锅炉壁温无线监测系统方案

火力发电厂锅炉壁温无线监测系统方案北京必创科技股份有限公司2015/07/28目录1系统设计背景 (1)2系统设计 (3)2.1设计依据 (3)2.2设计原则 (3)2.3功能设计 (4)2.4总体方案 (5)2.4.1逻辑架构 (5)2.4.2物理架构 (6)2.4.3网络架构 (6)2.5技术优势 (7)2.6硬件选型 (8)2.6.1温度传感器 (8)2.6.2智能无线温度变送器 (8)2.6.3智能无线网关 (11)2.7配置清单 (15)3系统工作模式 (17)3.1告警模式 (17)3.2调试模式 (17)3.3节电模式 (17)3.4智能监测 (17)3.5远程监测 (18)4技术支持与服务 (19)4.1现场培训 (19)4.2质量保证期及服务 (19)4.3保修期及服务 (20)4.4保修期外服务 (20)1系统设计背景我国火力发电厂以燃煤、燃重油为主。

燃煤的中大型火电厂，一般采用煤粉炉。

从其发电厂的结构看，其生产过程是将进厂的原煤经碎煤机破碎后以磨煤机磨成煤粉用热风吹送喷入锅炉炉膛，通过煤粉燃烧生成的高温热气加热炉膛内的水冷壁管、加热器管使锅炉产生高压蒸汽，然后经过烟道内的再热器、脱硫、空气预热后进入集尘器，清除烟气中的飞灰之后，通过烟囱排入大气。

淡化后的海水或江河湖泊的水经除氧处理后(纯水)被吸入锅炉炉膛内生成饱和蒸汽，然后再加热变成过热蒸汽，由蒸汽管送入汽轮机，使汽轮机内产生膨胀作用后运转带动发电。

发电后水汽进入凝汽器凝结成水，经除氧后通过水泵、高压加热器再一次送入锅炉，循环运转进行锅炉燃烧发电。

发电过程由于蒸汽和水的损失，还会补充由海水、江河水处理而得的纯水供给锅炉，而多余的冷却水或直接排放入海或江河湖泊，或在冷却塔水池中与大气进行热交换以循环利用。

图1-1火力发电厂生产流程目前，我国的发电机组已进入大容量、高参数的发展阶段，一批600MW、1000MW 等级的超临界、超超临界机组相继投运。

随着锅炉参数的提高，尤其是蒸汽温度的提高，一些不同于亚临界参数机组的问题（如管内氧化垢引起的超温问题）更为突出。

统计表明，发电机组约80%的事故停机是由于锅炉故障引起的，而其中70%的故障是由受热面损坏造成的。

受热面管路的损坏直接或间接地与运行过程中受热面的超温有关。

当管壁金属温度超过所用钢材在承受力水平下的容许温度时，会引起管子的高温蠕变，严重时造成爆管事故，不但会造成巨大的直接经济损失，而且由于爆管区域附近大片管子受损，埋下了连续爆管的隐患，严重影响锅炉的安全运行，降低了设备的可用率，增加发电成本。

如1台200MW锅炉若爆管1次，每次按5天修复计算，则将少发电2400万kWh。

机组冷态启动一次油费大约6万元，再加上修复所用的材料及人工费等，其经济损失是相当大的。

因此，受热面金属工作温度的监测，对预防超温、提高发电设备可靠性有着显著的作用。

然而传统的有线连接方式，有线方式受布线、供电电源、安装场所和维修等限制。

另外有如网络维护困难，人难以接近，有线网络之间存在电源干扰现象，大量布线增加了系统潜在危险和不可控性等。

为了解决这些问题，迫切需要引入无需布线的网络。

基于这个目的，本方案提出了一套基于无线传感器网络的火力发电厂锅炉壁温无线监测系统。

通过智能无线温度变送器和智能无线网关组成数据采集传输网络，对锅炉吹灰、定排、疏水壁温测点进行监测，应用智能无线化技术将现场温度数据传送至上位机或服务器，在SIS系统中实现温度显示、报表管理等功能。

