火力發電廠大型熱電偶測量板卡冷端補償改進方案

馬偉東，吳勝華，吳 科

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

溫度是火力發電廠重要控制和監視的參數之一，多年來溫度測量技術得到了快速的發展，其測量裝置、測量手段也從單一的測量功能向多樣化、智能化和高精度方向發展。

火力發電廠主要使用熱電偶和熱電阻兩種測溫元件作為主力來完成鍋爐、汽機、水泵、水溫、氣溫、廠房等全廠設備和環境的必要的溫度采集。

熱電偶將溫度信號轉換為毫伏級別的電壓信號，電壓信號連接至溫度測量板卡進行溫度測量。因測量特性，當前常規測量方式均需要在測量板卡處進行熱電偶冷端補償。

對各種水溫、氣溫、工況溫度、設備工作溫度等的溫度測量在火力發電廠中具有至關重要的作用，更精密更高等級的測量精度需求變得越來越重要。

1 冷端補償方案現狀

熱電偶是火力發電廠中溫度測量儀表中最常用的測溫元件，熱電偶測量溫度，將溫度轉換為毫伏級別的電壓信號，通過熱電偶測量板卡轉換成被測媒介的溫度值。在火電廠溫度測量中，熱電偶元件應用非常廣泛，因為其具有結構比較簡單、生產方便、測量的范圍比較廣、精度比較高、慣性很小，且出口信號可以遠距離傳播的優點。

熱電偶兩端所產生的熱電勢的大小是熱端和冷端溫度的函數差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據的，否則即會產生誤差。火力發電廠內，測量板卡通常處于空調房之下，冷端溫度多無法實現標準的0℃，故測量熱電勢差變小，測量不準，通常均需要進行冷端補償操作[1]，獲得準確的測量溫度值。

現階段，火力發電廠會用到大量的熱電偶采集板卡，不同廠家、不同類型的熱電偶采集板卡采用的補償方法也各有不同，例如：板卡上設計有專用熱電組器件，使用該熱電組器件來采集板卡工作的環境溫度，但通常整個板卡只設計1 ～2 個熱電阻器件。或者板卡上放置有專用的測溫芯片，該芯片可直接對溫度信號進行測量并將測量后的溫度值通過數字通訊協議傳送給處理器等。同時，目前常用的冷端補償信號的疊加方案主要有[2,3]：①板卡內設置單個溫度采集點，將板卡內測量得到的單個冷端補償環境溫度換算得到的電動勢值與板卡內各測點測量所得電動勢值直接進行數字累加，從而得到該測點實際的熱電偶電動勢值，從而得到被測溫度值；②板卡內放置兩個溫度采集點，將測量板卡內兩個環境溫度測量點所得溫度進行取平均值操作，同樣按上述方式將電動勢值直接進行累加，從而得到該測點實際的熱電偶電動勢值，從而得到被測溫度值[4]。

