一種鍋爐膨脹在線監測系統設計

潘鐸

（天津國電津能濱海熱電有限公司 天津市 300459）

引言

現有的鍋爐膨脹測量技術多為機械式測量儀，該類指示儀需要巡檢人員到現場讀取數據，水平刻度盤提供XY軸坐標，懸針刻度提供Z軸坐標，我廠每臺鍋爐在各個燃燒器、集箱、聯箱等處共安裝膨脹測量儀28個，每次啟動中需在原點、上水前、上水后、各壓力工況下記錄膨脹測量儀位置7次，膨脹情況記錄工作繁重。所以給出一種改造、安裝簡便，對現有量儀影響小的鍋爐膨脹在線監測系統是我廠安全運行的需要。

1 方案設計

通過分析廣泛使用的機械量儀與現有各種改造方案我們發現，若直接使用直角坐標系坐標標注膨脹監測點坐標，依此原理制作膨脹量儀在線監測系統，至少需要安裝三套傳感器以提供完整坐標，整個改造方案安裝復雜、部件多，對惡劣的露天工作環境耐受能力差。而相對直角坐標系，我們發現球極坐標系更適合兩點相對位置的測量，該種測量方法可以通過水平與豎直角度、點與原點相對距離直接表示點的位置。由于現有機械量儀水平刻度盤與量儀膨脹監測點懸針均有固定螺栓，以水平刻度盤螺栓為原點，采用位移測量儀直接量取刻度盤固定螺栓與懸針螺栓的距離，并測量位移測量儀的水平、豎直角度，就可以直接表示出膨脹監測點的坐標，通過坐標變化就可以測量出該位置鍋爐的膨脹情況。該種測量方式只需要安裝一根位移測量儀，其它角度測量等功能均可以集成為一個電路板并安裝于位移測量儀上，安裝難度小。

現有國內測量方案，均采用傳統直角坐標系方式對現有量儀進行改造，加裝三組軸向位移傳感器，整體加裝設備成本較高，且由于鍋爐體積龐大，安裝維護難度大，且加裝后為保證測量系統運行不受環境影響，需加裝整體防護罩，防護罩影響就地儀表的讀取。我們設備由于采用拉桿式直線位移測量儀，且斜向下安裝，整體密封良好，內部不存在進水的情況，不需要遮蓋原有測量儀，同時滿足就地與遠方讀取的需要。每個點位只需要安裝一個測量設備，設備采用兩顆原設備螺栓直連，安裝簡易，維護更換難度小。

2 設計原型

位移測量中，我們選用成本較低的拉桿式直線位移測量儀，其測量原理與滑動變阻器相似，通過拉伸安裝于監測點與固定點之間的測量桿改變測量儀的電阻，從而將位移轉化為電信號送出，由于該種改造方案中量儀長度在四十至六十厘米左右，LVDT型測量儀雖精度高，但在該長度成本偏高，電阻式拉桿位移測量儀對惡劣環境耐受能力強，測量儀兩端采用萬向節與原機械量儀連接，固定端位于上方以防止拉桿進水。

角度測量我們將ICM-42605陀螺儀固定于位移測量儀主體上以測量位移測量儀主體的傾斜角度，從而給出球極坐標中所需兩個角度。該陀螺儀為9軸芯片可以給出自身X、Y、Z三軸角度及加速度并可附帶溫度補償，能適應露天溫度變化范圍大的環境。我們設監測點的球極坐標（r，φ，θ），其中直線距離為r，與Y軸夾角為φ，與Z軸夾角為θ，可將其轉化為監測點的直角坐標以便于觀察膨脹數值，其中x=rsinθcosφ，y=rsinθsinφ，z=rcosθ。通過記錄各個工況下的直角坐標，就可以直接計算出各工況下的膨脹大小。當鍋爐發生膨脹時，監測點位置發生變化，拉伸位移測量儀拉桿，使位移測量儀發生傾斜，其角度與測量長度發生相應變化，通過現場電路向DCS系統進行傳輸數據，若不考慮分別分析各個方向上的膨脹，可直接根據球極坐標計算形變量

AD轉換電路選用芯片為MAX197,其與600mm位移變送器配合分辨精度約0.3mm滿足測量精度要求，位移變送器定制型號為24VDC供電，輸出為0-5V電壓信號。初步通訊采用485轉換電路部分選用max485芯片實現。

綜上，我們通過單片機完成位移測量、角度測量，并轉換為485輸出的功能。由于鍋爐膨脹測點數量多，為降低通訊電纜布設難度，減少上位機通訊接口數量，減少電纜用量，我們設計采用4G無線物聯網設備或成熟的DTU產品的方式完成485信號與DCS系統信號的傳輸，供電由電路板集成。

DCS側采用物聯網設備或DTU，將各監測點實時膨脹參數依次傳輸至DCS中，并通過畫面進行直觀顯示。DCS側采用人工觸發方式記錄個點膨脹情況，每點設6個寄存器可保持6組歷史數據，并顯示實時數據，以方便運行人員完成單次啟動過程中的監測。通過長期運行，該系統可以計算出各工況下膨脹常規值，以形成經驗報警值，當鍋爐發生異常膨脹時進行報警，以引起運行人員注意。

3 結語

綜上，我們以陀螺儀與直線位移測量儀為核心設計了一套依據球極坐標系進行鍋爐膨脹測量的設計方案。隨陀螺儀技術更新，現有陀螺儀精度等級不斷提高，球極坐標系測量代替傳統直角立體坐標系的測量已經切實可行，我們相信這種簡便的測量方式會在工業領域不斷推廣。