无线传感器网络是基于IEEE802.15.4技术标准和射频网络协议而设计的无线数据传输网络，具有多功能多信息信号获取能力，利用无线传感器网络对电厂进行监测是电厂监测系统发展的必然趋势。

无线传感器网络在工业监控领域的研究发展为机械设备状态监测和故障诊断提供了一个更为方便和有效的手段。

传统的有线传感器方式将传感器布置在被测对象的指定位置布置多个传感器，对传感器一对一配线，然后集中到中央监控设备。

这个过程会花费较大的人力去布置传感器，要求测试人员无差错的给传感器配线，合理布线并防止在监测过程中数据传输被人为破坏。

这一繁琐的过程会对测试人员带来很多不便。

无线传感器网络技术的涌现，可以免除上述的诸多不便，完成对锅炉温度以及设备振动信息的采集，为安全生产运营提供原始的资料。

2系统设计2.1设计依据1 ANSI/NFPA 70 国家电气规范2 UL 44 橡胶导线、电缆的安全标准3 ANSI/NEMA ICS4 工业控制设备和系统的端子排4 ANSI/NEMA ICS6 工业控制设备和系统的外壳5 IEEE 美国电气和电子工程师协会标准6 EIA 美国电子工业协会标准7 SAMA PMS 22.1 仪表和控制系统功能图表示法8 ICEA 绝缘电缆工程师协会9 TCP/IP 网络通讯协议10 IEEE802 局域网标准11 DL／T 659-2006 《火力发电厂分散控制系统验收测试规程》12 DL/T 1012-2006 《火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程》13 DL/T 774-2004 《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》14 DL/T 5428-2009 《火力发电厂热工保护系统设计规定》15 ISO2945 《旋转与往复机器机械振动-振动烈度测量仪的要求》16 DL/T 5175-2003 《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》17 ISA RP55.1 数字处理计算机硬件测试2.2设计原则在火电厂中，构建网络时需要考虑数据的传输方式、通信的质量、数据安全、是否便于安装和成本等问题。

因为要将系统应用到复杂的火电设备中，所以还要考虑对火电厂的环境所带来的干扰。

通过监测节点上的传感器感知设备温度、振动情况等，达到状态监测的目的。

本方案主要从以下几个方面来考虑：（1）数据传输方式数据传输方式很多，需要根据系统应用的实际环境和工况来确定数据传输方式。

由于系统要求应用在火电厂内，其应用环境较复杂，要做到布点容易、安装简单、易于操作，需要采用无线的方式传输数据。

（2）无线通信质量被测现场的周围环境比较复杂，存在火电厂设备带来干扰的情况，所以系统需要选择有效的无线收发模式来克服干扰的问题，以确保无线通信质量。

（3）数据安全性应用射频技术的无线数据传输，存在安全性问题。

在公共频段下数据传输处于公开状态。

任何人都有可能收到系统发出的数据，因此数据在发送之前要进行严格的加密，接收数据时要进行严格的校验和揭秘，以确保数据安全。

（4）低成本低成本是节点设计的基本要求，这是大规模无线传感器网络广泛进入实际应用的必要前提。

（5）低功耗尽量选择低功耗器件降低节点功耗，延长电池寿命。

（6）在不影响功能的情况下，节点尺寸尽可能小。

2.3功能设计火力发电厂的锅炉，根据机组大小的不同，其压力等级和温度也不相同，低中压锅炉出口蒸汽温度不高于450℃，而超高压、亚临界压力锅炉出口蒸汽温度达到540℃或555℃，少数为570℃。

本系统主要完成对火力发电厂炉膛吹灰器、过再热器吹灰器、定排门、锅炉疏水等管壁温度的长期实时在线监测，并将数据发送至上位机或服务器，结合火电厂现有的SIS信息系统采集的机组运行数据，为火电厂在线计算受热面管壁温度和寿命提供原始数据。

