一种锅炉三维膨胀监测分析系统

刘馨雅，粟海涛，李 平，张中财，彭 雷

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001）

1 概述

锅炉温度越高热膨胀就越大，高温运行就会使锅炉构件产生相应的热膨胀，同时锅炉每级受热面由于温度、选材差异，热膨胀量又是不一样的，就会使相邻的系统存在膨胀差，从而产生热应力，如果产生的应力超过部件承受能力，就会发生永久变形和疲劳破坏，从而严重影响锅炉的安全运行[1-5]。

目前，国内火电厂锅炉膨胀监测系统大多数采用指针式膨胀指示器，该指示器无法远传显示，需要人工到就地观察和记录数据，由于膨胀监测点数量多、分布位置分散，费时费力且无法及时准确地记录和锅炉在不同负荷下的膨胀情况，更不能实现持续的检测、记录，不便于结合锅炉运行工况对比分析相关部件的膨胀变化过程和特征。三维膨胀数字化监测分析系统可以很好地解决这一问题，实时监测锅炉膨胀数据并及时远传至DCS 并分析，提升电厂数字化水平，同时还可以判断膨胀指示器是否存在问题。

2 系统方案设计

三维膨胀监测分析系统由软、硬件两部分组成，可检测到锅炉膨胀测点三维方向上的膨胀位移值，以通讯方式远传至位移监测系统上位机处进行分析展示，推送膨胀异常报警。

系统网络架构采用各就地测点间串联的通讯方式，连接至就地机柜，由就地机柜对数据进行计算、处理后，以通讯方式传送机组DCS 处。软件可单独部署在上位机处，也可部署在电厂智慧电厂平台，具有较好兼容性。

2.1 硬件采集系统

膨胀量的数字化测量近些年也有发展，主要采用激光、声波测量和图像识别等技术，这些技术各有其特点和局限性：如能在宽温度范围保持测量精度的激光测量模块，设备和维护成本过高；基于声学原理的膨胀监测技术，测量精度易受现场粉尘影响；直接识别机械指针表盘的读数的图像识别技术布置和安装相对灵活，但要实现高精度监测，其软硬件成本也会较高。

三维膨胀监测分析系统硬件监测装置每个膨胀测点处由3个传感器组成，传感器可分为接触式和非接触式两种。接触式传感器可靠性高、寿命长，能适应现场恶劣环境，测量配件成本低，便于维护更换，但容易存在卡涩问题；非接触式传感器精度高，相较于接触式传感器，非接触式传感器不会产生卡涩问题，但测量配件价格和后期维护成本较高。出于工程实际应用需求考虑，本系统采用价格更低、维护成本更低的接触式传感器，并在传感器装置设计和工艺上进行优化处理，很好地解决了卡涩问题。

膨胀就地监测装置3个传感器测量方向两两互相垂直，Z 轴方向传感器监测锅炉垂直（上下）方向的位移，水平X、Y（锅炉前后、左右）方向位移由两个垂直连接的传感器监测。

同时，可以根据需求选择在每个传统指针式就地膨胀指示器表盘附近加装摄像装置，实时采集指针式膨胀指示器视频信号，作为辅助测量手段，连接传输至软件上，在软件中可以随时查看各处膨胀指示器视频情况，实现远程监控，并可对指示器测得的数据进行校准，验证并保证膨胀就地监测装置的准确性。

摄像装置的布置和选型是需要解决的一个问题。摄像装置的布置位置要能同时看清水平表盘和垂直方向杆子读数，并考虑摄像头畸变导致的读数不准确问题，尽量取景全面。而现场环境复杂，如果摄像装置安装过远要占用很大空间，在工程实现上有困难，且读数误差较大；如果摄像装置安装过近容易造成取景不全，影响视频远程读数。

摄像装置采用网络摄像机，接口协议为开放型网络视频接口，POE 网线供电，以Modbus-Tcp 通讯至上位机处。摄像机选型考虑到现场光源变化，选择能自动补光的摄像机；考虑到摄像机安装位置距离问题，摄像机焦距尽量选择较小的，清晰度尽量高；防护等级不低于IP65，能适应现场粉尘、雨水等环境影响。经测试可以在上位机清晰看到指针刻度，读到当前膨胀位移量。

本三维膨胀监测系统硬件能达到的最低性能指标如下：

测量误差：满量程的2%

量程： 0 ～500 mm

传感器供电电压：24 VDC

防护等级：IP65

工作环境温度：-20 ～70 ℃

环境湿度：0%～95%

支持通讯方式： MODBUS-TCP。

以1 000 MW 的某项目π 型煤粉炉锅炉为例，膨胀指示器布置位置及数量如表1 所示，目前新建项目膨胀测点数量一般会多于该项目，在30个以上，具体数量根据机组负荷大小不同而有所不同：

