基于LabVIEW的風(fēng)量標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

趙國(guó)君，高 祥，劉 偉，孟繁兵，束繼偉

(1.黑龍江省火電第三工程有限公司，哈爾濱 150016;2.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

目前，大型電站鍋爐設(shè)計(jì)配置了風(fēng)量測(cè)量裝置，主要有通過(guò)截流元件取壓的差壓式流量測(cè)量裝置和非差壓測(cè)量裝置。由于電站鍋爐風(fēng)量測(cè)量裝置安裝在風(fēng)道，在結(jié)構(gòu)上存在一定的問(wèn)題，如風(fēng)量裝置本身的截流、測(cè)點(diǎn)布置欠合理、風(fēng)量測(cè)量裝置長(zhǎng)時(shí)間使用在環(huán)境惡劣造成的磨損等，導(dǎo)致大多數(shù)燃煤電廠風(fēng)量測(cè)量裝置出現(xiàn)了維護(hù)率高、測(cè)量準(zhǔn)確性差等問(wèn)題，影響了燃燒工況的控制及整個(gè)鍋爐的燃燒效率［1－2］。因此，本文根據(jù)目前電廠風(fēng)量測(cè)量裝置測(cè)點(diǎn)布置不合理、常規(guī)風(fēng)量裝置標(biāo)定方法人工讀數(shù)不足等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的實(shí)時(shí)在線風(fēng)量標(biāo)定系統(tǒng)，并驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特性。

1 風(fēng)量裝置標(biāo)定原理

利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速管測(cè)得的氣流平均動(dòng)壓計(jì)算氣流流量，再與電廠DCS系統(tǒng)中顯示的風(fēng)量相比，所得的比值為對(duì)應(yīng)工況下的風(fēng)量裝置標(biāo)定系數(shù)，風(fēng)量裝置標(biāo)定系數(shù)的過(guò)程即為風(fēng)量裝置的標(biāo)定過(guò)程。前述風(fēng)量標(biāo)定系數(shù)的概念有別于文獻(xiàn)［3］中所述的內(nèi)容，但其原理是一致的。

風(fēng)量標(biāo)定的計(jì)算公式為［4］

式中:v為氣流速度，m/s;k為測(cè)速管速度系數(shù)(在該標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所有測(cè)速管k為1.0);Q1為氣流體積流量，m3/h;Q2為氣流質(zhì)量流量，kg/h;Q3為電廠DCS系統(tǒng)顯示的風(fēng)量，m3/h或kg/h;pd為測(cè)速管測(cè)得的動(dòng)壓，Pa;ρ為氣流密度，按照公式(4)計(jì)算，kg/m3;A為管道截面積，m2;pa為大氣壓力，Pa;pp為管道內(nèi)氣體靜壓，Pa;t為管道內(nèi)氣體溫度，℃;ρθ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣流密度，kg/m3;d為干空氣中含濕量，可以根據(jù)試驗(yàn)地環(huán)境參數(shù)選取，g/kg(干空氣);λ為風(fēng)量裝置標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定完成后可以直接乘以DCS系統(tǒng)風(fēng)量顯示值，就可以得到標(biāo)定后的準(zhǔn)確風(fēng)量。

2 風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)介紹

2.1 風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)總體構(gòu)成

選用高精密壓力變送器、熱電偶、NIUSB－6009采集卡和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)在線風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)能同時(shí)采集6個(gè)動(dòng)壓信號(hào)、1個(gè)靜壓信號(hào)和1個(gè)溫度信號(hào)，在系統(tǒng)軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一次采集信號(hào)到速度、流量和標(biāo)定系數(shù)的轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)表生成等功能。由于系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品［5］，因此它能夠方便快捷的實(shí)現(xiàn)圖形化模塊式編程與二次軟件開(kāi)發(fā)?；贚abVIEW的實(shí)時(shí)在線風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of air flow calibration device

2.2 風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)硬件及軟件組成

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括硬件和軟件構(gòu)成兩部分。其中硬件構(gòu)成如圖2所示，軟件模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware system

圖3 系統(tǒng)軟件模塊組成Fig.3 Software system

1)系統(tǒng)硬件由1臺(tái)電腦、1個(gè)采集卡、7個(gè)高精密壓力變送器(其中6個(gè)測(cè)量差壓，1個(gè)測(cè)量靜壓)、1支高精密T型熱電偶、1個(gè)恒壓源(24 V)、8組隔離放大器(其中，7組實(shí)現(xiàn)4～20 mA至0～10 V轉(zhuǎn)換，1組實(shí)現(xiàn)0～50 mV至0～10 V轉(zhuǎn)換)、2組符合ISO 10780標(biāo)準(zhǔn)的高精度 L型皮托管(1組7支φ6 mm，長(zhǎng)500 mm;1組7支 φ10 mm，長(zhǎng) 3000 mm，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)道尺寸選擇)等部件組成。

2)系統(tǒng)軟件模塊由主程序模塊、用戶(hù)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、人機(jī)接口、報(bào)表生成7部分組成。其中，用主程序模塊完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止以及各子模塊的調(diào)用;用戶(hù)管理模塊完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用人員的權(quán)限判定、存儲(chǔ)、查詢(xún)、修改、刪除等功能;用數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集卡等硬件的判斷、通道任務(wù)配置、采集參數(shù)配置和數(shù)據(jù)采集功能;數(shù)據(jù)分析模塊與數(shù)據(jù)采集模塊同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有動(dòng)壓到風(fēng)速、風(fēng)量的轉(zhuǎn)換和顯示功能;數(shù)據(jù)管理模塊完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(與數(shù)據(jù)分析模塊同步)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、回放和刪除等功能;在人機(jī)接口完成試驗(yàn)實(shí)際風(fēng)道參數(shù)輸入、當(dāng)?shù)貪穸冗x擇或輸入、試驗(yàn)后不確定度評(píng)定以及標(biāo)定系數(shù)的線性度判定;用報(bào)表生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)告，同時(shí)報(bào)告文件格式可以選擇用Word、Excel或HTML等形式顯示并存儲(chǔ)下來(lái)。

