智能電廠儀表和傳感器技術(shù)與趨勢(shì)研究

張 強(qiáng)，郭 榮，陳榮澤，陳家穎（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 201100）

0 引言

在發(fā)電領(lǐng)域，伴隨著智能電廠建設(shè)的興起，智能儀表和傳感器產(chǎn)品成為不可或缺的電廠智能裝備，而發(fā)電廠智能測(cè)量技術(shù)成為智能電廠關(guān)鍵技術(shù)之一[1,2]。隨著發(fā)電企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的不斷推進(jìn)，智能儀表和傳感器新增需求和智能化比率在不斷提升，越來(lái)越成為推動(dòng)發(fā)電行業(yè)打造“數(shù)字電廠”“智能電廠”的重要支撐。

智能儀表和傳感器具有精度高、自診斷、測(cè)量范圍寬、通信接口多樣化等優(yōu)點(diǎn)，人機(jī)交互更加友好，維護(hù)也更方便。目前，發(fā)電領(lǐng)域智能儀表除了4mA～20mA等標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)傳輸，還帶有HART、PROFIBUS、FF等現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議，與工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)（如DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)）通信，儀表不僅能夠進(jìn)行量值傳遞，還可以將儀器儀表的狀態(tài)、自診斷、量程校核等信息傳給工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)及管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能儀表的高效管理和智能協(xié)同。

圖1 智能儀表文獻(xiàn)年度統(tǒng)計(jì)（數(shù)據(jù)來(lái)源：萬(wàn)方）Fig.1 Annual statistics of intelligent instrument Literature(data source: WANGFANG)

由于發(fā)電行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、高電壓、高灰污、高輻照等嚴(yán)苛工況，也存在氨（NH3）、氫氣（H2）等危險(xiǎn)化學(xué)品，因而對(duì)安全性和可靠性要求很高。另外，發(fā)電廠各類工藝系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)儀表的要求是多樣化的，這就要求智能儀表系統(tǒng)和產(chǎn)品要具備較高的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字化技術(shù)在儀表中的應(yīng)用為其性能、精度和功能的改進(jìn)提供了巨大的改善空間。伴隨智能電廠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣應(yīng)用，使智能儀表的信息交換更為迅捷方便，自診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能得以順利實(shí)現(xiàn)。發(fā)電領(lǐng)域的儀表與傳感器技術(shù)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線、計(jì)算機(jī)、高級(jí)算法技術(shù)的發(fā)展，一些具有特定功能的智能化復(fù)雜性儀表裝置，越來(lái)越在該領(lǐng)域占有一席之地。

從科技文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量來(lái)看，中國(guó)發(fā)電用智能儀表的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新在“十三五”期間已經(jīng)進(jìn)入成熟平臺(tái)期。

“十三五”期間，國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)部分智能儀表產(chǎn)品，如壓力變送器、溫度測(cè)量單元、液位計(jì)等，其在功能上與西方發(fā)達(dá)國(guó)家并沒(méi)有太大差距。但在用于貿(mào)易結(jié)算的高精度計(jì)量?jī)x表、高端在線分析儀表、安全儀表、非接觸式儀表和多相流測(cè)量?jī)x表等產(chǎn)品上，還存在一定劣勢(shì)，在質(zhì)量、可靠性、關(guān)鍵性能指標(biāo)等方面仍存在短板。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 煤質(zhì)在線測(cè)量技術(shù)

發(fā)電廠煤質(zhì)在線檢測(cè)主要涵蓋灰分、水分、固定碳及發(fā)熱量等關(guān)鍵指標(biāo)，與一般煤質(zhì)分析方法相比，解決了采制化傳統(tǒng)方法的易人工干預(yù)、工序繁雜、結(jié)論滯后等問(wèn)題，能夠更及時(shí)地指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行，對(duì)發(fā)電廠節(jié)能減排具有非常重要的意義。

目前，煤質(zhì)無(wú)源在線檢測(cè)技術(shù)主要有天然γ放射性測(cè)量法、近紅外光譜分析法（NIRS）、多能X射線吸收法（MXRA）、X射線熒光法（XRF）和激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析法（LIBS）等[3]。

這幾種檢測(cè)技術(shù)，除了天然γ放射性測(cè)量法具有較大的煤種選擇局限性外，其他幾種均具備了工業(yè)化應(yīng)用前景。近紅外光譜技術(shù)的檢測(cè)機(jī)理明確、易于在線實(shí)現(xiàn)，未來(lái)在煤質(zhì)在線檢測(cè)領(lǐng)域可能有較大的發(fā)展空間。