锅炉高温受热面壁温监测是在火力发电厂原有的厂级监控信息系统（SIS）的数据基础上，进一步将温度数据采集出来，借助于数学模型以及金属壁温和管道寿命的计算模型，完成数据分析。

2.4总体方案2.4.1逻辑架构为保证系统运行的可靠性、实时性和实用性，设计时将整个系统分为4个层面，软件开发采用模块化编程，各模块间以固定格式进行数据传输，并通过数据库对系统内的所有信息进行统一管理，从而保证数据传输的高效性和稳定性。

图2-1系统逻辑架构第一层为数据采集系统，通过智能无线温度变送器和感温元件对锅炉炉壁温度数据进行采集，实现物理量的电信号转换，进而为应用系统层提供硬件和数据的支撑。

第二层为现场通信系统，主要负责采集系统和数据服务系统的数据连接，完成采集数据的传输和上层控制指令的传达。

第三层为数据服务系统，主要完成传感器数据的处理、解析和存储，为业务应用系统提供数据支撑。

第四层为业务应用系统，主要实现用户与传感器感知的交互，包括对温度数据的存储、报表显示和历史数据查询。

该层数据主要与厂内原有的SIS系统进行交互。

2.4.2物理架构本系统主要前端传感元件（温度传感器）、智能无线变送器（无线传感器节点）及智能无线网关三部分组成。

无线传感器节点内部内置有电池，根据设置指令定时开始采集锅炉温度、振动等参数，内部转换成无线的数字信号进行发送，实时通过智能无线接收网关传输到上位机或服务器，实现相关部位参数的监测。

智能无线网关采用分组的方式并行工作，汇聚无线传感器节点发送来的锅炉温度等数据参数，再通过RS485或RJ45网口，以Modbus标准信号或者OPC协议信号转发至SIS系统中，从而实现远程无线监测的目的。

系统预留了众多扩展口，及各种其他类型的无线传感器可供选择，具有良好的拓展性。

图2-2系统物理架构2.4.3网络架构系统前端温度采集网络主要以BeeLPW低功耗无线网络为主，智能无线温度变送器与智能无线网关组成一个小型局域网络，传输距离约300米，无线网关负责接收和汇聚温度变送器发送的炉壁温度数据；无线网关可以通过RJ45网线或RS485总线，借助TCP/IP协议或Modbus协议将数据送至厂内已有的SIS系统中。

图2-3系统传输网络2.5技术优势（1）方便：不需要布线，安装方便，抗干扰能力强；（2）安全：小体积独立工作节点，内置存储器，适合各种危险环境，可独立进行操作，只需在测试后进行设备回收即可完成实验；（3）工程实施简便：只需安装传感器节点就可实现采集，而且不会破坏原设备结构。

（4）免维护：超低功耗突破，分钟间隔采集一次，可以使用干电池工作2-3年。

（5）灵活，智能：可设置多种采集方式，不会错过偶然的突发事件；（6）可靠，精确，稳定：多年的检测市场应用积累，众多用户工作在各种不同环境的考验；（7）同步采集：具有精确的同步采集功能。

(8) 永远在线：合理设置通讯流量规划，采用先进算法，节省用户运营费用。

2.6硬件选型2.6.1温度传感器工业生产中，电厂锅炉是一个不确定非线性系统，选择温度传感器时需要考虑水压、水温、水流量、应用环境条件、体积和质量，甚至噪声等。

应根据锅炉进出口所需压力差、温差大小来确定传感器类型。

当水量大、水压小时，尽量选取量程宽、口径大的温度传感器，而后再根据工作点来选择具体型号和外形尺寸。

本系统中由于测量温度较高，常规温度传感器如DS18B20无法满足使用要求，方案采用铂电阻和热电偶作为感温元件对锅炉壁温进行感知。