火力發電廠內溫度測點眾多，從經濟性方面考慮，通常會使用大型多點熱電偶測量板卡進行熱電偶采集測量，這些板卡往往有如下特點：

1）在同一板卡內集成設計有多個熱電偶測點。例如8個測點、16 個測點甚至32 個測點。

2）部分設計內板卡尺寸比較大。緊湊型設計或測點數相對較少的板卡，相對可保證小的板卡設計尺寸，但諸如測點數量多或者一些老系統的延續性設計，板卡尺寸會比較大。

3）板卡內的多個測點位置相對分布排列，多個測點在板卡內通常會進行均勻排布。

圖1 DCS屏柜內氣流引起溫度不均圖Fig.1 Temperature unevenness caused by air flow in DCS panel

大型多點熱電偶測量板卡在火電廠實際應用中，可能被放置于多種不同的物理位置，可水平放置，可豎直放置，可被放置于空曠環境內，也可能被放置在密閉屏柜內。諸如密閉屏柜內，屏柜內往往上下放置有多層板卡，熱氣流的上升特性會導致盤柜內部各點溫度有明顯差異，屏柜上部溫度通常高于屏柜下部溫度。同時，在諸如DCS（分散控制系統）、PLC 等應用場合，大型多點熱電偶測量板卡通常做為單類型板卡與其它各種類型的板卡組合為一個測量控制系統使用，其它類型板卡在物理位置上可緊靠熱電偶采集板卡放置，這些其它類型板卡由于自身元器件排布而引起的熱量不均情況（處理器、供電電源等部分溫度會明顯高于板卡內其它工作回路）會進一步擴散至相鄰的大型多點熱電偶測量板卡（在DCS 柜中應用參見圖1），該情況會進一步引起大型多點熱電偶測量板卡上各測點所處環境溫度產生進一步的不均勻情況，如果不對上述這些特殊情況進行精細化處理，而是粗獷地將整個板卡采用單一環境溫度測量接口或使用兩個溫度測量接口簡單取平均等方式進行溫度補償，其最終的冷端補償結果會比較粗糙，精度及精細度均有待提高。

2 改進的補償方案

為改進上述相對粗獷的大型熱電偶測量板卡內部冷端補償精度，設計了如下改進方案，目的在于克服現有技術中的不足，對冷端補償精度進行改進。所使用的精細化的冷端補償方案介紹如下：

首先，將大型板卡按板卡內測點數量可等分可不等分劃分為多個冷端補償區間。在各冷端補償區間內，采集區間邊界首尾兩處的冷端環境溫度，選取其中一處溫度值作為本區間的基準冷端補償溫度，同時計算出其與另一處溫度的差值；將溫度差值按照區間內包含的測點數進行等分，獲得各區間的測點間基準冷端補償溫度差值；依據各區間的基準冷端補償溫度、測點間基準冷端補償溫度差值以及各測點的區間內測點編號，即可精確化計算出各區間內各測點的冷端補償溫度。

圖2 改進的溫度補償方案示例Fig.2 Example of improved temperature compensation scheme

參考圖2 所示意的實際設計示例，介紹改進的實現方案。

首先，將屏柜內的大型多點熱電偶測量板卡中多個測點按照物理位置進行排序，例如從上到下分為測點01 到測點XX，之后將所有測點按物理順序劃分為多個小的溫度補償區間。如圖2 所示，溫度補償區間01 內包含測點01 ～04，溫度補償區間02 內包含測點05 ～10，溫度補償區間03 內包含測點10 ～13，……，根據各測點在板卡內部及外部的實際工況，各溫度補償區間內測點數量可相同可不相同，此處不再一一列舉。

在各溫度補償區間內首尾處分別放置環境溫度采集接口進行環境溫度采集，從而獲得本溫度補償區間邊界首尾處的環境溫度。

然后按序為每個溫度補償區間內測點分配區間內部測點編號。例如示例中溫度補償區間2 包含測點05 ～10，本溫度補償區間內包含6 個測點，溫度補償區間內部編號為00-01-02-03-04-05。

溫度補償區間02 內，采集到測點05 的溫度值為T2=21℃，測點10 的溫度值為T1=20℃。

下方測點的溫度小于上方的測點溫度，選取下方T1 作為本溫度補償區間的[基準冷端補償溫度]，(T2-T1)/5=0.2℃為本溫度補償區間測點間基準冷端補償溫度差值。

基于上述方案，測點06 冷端補償溫度T= [基準冷端補償溫度]+區間內測點編號×[測點間基準冷端補償溫度差值]=20+4×0.2℃=20.8℃，測點09 冷端補償溫度T= [基準冷端補償溫度]+區間內測點編號×[測點間基準冷端補償溫度差值]=20+1×0.2℃=20.2℃。

可以看出，如果使用傳統的溫度補償方案，則測點06和測點09 將會使用相同的溫度補償值，而使用本方案進行的溫度補償，測點06 和09 將獲得不同的溫度補償值，該補償值相比傳統方案將精細得多。

通過本方案，大型多點熱電偶測量板卡內各測點可獲得更精細的補償溫度，而不再是板卡內全部測點使用同一補償溫度值或使用諸如兩個溫度補償值的平均值。

3 結論

與目前各廠家所使用的冷端補償方式相比，本方案將大型多點熱電偶測量板卡全部測點在板卡內細分為多個溫度補償區間，同時，在各溫度補償區間內部，再一次按測點數進行區間細分，通過如上兩個改進方式獲得最終的冷端補償溫度。方案通過更精細化的操作方法來提高板卡內各測點的冷端溫度補償精度，使用該方案制作的大型多點熱電偶測量板卡已進行工程實踐應用，具有較高的實用性和市場價值。