X射線熒光法可檢測(cè)灰分和硫分，在國(guó)外已有應(yīng)用案例，在國(guó)內(nèi)也有相應(yīng)的技術(shù)專利，但實(shí)際效果還不太確定。LIBS雖然基本被國(guó)外公司壟斷，但國(guó)內(nèi)也在積極研究、部署應(yīng)用試點(diǎn)。

2.2 鍋爐測(cè)溫及溫度場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)

鍋爐內(nèi)部的燃燒過(guò)程充滿了風(fēng)煤劇烈混合反應(yīng)的氣固兩相流，溫度高達(dá)1000多攝氏度，當(dāng)前技術(shù)僅在個(gè)別位置實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)溫度或濃度測(cè)量，難以反應(yīng)燃燒過(guò)程全貌。

采用鍋爐測(cè)溫及溫度場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)，能夠使電廠運(yùn)行人員準(zhǔn)確觀測(cè)鍋爐內(nèi)部復(fù)雜的燃燒過(guò)程，例如三維溫度分布、污染物生成等情況，耦合到DCS控制系統(tǒng)，結(jié)合Smith預(yù)估等先進(jìn)的燃燒模型預(yù)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，使鍋爐燃燒可以持續(xù)處在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電煤耗和污染物排放雙下降，保障了機(jī)組運(yùn)行更安全。

目前，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)。儀表采用聲、電、信號(hào)處理上的先進(jìn)技術(shù)，提供連續(xù)的、準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)的、非侵入的、全自動(dòng)的測(cè)量，已在燃燒優(yōu)化、配煤摻燒、遠(yuǎn)程燃燒診斷等多個(gè)電廠智能化場(chǎng)景得到應(yīng)用。但與德國(guó)新一代爐膛二維聲波測(cè)溫系統(tǒng)相比，一些指標(biāo)還相對(duì)落后，需要在“十四五”期間開(kāi)展攻關(guān)，以在國(guó)際上獲得行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和優(yōu)勢(shì)地位。

2.3 汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片葉尖定時(shí)技術(shù)（BTT）

汽輪機(jī)低壓缸功率占整個(gè)機(jī)組功率的35%，低壓末級(jí)的輸出功率約占機(jī)組總輸出功率的10%左右。因此，低壓長(zhǎng)葉片的性能穩(wěn)定尤為重要?，F(xiàn)階段火電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)荷之下，低壓末級(jí)與次末級(jí)長(zhǎng)葉片工作條件惡劣。在汽輪機(jī)檢修過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)低壓末級(jí)與次末級(jí)葉片存在嚴(yán)重水蝕現(xiàn)象，低壓末級(jí)與次末級(jí)長(zhǎng)葉片是低壓缸安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)長(zhǎng)葉片的健康狀態(tài)十分關(guān)注，運(yùn)用先進(jìn)的電渦流葉尖計(jì)時(shí)測(cè)試技術(shù)，監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)性能和間隙變化，建立相應(yīng)振動(dòng)與間隙分析模型。將葉尖計(jì)時(shí)測(cè)試技術(shù)運(yùn)用到葉片的健康監(jiān)測(cè)中，為葉片運(yùn)行時(shí)的健康測(cè)試建立基礎(chǔ)。采用非接觸式高頻測(cè)量技術(shù)，在線監(jiān)控低壓末級(jí)長(zhǎng)葉片的振動(dòng)等特征信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控低壓末級(jí)長(zhǎng)葉片的健康狀態(tài)。但目前為止，仍未能實(shí)現(xiàn)葉片健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的商業(yè)化系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)電站儀表行業(yè)和裝備制造行業(yè)在“十四五”期間應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)，建立完整的葉片健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.4 發(fā)電機(jī)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下端部振動(dòng)光纖測(cè)量技術(shù)

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部處于不停的振動(dòng)當(dāng)中，振源主要為雙倍頻交變電磁力。由于發(fā)電機(jī)定子繞組端部類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特別是汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒端部伸展較長(zhǎng)，因而防止因振動(dòng)過(guò)大威脅發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，一直是設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行人員共同關(guān)心的問(wèn)題。

