存儲器存儲AD采樣數據、應用程序和設置參數；采用抗雷擊抗靜電沖擊的MAX系列RS-485總線芯片設計通信模塊，提高模塊在工業環境中應用的可靠性；通信模塊采用MODBUS RTU協議與膨脹就地機箱數據通信。

就地各測點的數字信號經過串聯進入膨脹就地機箱內，對信號進行處理分析。z軸方向結合垂直方向布置的一只拉繩位移傳感器直接測量并修正得到z方向位移值，x、y軸方向結合水平方向布置的3只拉繩位移傳感器拉伸值及三點定位法、三角函數公式，得到水平x、y方向位移。與此同時，三維方向位移值集中顯示在機箱內網關顯示屏上，方便巡檢人員及時了解各測點膨脹工況。各測點三維膨脹值通過以太網通信方式傳輸至DCS，根據膨脹就地機箱到DCS距離，采用光纖光纜（或網線）傳輸數據信號［10］。

3 現場實施及應用

項目選取國內某1 050 MW超臨界機組π型鍋爐作為膨脹位移現場測試研究對象，并實施工程應用。根據該爐型的燃燒運行要求，結合該爐型熱膨脹系統圖，在鍋爐共布置16個膨脹檢測點，并在對應檢測點加裝三維熱膨脹位移在線檢測裝置［11，12］，具體測點布置見表1。

表1 測點布置表

膨脹檢測點所布置的位移檢測裝置充分考慮就地惡劣環境，所有傳感器采用電纜方式封裝，具有防塵、防水、防腐蝕及防卡澀功能，防護等級優于IP65，全天候使用，不影響測量精度和靈敏度［13，14］。前墻大風箱左側膨脹檢測裝置如圖4所示。

膨脹就地機箱對位移檢測裝置采集輸出的位移數據處理后得到各檢測點三維膨脹值，并輸出對應x、y、z軸方向的位移值。

測點位移量值顯示界面如圖5所示。

4 應用測試數據分析

4.1 膨脹位移數據誤差參比測試

選取左側后包墻出口集箱處檢測點（測點12）進行膨脹位移數據誤差參比測試：先就地采用游標卡尺實測x、y、z方向膨脹位移值，將其作為標準參考值，同時在膨脹就地機箱內讀取顯示界面對應的測點x、y、z方向膨脹位移值，具體數據見表2。

表2中數據為發電機功率從0 MW（冷爐狀態）上升至1 050 MW（滿負荷狀態）期間所采集的12組膨脹位移實測值和顯示值。根據表2數據繪制的曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著鍋爐啟爐，測點在x、y、z方向上的膨脹位移值增大，三維方向實測值與顯示值大小及增長趨勢方向高度一致。從數據對比得到，x方向膨脹位移實測值和顯示值的差值|Δx|≤1 mm，y方向膨脹位移實測值和顯示值的差值

|Δy|≤1 mm，z方向膨脹位移實測值和顯示值的差值|Δz|≤2 mm，綜合測點溫升膨脹數據及系統設計要求，該差值可控，系統誤差滿足設計要求。

4.2 膨脹位移數據應用分析

選取爐膛變負荷階段工況作為測試環境，在此期間將采集到的各測點三維膨脹位移值進行折線處理，分析不同測點位置膨脹曲線變化趨勢，判斷爐膛各區域熱負荷情況并探索對應區域燃燒調整方法。

本次測試選取鍋爐前后墻對沖燃燒器附近的4個膨脹檢測點數據作為測試分析對象，檢測點包括前墻大風箱左側（6號檢測點）、前墻大風箱右側（7號檢測點）、后墻大風箱右側（8號檢測點）、后墻大風箱左側（9號檢測點），具體布置如圖7所示。

圖7 膨脹檢測點布置示意圖

測試期間記錄了6～9號膨脹檢測點在機組發電機功率600～1 050 MW間的膨脹位移值（表3）。為便于理解測點在爐膛前、后、左、右、上、下方位的膨脹值對應情況，將x、y、z方向轉換為膨脹測點在爐膛方位上的關系。據表3所繪曲線如圖8所示。根據表3和圖8可知，機組發電機功率在600～1 050 MW之間，共采集8組檢測點膨脹位移值，各檢測點三維方向膨脹位移值呈曲線波動，在鍋爐前、后、左、右向的膨脹位移值波動范圍小于10 mm，在鍋爐上、下向的膨脹值波動范圍小于15 mm。該鍋爐6～9號檢測點下向膨脹設計值不大于329 mm，實際運行期間下向膨脹位移最大值分別為292、288、266、260 mm，均不大于329 mm，滿足膨脹設計值要求。

結合6～9號檢測點在機組不同功率工況下三維膨脹位移值大小及方向得出，機組功率在高位運行期間，各檢測點膨脹位移值變化較小，趨于穩定，各膨脹檢測點膨脹位移值均在設計值范圍內，未出現超膨脹或預警情況［15］。

5 結束語

所研制的鍋爐三維熱膨脹位移在線檢測系統結構簡單、可靠，免維護。在1 050 MW機組上進行的研究應用表明，該系統測量誤差較小，對各膨脹檢測點在機組全負荷范圍內的三維位移值測量具備實時在線、可靠穩定、準確等特點，解決了機械式三維膨脹指示器人工讀數誤差大、數據時效性差等問題。該系統的成功研制和應用對鍋爐運行燃燒優化調整起到重要的參考和補充作用，借助該系統可為機組運行及燃燒優化調整制定最優升溫、升壓曲線，避免鍋爐膨脹超限、鍋爐泄漏等問題，有效提高鍋爐的經濟性和安全性。

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（收稿日期：2023-02-22，修回日期：2024-01-29）