一种锅炉膨胀在线监测系统设计
时间：2023-06-03 09:25:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
潘铎
（天津国电津能滨海热电有限公司 天津市 300459）
现有的锅炉膨胀测量技术多为机械式测量仪，该类指示仪需要巡检人员到现场读取数据，水平刻度盘提供XY轴坐标，悬针刻度提供Z轴坐标，我厂每台锅炉在各个燃烧器、集箱、联箱等处共安装膨胀测量仪28个，每次启动中需在原点、上水前、上水后、各压力工况下记录膨胀测量仪位置7次，膨胀情况记录工作繁重。所以给出一种改造、安装简便，对现有量仪影响小的锅炉膨胀在线监测系统是我厂安全运行的需要。
通过分析广泛使用的机械量仪与现有各种改造方案我们发现，若直接使用直角坐标系坐标标注膨胀监测点坐标，依此原理制作膨胀量仪在线监测系统，至少需要安装三套传感器以提供完整坐标，整个改造方案安装复杂、部件多，对恶劣的露天工作环境耐受能力差。而相对直角坐标系，我们发现球极坐标系更适合两点相对位置的测量，该种测量方法可以通过水平与竖直角度、点与原点相对距离直接表示点的位置。由于现有机械量仪水平刻度盘与量仪膨胀监测点悬针均有固定螺栓，以水平刻度盘螺栓为原点，采用位移测量仪直接量取刻度盘固定螺栓与悬针螺栓的距离，并测量位移测量仪的水平、竖直角度，就可以直接表示出膨胀监测点的坐标，通过坐标变化就可以测量出该位置锅炉的膨胀情况。该种测量方式只需要安装一根位移测量仪，其它角度测量等功能均可以集成为一个电路板并安装于位移测量仪上，安装难度小。
现有国内测量方案，均采用传统直角坐标系方式对现有量仪进行改造，加装三组轴向位移传感器，整体加装设备成本较高，且由于锅炉体积庞大，安装维护难度大，且加装后为保证测量系统运行不受环境影响，需加装整体防护罩，防护罩影响就地仪表的读取。我们设备由于采用拉杆式直线位移测量仪，且斜向下安装，整体密封良好，内部不存在进水的情况，不需要遮盖原有测量仪，同时满足就地与远方读取的需要。每个点位只需要安装一个测量设备，设备采用两颗原设备螺栓直连，安装简易，维护更换难度小。
位移测量中，我们选用成本较低的拉杆式直线位移测量仪，其测量原理与滑动变阻器相似，通过拉伸安装于监测点与固定点之间的测量杆改变测量仪的电阻，从而将位移转化为电信号送出，由于该种改造方案中量仪长度在四十至六十厘米左右，LVDT型测量仪虽精度高，但在该长度成本偏高，电阻式拉杆位移测量仪对恶劣环境耐受能力强，测量仪两端采用万向节与原机械量仪连接，固定端位于上方以防止拉杆进水。
角度测量我们将ICM-42605陀螺仪固定于位移测量仪主体上以测量位移测量仪主体的倾斜角度，从而给出球极坐标中所需两个角度。该陀螺仪为9轴芯片可以给出自身X、Y、Z三轴角度及加速度并可附带温度补偿，能适应露天温度变化范围大的环境。我们设监测点的球极坐标（r，φ，θ），其中直线距离为r，与Y轴夹角为φ，与Z轴夹角为θ，可将其转化为监测点的直角坐标以便于观察膨胀数值，其中x=rsinθcosφ，y=rsinθsinφ，z=rcosθ。通过记录各个工况下的直角坐标，就可以直接计算出各工况下的膨胀大小。当锅炉发生膨胀时，监测点位置发生变化，拉伸位移测量仪拉杆，使位移测量仪发生倾斜，其角度与测量长度发生相应变化，通过现场电路向DCS系统进行传输数据，若不考虑分别分析各个方向上的膨胀，可直接根据球极坐标计算形变量
AD转换电路选用芯片为MAX197,其与600mm位移变送器配合分辨精度约0.3mm满足测量精度要求，位移变送器定制型号为24VDC供电，输出为0-5V电压信号。初步通讯采用485转换电路部分选用max485芯片实现。
综上，我们通过单片机完成位移测量、角度测量，并转换为485输出的功能。由于锅炉膨胀测点数量多，为降低通讯电缆布设难度，减少上位机通讯接口数量，减少电缆用量，我们设计采用4G无线物联网设备或成熟的DTU产品的方式完成485信号与DCS系统信号的传输，供电由电路板集成。
DCS侧采用物联网设备或DTU，将各监测点实时膨胀参数依次传输至DCS中，并通过画面进行直观显示。DCS侧采用人工触发方式记录个点膨胀情况，每点设6个寄存器可保持6组历史数据，并显示实时数据，以方便运行人员完成单次启动过程中的监测。通过长期运行，该系统可以计算出各工况下膨胀常规值，以形成经验报警值，当锅炉发生异常膨胀时进行报警，以引起运行人员注意。
综上，我们以陀螺仪与直线位移测量仪为核心设计了一套依据球极坐标系进行锅炉膨胀测量的设计方案。随陀螺仪技术更新，现有陀螺仪精度等级不断提高，球极坐标系测量代替传统直角立体坐标系的测量已经切实可行，我们相信这种简便的测量方式会在工业领域不断推广。
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