3 風(fēng)量標(biāo)定系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

為解決常規(guī)風(fēng)量標(biāo)定方法的不足，設(shè)計(jì)了風(fēng)量標(biāo)定系統(tǒng)，不但具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)它還具有從測(cè)點(diǎn)布置到數(shù)據(jù)分析計(jì)算的規(guī)范化、智能化等功能。

3.1 系統(tǒng)同步控制技術(shù)

LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其同步控制技術(shù)［4－5］包括 Queue 技術(shù)、Notification 技術(shù)、Semaphore技術(shù)、Rendezvous技術(shù)以及Occurences技術(shù)等。Queue的含義是隊(duì)列，Queue結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)先出(FIFO)的結(jié)構(gòu)，利用這一特點(diǎn)，可以將一個(gè)有序的信息從一個(gè)應(yīng)用程序中傳遞到另一個(gè)與之相獨(dú)立的并行運(yùn)行的應(yīng)用程序中。

在該風(fēng)量標(biāo)定系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以看成系統(tǒng)的4個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)分別由一個(gè)獨(dú)立的While循環(huán)結(jié)構(gòu)組成，而且每個(gè)任務(wù)在對(duì)應(yīng)while循環(huán)中執(zhí)行，Queue技術(shù)同步控制程序如圖4所示。從圖4可以看出，使用Queue技術(shù)完成上述任務(wù)所對(duì)應(yīng)的獨(dú)立程序不會(huì)發(fā)生丟失或復(fù)制數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，并且4個(gè)任務(wù)仍然能在獨(dú)立的流程中運(yùn)行。由于Queue結(jié)構(gòu)能夠起到緩存的作用，這樣4個(gè)任務(wù)運(yùn)行快慢不同的現(xiàn)象就會(huì)被Queue結(jié)構(gòu)約束，從而保證了4任務(wù)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖4 Queue技術(shù)同步控制程序圖Fig.4 Queue synchronous control program diagram

3.2 系統(tǒng)程序規(guī)范化設(shè)計(jì)

按照電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程GB10184－88及文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［6］對(duì)風(fēng)量測(cè)量標(biāo)定測(cè)點(diǎn)和風(fēng)量計(jì)算方法的規(guī)定。設(shè)計(jì)了基于LabVIEW環(huán)境下系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置計(jì)算程序，如圖5所示。

系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)布置計(jì)算模塊，解決了常規(guī)風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)前的繁瑣計(jì)算過(guò)程，直接給出了測(cè)點(diǎn)布置和儀器測(cè)量移動(dòng)位置;數(shù)據(jù)分析計(jì)算模塊解決了常規(guī)風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程，給出了風(fēng)量數(shù)據(jù)和標(biāo)定系數(shù)，節(jié)省了時(shí)間和人力。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置計(jì)算程序框圖Fig.5 Block diagram of measurement point layout program

4 風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性，在某電廠開(kāi)展了鍋爐二次風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)。被測(cè)量風(fēng)道為矩形，尺寸為2.8 m×2.0 m，風(fēng)道上面為長(zhǎng)邊開(kāi)孔7個(gè)，開(kāi)孔位置(一邊為基準(zhǔn))分別為0.2 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m，單孔差收入深度為0.167 m、0.5 m、0.833 m、1.17 m、1.5 m、1.83 m。

4.2 風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果分析

為了比較常規(guī)風(fēng)量裝置標(biāo)定試驗(yàn)和該系統(tǒng)風(fēng)量裝置標(biāo)定試驗(yàn)的不同，將2種工況試驗(yàn)做了對(duì)比，得到的常規(guī)方法風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示;利用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng)，開(kāi)展的風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。兩種標(biāo)定方法所獲得的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，如表3所示。

表1 常規(guī)法標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration test data sheet using conventional method

表2 系統(tǒng)法標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 System calibration test data sheet using system method

表3 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表Tab.3 Test results table

根據(jù)以上表1～表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得知兩種方法都能夠?qū)︼L(fēng)量進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程中獲得的風(fēng)量值偏差不大;利用常規(guī)標(biāo)定方法進(jìn)行的試驗(yàn)，需要手動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)比較多，其中動(dòng)壓測(cè)量偏差大，同時(shí)需要后期處理計(jì)算;利用標(biāo)定系統(tǒng)開(kāi)展的試驗(yàn)，人為參與少，自動(dòng)顯示標(biāo)定風(fēng)量值和標(biāo)定系數(shù)，能夠節(jié)省人力和時(shí)間，提高精確度;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［6］要求計(jì)算，常規(guī)標(biāo)定方法對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的不確定度為4.03%，本文設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果不確定度為2.08%。

5 結(jié)論

1)基于LabVIEW設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)在線風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)，解決了風(fēng)量測(cè)量裝置常規(guī)標(biāo)定方法的不足，為電廠和電力科研單位提供了風(fēng)量標(biāo)定試驗(yàn)新思路。

2)基于LabVIEW設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)在線風(fēng)量裝置標(biāo)定系統(tǒng)，由于引入了Queue技術(shù)，因此使所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)性。

3)從某電廠實(shí)際風(fēng)量裝置標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果不確定度為2.08%，而常規(guī)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果不確定度為4.03%，提高了試驗(yàn)的精確度，由此可以得出本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性。

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