胡昌鎂+何淵+楊斌+蔡小舒

摘 要： 電站鍋爐煤粉顆粒參數(shù)在線監(jiān)控對于鍋爐優(yōu)化控制有著重要的參考作用.為了實現(xiàn)煤粉管道內(nèi)顆粒的細(xì)度、濃度、速度的實時監(jiān)控，通過模塊化的程序設(shè)計方案，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)軟件.該軟件通過自定義控件實現(xiàn)了系統(tǒng)組態(tài)、實時曲線與柱狀圖數(shù)據(jù)顯示、保存等功能.同時利用多線程和通道自動分配方法實現(xiàn)了單通道采樣頻率達(dá)1 MHz的數(shù)據(jù)快速采集與處理，并基于Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)了與DCS（Distributed Control System）的即時通訊.在電站長時間投入運(yùn)行的結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運(yùn)行與優(yōu)化控制要求.

關(guān)鍵詞： 電站鍋爐； 煤粉參數(shù)； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； 軟件設(shè)計與實現(xiàn)； 多線程

中圖分類號： TK 31；TH 89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design and implementation of remote monitoring software for

pulverized coal parameters in power station boiler

HU Changmei1， HE Yuan2， YANG Bin2， CAI Xiaoshu2

（1.Shajiao ‘C Power Station of Guangdong Yuedian Group Co. ， Ltd. ， Dongguan 523936， China；

2.Institute of Particle and Twophase Flow Measurement/Shanghai Key Laboratory of

Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering， University of

Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Online monitoring of pulverized coal in boiler provides the importance reference for optimal control of power station boiler.In order to realize the remote monitoring of particle size，concentration，and velocity of pulverized coal，the uppercomputer software of data acquisition system was designed by using modular program design method.This software could realize the system configuration，realtime curve and histogram displaying，data storage，and so on.Each data acquisition and processing channel with 1 MHz sampling frequency was achieved by using multithread technology and automatic allocation simultaneously.The capability of realtime communication with the Distributed Control System （DCS） based on the Modbus communication protocol was achieved.The practical runs shown high stability and reliability of this software.And it could meet the demands of operation and optimizing control of boiler well.

Keywords： power station boiler； pulverized coal parameters； remote monitoring； software design and implementation； multithread

煤粉爐采用直吹式制粉系統(tǒng)將煤粉燃料與空氣混合后一同送入爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒，具有燃燒迅速、完全、效率高等優(yōu)點而廣泛用于火力發(fā)電[1].煤粉管道中內(nèi)煤粉顆粒細(xì)度、濃度、速度對鍋爐燃燒有重要影響[2-6].煤粉細(xì)度過大，燃燒不充分，不完全燃燒損失增加，機(jī)組飛灰可燃物增加；細(xì)度過小則導(dǎo)致除塵效率降低且制粉系統(tǒng)耗能增加.而對于不同管道中煤粉濃度的差異失調(diào)，將導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，爐膛火焰中心偏移，甚至引起煤粉管道堵塞，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行.煤粉速度過低，煤粉氣相輸運(yùn)能力降低，火焰燃燒強(qiáng)度減弱，且火焰將靠近燃燒器從而造成燃燒器損壞；煤粉速度過高，造成著火延時，甚至引起脫火從而導(dǎo)致燃燒器火焰熄滅.因此，煤粉顆粒細(xì)度、濃度、速度的實時在線監(jiān)控是電站鍋爐燃燒優(yōu)化控制的關(guān)鍵問題和難點之一[7].

光脈動（Light Transmission Fluctuation，LTF）法利用透射光強(qiáng)的隨機(jī)變化規(guī)律結(jié)合光散射理論實現(xiàn)煤粉細(xì)度和濃度的在線測量，同時利用雙光束透射光強(qiáng)互相關(guān)測速原理實現(xiàn)速度的同時在線測量，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、對測量環(huán)境要求低、長時間運(yùn)行可靠等優(yōu)點，適合應(yīng)用于電站鍋爐煤粉參數(shù)的在線監(jiān)測[8-12].本文針對光脈動法煤粉參數(shù)測量裝置需求，開展電站鍋爐煤粉參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，并實現(xiàn)與DCS（Distributed Control System）的即時通訊，為電站鍋爐燃燒優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)參考.

1 測量原理與軟件需求

1.1 光脈動法煤粉參數(shù)測量原理

煤粉參數(shù)測量原理示意圖如圖1所示，圖中：PD為光電探測器；ut為顆粒流動速度.光脈動法利用兩束平行光束穿越含有顆粒的介質(zhì)，由于顆粒的宏觀運(yùn)動，不同時刻光束照亮體積內(nèi)的顆粒數(shù)是不同的，由此測量到的透射光強(qiáng)也是隨時間變化的.依據(jù)光強(qiáng)隨機(jī)衰減規(guī)律結(jié)合光散射理論建立顆粒細(xì)度、濃度和透射光強(qiáng)之間的關(guān)系，以實現(xiàn)煤粉細(xì)度、濃度的在線測量；同時通過分析兩束光透射光強(qiáng)的互相關(guān)性，計算得到兩光束信號間的時滯，從而實現(xiàn)速度的同時測量.

圖1 煤粉參數(shù)測量原理示意圖

Fig.1 Schematic diagram of pulverized coal

parameter measurement

1.2 系統(tǒng)軟件需求分析

該軟件目的在于實時獲取和處理光脈動信號，同時將處理結(jié)果同步顯示并送入DCS通訊.為了對在線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要軟件對于歷史測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲.不但如此，還要求該軟件可高效、準(zhǔn)確、長時間可靠運(yùn)行等.

