鍋爐遠程監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，我國工業鍋爐存在眾多不足，特別是燃煤工業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]。工業鍋爐產品很少配置較為齊全的現場監測傳感器、儀表及計量裝置，尤其是一些涉及能效的關鍵參數，如排煙含氧量、排煙溫度等。從現有的監管手段來看，由于工業鍋爐容量小、數量大、布點分散，難以集中監管，所以區域范圍內所有工業鍋爐的安全節能環保動態監管數據難以獲取。這給更全面的安全監察、能耗和排放監測帶來了一定的難度。

基于以上現狀，鍋爐遠程監測系統能很好地解決以上問題。該系統通過現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據處理，實現了對鍋爐的24 h在線監測。目前，國內鍋爐遠程監測技術研究已經展開，文獻[4]～文獻[5]介紹了電站鍋爐在線監測系統研究及軟件的開發和制作，但能效測試及計算模型針對性較強，計算過程復雜，并不適用于工業鍋爐；文獻[6]～文獻[11]主要在工業鍋爐的在線監測技術方法和系統設計上，對熱效率計算及軟件模型進行了探討；文獻[12]～文獻[15]對物聯網系統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展起到了推動作用。

鍋爐信號采集是遠程監測系統起始端，采集的信號是否可靠對后續數據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。不同爐型所監測的開關量信號略有區別。采集方式為：從鍋爐電控柜內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。開關信號經采集模塊內部的光耦隔離電路后接入微控制器。此外，用于現場監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。模擬信號和化驗數據主要涉及能效參數，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《工業鍋爐熱工性能試驗規程》計算公式。排煙氧量、排煙溫度、給水溫度、環境溫度用于反平衡熱效率計算，采用TSG G0003-2010 《工業鍋爐能效測試與評價規則》中的計算公式，具體如表2所示。

化驗數據包括低位發熱量、灰分、飛灰含碳量、漏煤含碳量、爐渣含碳量，用于燃煤/生物質鍋爐反平衡熱效率計算。以上物理參數在線測量難度比較大，一般是定期到鍋爐房采集煤樣、灰渣，由煤質分析儀離線分析，并將結果輸入到遠程監測系統。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品，測量的可靠性和精度滿足遠程監測系統要求。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，同時現場采樣燃料和灰渣，由煤質分析儀離線分析后將數據上傳到系統軟件上。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。三通閥一側螺紋連接壓力表，另一側連接壓力變送器螺紋。環境溫度傳感器安裝在信號采集裝置外。網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　水質硬度報警儀

鍋爐水質硬度報警儀結構如圖2所示。

圖2　鍋爐水質硬度報警儀結構圖Fig.2　Structure of alarm device for water hardness of boiler

鍋爐水質好壞，直接影響到鍋爐安全經濟運行。鍋爐水質硬度報警儀是一種水質硬度在線測控裝置，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，并將報警信號轉換為開關量傳輸至遠程監測系統。同時，該裝置可根據報警信號，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中空膜過濾器過濾雜質，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，將試劑盒內的測定試劑經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，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+在測定管中發生反應，使溶液產生顏色，反應溶液的顏色會根據被測定水中Ca2+、Mg2+含量的不同而發生變化。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。因為根據此色調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發生變化。

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

⑤排水。被測定完畢的進樣水經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測系統正平衡熱效率計算的必備參數。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構和電路，并增加稱重裝置與煤量計量控制柜，從而實現耗煤量自動稱重與計量。該裝置適用于燃煤/生物質鏈條鍋爐。

斗式計量稱重裝置由進料系統、稱重裝置、卸料系統和計量控制柜組成，適用于非連續性進料稱重和計量。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定。如穩定，稱重傳感器自動稱重并累計重量，延時后系統自動打開閘門放煤，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，并將信號轉換為模擬量輸出給遠程監測系統。

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，啟動驅動裝置，帶動傳動滾筒轉動，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定。如穩定，稱重傳感器自動稱重、累計質量，將稱重信號傳遞給計量控制柜進行計量、記錄，并將信號轉換為模擬量輸出給遠程監測系統。

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，經導煤槽落入輸送帶上。

⑤煤經輸送帶由卸煤坑底部輸送到鍋爐煤斗的正上方，經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　結束語

鍋爐信號采集是遠程監測系統起始端，采集的信號是否可靠對后續數據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、用于水質硬度監測和燃料計量稱重的采集裝置。通過以上信號采集技術，該鍋爐遠程監測系統不僅能夠有效降低鍋爐安全隱患，而且能幫助企業節能。系統試運行期間，17臺燃油/氣鍋爐整體熱效率平均提高了2.97%，32臺燃煤/生物質鍋爐平均提高了5.08%；成功消除20余次安全隱患，監測到上千次能效超標報警；幫助20余家企業節能，取得了良好社會效益和節能效果。

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