表1 膨胀指示器布置位置和数量

2.2 膨胀数据分析

在节约就地巡检人力的同时，三维膨胀监测分析系统可以在线实时分析运行数据，为用户提供运行健康指导。

2.2.1 理论值计算方法

固态物质当温度变化1 ℃时，其长度的变化和它在0 ℃时长度的比值，叫做线性膨胀系数。利用膨胀计算公式计算出膨胀量理论值：

宽度及深度方向膨胀量（mm）=距膨胀零点的距离/1 000*单位膨胀量；

垂直方向膨胀量（mm）=上一个分区内最末膨胀量+（标高－膨胀零点标高）/1 000×单位膨胀量；

单位膨胀量（mm/m）=（计算温度-环境温度)×线性膨胀系数α/1 000；

线性膨胀系数α（10-3mm/m℃）=（计算温度所在区间温度上限对应的线胀系数-计算温度所在区间温度下限对应的线胀系数）/（计算温度所在区间温度上限-计算温度所在区间温度下限）×（计算温度-计算温度所在区间温度下限）+计算温度所在区间温度下限对应的线胀系数，部分国产钢材线性膨胀系数如表2所示：

表2 某些国产钢材的线膨胀系数α×106/℃

锅炉热膨胀系统分区：

（1）大包区域：锅炉大包内表面至顶棚拐点。

（2）炉膛水冷壁温度把水冷壁分为5个区（前4个为螺旋水冷壁区，最后为垂直水冷壁区）：

X 区：从冷灰斗水冷壁进口集箱标高至最下层燃烧器标高再减去1 524 mm；

B 区：X 区标高至最上层燃烧器标高再加上1 524 mm；

燃尽区：B 区标高至最上层燃尽风标高；

螺旋水冷壁出口区：燃尽区标高至螺旋水冷壁出口集箱标高；

垂直水冷壁区：螺旋水冷壁区标高至垂直水冷壁出口集箱标高。

（3）后竖井包墙区域：从顶棚拐点至包墙出口集箱。

（4）省煤器护板区域上：从包墙出口集箱至省煤器护板材料分界点。

（5）省煤器护板区域下：从省煤器护板材料分界点至灰斗。

（6）大风箱区域：距最上层燃尽风最近的刚性梁至最下层燃烧器最近的刚性梁。

温度计算：由于实际锅炉在各个分区上并未设置温度测点，因此难以获得该测点准确的实时温度，采用对理论温度计算值进行线性插值的方法计算：

计算出几种负荷下各分区的温度[t1,t2,t3…]，同时根据锅炉相应各个工况的蒸汽流量[l1,l2,l3…]，将这些参考值作为插值区间，当读出实时工况下的蒸汽流量l s 时，通过插值，计算出当前负荷下各分区的温度[t1i,t2i,t3i…]，再将已有测点温度和插值出的当前温度和相除，求出偏差系数k，利用偏差系统k 修正插值出的各点温度，将修正后的温度代入公式进行膨胀量的计算。

2.2.2 报警功能

三维膨胀监测分析系统开发有膨胀异常报警功能，在软件界面醒目提示并统计测点膨胀异常情况，指导用户运行操作，及时发现膨胀异常情况并采取相应措施。软件在计算值与测量值偏离一定范围后系统推送报警提示信息并记录。报警值的偏离范围需要在现场进行调试后确定。

——部件测点膨胀理论计算值大于膨胀实际值一定范围时，判断该部件被测点膨胀受限，推送该点膨胀受限报警；

——部件测点膨胀理论计算值小于膨胀实际值一定范围时，判断该点膨胀超限，该点存在超温的可能性；

——计算一段时间内相关联被测点的膨胀量变化速率，分析设备是否存在膨胀不均、速率过快等情况，进行部件测点膨胀不均、膨胀变化速率过快报警。

2.2.3 零位校准

锅炉在长期运行后高温高压部件会发生形变，停炉后膨胀位移可能不会回到0位，在建设初期安装的膨胀测量装置所测得的膨胀位移量随着时间流逝逐渐不能客观反映膨胀位移变化情况。应将停炉后的测点认定为膨胀零点。记录膨胀量的历史数据，以表格形式记录锅炉停炉后各膨胀点数据及时间日期，自动将此时间点后采集到的各膨胀测点3个方向位移数据减去最近的一次停炉后记录的测点对应位移，进行自动零位校准，得到相对坐标（即校正值）。

2.2.4 膨胀量计算方法工程验证

三维膨胀监测分析系统已经在多家电厂得到了部署和验证，计算程序和硬件在不断地迭代和优化中。以某运行情况良好的百万机组项目数据为例，采集该电厂1#机组稳定运行620 MW 负荷期间的某时刻的机组运行数据，建立膨胀测点X、Y、Z 三个方向各点计算出的理论值与实际值数据对比柱状图，如图1所示：

图1 膨胀理论值与实际值对比

可以看出，在锅炉正常稳定运行的情况下，三维膨胀监测分析系统所计算出的理论值与实际测得的位移值接近，证明该理论值的计算结果是准确的，经过实际工程验证，该计算方法准确可靠，同时证明通过膨胀量计算理论值与实际膨胀量对比进行报警的方法是合理可靠的。

3 结语

随着工业4.0、互联网+、5G 网络技术的日益普及，工业行业数字化和智能化转型已经成为技术发展的方向和潮流。传统机械指针式膨胀指示器已经无法满足智慧电厂的要求，使用三维数字膨胀监视系统取代传统的机械指针式膨胀指示器，并实现其工程化应用，可以不破坏原有的膨胀指示器，获得精确、连续的锅炉膨胀数据，分析与膨胀有关的相关问题，有利于掌握锅炉在不同工况下的膨胀数据，减少因膨胀异常而导致的衍生问题。三维膨胀监测分析系统具有较好的技术价值和市场前景，提升电厂智慧化水平，有利于智慧电厂建设，顺应时代发展潮流。