針對上述要求，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集與處理功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)通訊功能、日常使用功能.

數(shù)據(jù)采集與處理功能主要要求數(shù)據(jù)采集速率大，同時要求基于LTF法及互相關(guān)法的運(yùn)行處理迅速；數(shù)據(jù)存儲功能能夠?qū)Σ煌瑫r間、不同管道的處理結(jié)果進(jìn)行保存，并提供歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用與查詢；數(shù)據(jù)通訊功能在于實現(xiàn)計算機(jī)與DCS系統(tǒng)之間的通訊；日常使用功能則是實時數(shù)據(jù)顯示、用戶管理.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用基于PCI總線板卡的架構(gòu)，采用的PCI總線采集卡支持即插即用，是一款12位高速存儲式A/D板，其轉(zhuǎn)換頻率為1 000 K，輸入通道建立時間小于1 μs；板上RAM容量為1 M×16 bit，即1 M采樣點.它有32路單端模擬輸入、24路可編程開關(guān)量（3個8位口）、采集轉(zhuǎn)換支持多種觸發(fā)形式.軟件系統(tǒng)線程如圖2所示，主要分為主線程、采集線程和串口線程三部分.對于主線程，能夠顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，同時可進(jìn)行一定功能設(shè)置，包括串口通訊設(shè)置，Modbus站地址、Modbus寄存器地址和磨通道以及對應(yīng)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理結(jié)果的實時顯示和啟動其它線程設(shè)置.采集線程是完成采集卡初始化，能夠從PCI卡中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，填充數(shù)據(jù)緩存區(qū)，發(fā)送數(shù)據(jù)更新事件.對于串口線程，其通訊流程如圖3所示.串口事件首先發(fā)生，接著在Modbus地址、命令、CRC校驗正常之后，需根據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)映射填充發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)CRC校驗，在結(jié)束校驗后發(fā)送數(shù)據(jù).三者之間需要能夠交換數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與地址映射，包括Modbus地址、磨通道以及對應(yīng)參數(shù).

圖2 軟件系統(tǒng)線程

Fig.2 Flow chart of software

圖3 串口通訊流程

Fig.3 Flow chart of serial port communication

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

VB.NET支持面向?qū)ο缶幊?、多線程處理、結(jié)構(gòu)化異常處理等技術(shù)，能有效保證軟件的穩(wěn)定性和高效性，因此，軟件開發(fā)選用2010 VB.NET開發(fā)環(huán)境.軟件主界面如圖4所示，包括功能按鈕、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、數(shù)據(jù)實時顯示、粒度分布實時測量等功能.其中，數(shù)據(jù)采集和發(fā)送是基于1 MHz 12位高速存儲式A/D板開發(fā)，實現(xiàn)對光強(qiáng)信號的4線程高速采集，具體配置參數(shù)如圖5所示，包括卡件號、通道號、數(shù)據(jù)點名稱、Modbus地址、DCS地址、測量初始參數(shù)、量程與單位等.系統(tǒng)完成配置后，開始數(shù)據(jù)采集，調(diào)用結(jié)果處理的動態(tài)鏈接庫得到煤粉參數(shù)測量結(jié)果，并將結(jié)果顯示于主界面中，同時發(fā)送至DCS供電廠運(yùn)行人員參考.

圖4 軟件主界面

Fig.4 Software interface

圖5 系統(tǒng)配置界面

Fig.5 Interface of system configuration

由于電廠煤粉細(xì)度參數(shù)采用篩分?jǐn)?shù)據(jù)作為依據(jù)，而光脈動法煤粉細(xì)度測量依據(jù)光散射理論獲得索太爾直徑.為滿足電站運(yùn)行需要，通過煤粉粒度分布反演實時得到煤粉粒度分布，從而獲得篩分特征測量值結(jié)果，如圖6所示.

正常運(yùn)行該系統(tǒng)1 h后，煤粉參數(shù)測量結(jié)果如圖7所示，可看出，在該負(fù)荷下煤粉速度在25 m · s-1左右，煤粉濃度在0.5 kg · m-3、煤粉細(xì)度在15 μm左右的較小范圍波動，1 h內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，這表明所設(shè)計的電站鍋爐煤粉參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件在電站實際投入運(yùn)行中具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運(yùn)行與優(yōu)化控制要求.

圖6 粒度分布實時測量結(jié)果

Fig.6 Realtime measurement result of pulverized coal

size distribution

圖7 煤粉參數(shù)實時監(jiān)測結(jié)果

Fig.7 Realtime monitoring result of pulverized

coal parameter

4 結(jié) 論

（1） 通過自定義控件實現(xiàn)了電站鍋爐煤粉參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)成組文本、棒狀圖、實時曲線顯示、測量參數(shù)相關(guān)信息組態(tài)和保存等功能.同時利用多線程和通道自動分配方法實現(xiàn)了單通道采樣頻率達(dá)1 MHz的數(shù)據(jù)快速采集與處理，并基于Modbus通訊協(xié)議實現(xiàn)了與DCS的即時通訊.

（2） 所設(shè)計的電站鍋爐煤粉參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件在電站長時間實際投入運(yùn)行結(jié)果表明，其具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，各項功能均滿足鍋爐運(yùn)行與優(yōu)化控制要求.

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