發(fā)電機(jī)定子繞組端部振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，在保證發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行方面具有重要意義。反措要求對(duì)于運(yùn)行和檢修中發(fā)現(xiàn)定子繞組端部有振動(dòng)超標(biāo)隱患的發(fā)電機(jī)，監(jiān)視振動(dòng)幅值的變化是確保發(fā)電機(jī)避免突發(fā)嚴(yán)重事故的重要環(huán)節(jié)。端部振動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境存在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，采用光學(xué)測(cè)振的傳感器可以抑制電磁干擾。目前國(guó)外已有的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，價(jià)格非常昂貴?！笆奈濉逼陂g，國(guó)內(nèi)儀表行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)這方面的技術(shù)攻關(guān)和國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，填補(bǔ)在高電壓、強(qiáng)電磁干擾，以及高度爆炸性氣體等惡劣電氣環(huán)境下測(cè)量?jī)x器的空白。

2.5 核電常規(guī)島給水泵大流量高精度超聲波流量測(cè)量技術(shù)

為了解決常規(guī)島差壓式流量計(jì)在主給水流量測(cè)量中存在的問(wèn)題，將超聲波技術(shù)應(yīng)用到主給水流量測(cè)量中，是實(shí)現(xiàn)核電廠小幅度功率提升的核心儀表裝備。全球僅Cameron公司能夠供貨，價(jià)格極其昂貴，每臺(tái)價(jià)格數(shù)千萬(wàn)美元，亟待進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)。

“十四五”期間，國(guó)內(nèi)電站行業(yè)可以通過(guò)主給水流量精度對(duì)于核電廠反應(yīng)堆熱功率計(jì)算及其不確定度影響的分析研究，跟蹤國(guó)外核電廠通過(guò)提高主給水流量測(cè)量精度的方式進(jìn)行核電廠小幅度功率提升的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展國(guó)內(nèi)在建核電廠通過(guò)采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行主給水流量測(cè)量以及進(jìn)行小幅度功率提升項(xiàng)目的意義、可行性、需要開(kāi)展的工作以及實(shí)施該項(xiàng)目潛在的收益和風(fēng)險(xiǎn)分析。研制常規(guī)島給水泵大流量高精度超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)，并開(kāi)展全實(shí)流標(biāo)定，獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)審核批準(zhǔn)的安全評(píng)估報(bào)告。

2.6 燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室高溫測(cè)壓測(cè)振傳感器技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室高溫測(cè)壓測(cè)振傳感器均安裝在靠近高溫物體區(qū)間[4]，且存在易爆氣體的嚴(yán)苛環(huán)境，因此防爆、耐高溫高壓要求極高，價(jià)格昂貴，需要進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制。

燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室壓力測(cè)量是對(duì)燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，采用壓電壓力傳感器，利用人造壓電材料的壓電效應(yīng)，溫度承受范圍-70℃～520℃，高壓承受能力25MPa，靈敏度為10pC/bar±5%，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為0.00005 MPa～25MPa，頻率響應(yīng)區(qū)間為（2Hz～15000Hz）±5%。

燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室振動(dòng)測(cè)量是對(duì)燃燒室的動(dòng)態(tài)振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，采用壓電速度傳感器，溫度承受范圍-196℃～700℃，靈敏度為10pC/g±5 %，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍位0.01g～200g，頻率響應(yīng)區(qū)間為（3Hz～2800Hz）±5%，安裝于燃燒室內(nèi)缸外壁上。

3 發(fā)展趨勢(shì)

智能儀表目前已不再是簡(jiǎn)單的硬件實(shí)體，而是數(shù)字化硬件、軟件相互融合，高效協(xié)同工作的產(chǎn)物，從傳統(tǒng)產(chǎn)品的高精度、高可靠性向智能化、數(shù)字化的方向去發(fā)展。除此以外，智能電廠的建設(shè)給儀表帶來(lái)了新的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 向現(xiàn)場(chǎng)總線方向發(fā)展

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)及智能化的總線變送器在新建電廠單元機(jī)組和輔助系統(tǒng)（車間）得到推廣應(yīng)用，為電廠智能化發(fā)展奠定物理基礎(chǔ)，也為儀表行業(yè)總線技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。

已經(jīng)部分應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的電廠，都在深入研究總線設(shè)備的智能化功能，深入研究總線設(shè)備提供的信息，以提高電廠運(yùn)行安全性和測(cè)控設(shè)備信息化管理水平。

3.2 向5G無(wú)線通訊方向發(fā)展

借助5G高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，將5G技術(shù)布局到發(fā)電廠儀表和傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，讓發(fā)電企業(yè)及時(shí)做出智慧決策，提高發(fā)電領(lǐng)域的智能化水平。

智能儀器儀表企業(yè)，必須關(guān)注5G 商用給整個(gè)行業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇?；?G網(wǎng)絡(luò)，國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司已在江西光伏電站完成全國(guó)首個(gè)智慧電廠多場(chǎng)景、P2P業(yè)務(wù)驗(yàn)證[5]，打造設(shè)備間互聯(lián)感知的多傳感器智能系統(tǒng)，這是5G網(wǎng)絡(luò)在智慧電廠應(yīng)用的重要?jiǎng)?chuàng)新和突破，必將進(jìn)一步加快5G儀表的商用進(jìn)程。

3.3 向無(wú)線自供電方向發(fā)展

無(wú)線自供電傳感器（SAW等）中的敏感器件本身是無(wú)源的，也不需要像一般的無(wú)線IC卡那樣，它利用天線耦合得到所需電源，是一種真正的無(wú)源傳感器。

無(wú)線自供電傳感器對(duì)于現(xiàn)存的傳統(tǒng)傳感器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)理念和技術(shù)上的革命創(chuàng)新，是物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從長(zhǎng)期使用看，降低了客戶的平均成本，提高了安全性與使用效率，具有較難替代的特性。

美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）通過(guò)在燃煤鍋爐爐管上部署SAW無(wú)源無(wú)線傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)吹灰智能調(diào)度和燃燒優(yōu)化，指導(dǎo)鍋爐爐管狀態(tài)檢修。

美國(guó)電科院（EPRI）2017年通過(guò)在汽輪發(fā)電機(jī)部署無(wú)線無(wú)源（2.4GHz，battery-free）傳感器，實(shí)現(xiàn)扭振無(wú)線測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)在電廠投入運(yùn)行示范[6]。

3.4 向高級(jí)分析方向發(fā)展

近年來(lái)，智能儀表和傳感器結(jié)合邊緣計(jì)算和人工智能等技術(shù)，已開(kāi)始從簡(jiǎn)單的信號(hào)隔離、數(shù)據(jù)處理向知識(shí)自動(dòng)化方向發(fā)展，自主化高級(jí)分析功能在智能電廠不同的場(chǎng)景獲得成功應(yīng)用。

儀表的傳感器和微控制器都屬于聯(lián)網(wǎng)微型計(jì)算機(jī)。傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到微型計(jì)算機(jī)，然后在那里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這些小型的、自主的計(jì)算機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的邊緣計(jì)算部分，成為確保智能電廠運(yùn)行和控制優(yōu)化的基礎(chǔ)。

圖2 爐膛SAW無(wú)源無(wú)線傳感器陣列應(yīng)用Fig.2 Application of saw passive wireless sensor array

圖3 無(wú)線扭振測(cè)量示意圖Fig.3 Schematic diagram of wireless torsional vibration measurement

4 結(jié)論與建議

電站儀表企業(yè)應(yīng)抓住電廠智能化升級(jí)的機(jī)遇，推進(jìn)行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整。瞄準(zhǔn)電站智能化儀表產(chǎn)業(yè)鏈上的“卡脖子”技術(shù)和產(chǎn)品，開(kāi)展自主化技術(shù)攻關(guān)，滿足電廠數(shù)字化智能化趨勢(shì)下出現(xiàn)的新需求，并將其作為重要抓手和行業(yè)發(fā)展的重要商機(jī)。只有盡快發(fā)現(xiàn)、利用、集成各種新原理、新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝等最新科技成果，才能設(shè)計(jì)和制造出世界一流的智能儀表。

作為智能電廠儀表的應(yīng)用和使用方，發(fā)電企業(yè)應(yīng)大力推廣已獲初步成功應(yīng)用且經(jīng)濟(jì)效益較好的智能儀表和傳感器技術(shù)，積極穩(wěn)妥地安排技術(shù)集成試點(diǎn)，不斷推動(dòng)智能電廠高端儀器儀表技術(shù)落地應(yīng)用。

國(guó)家應(yīng)加大對(duì)儀表行業(yè)科研創(chuàng)新的資金投入和人才投入，為技術(shù)的創(chuàng)新和提升提供一個(gè)良好的環(huán)境。鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)與國(guó)內(nèi)外企業(yè)、高校、科研院所的技術(shù)合作，同時(shí)注重提高科技成果轉(zhuǎn)化能力。以關(guān)鍵、共性技術(shù)研究和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)為核心，不斷增強(qiáng)技術(shù)對(duì)智能儀表行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力。