基于LabVIEW的風(fēng)量標定系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

趙國君，高 祥，劉 偉，孟繁兵，束繼偉

(1.黑龍江省火電第三工程有限公司，哈爾濱 150016;2.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

目前，大型電站鍋爐設(shè)計配置了風(fēng)量測量裝置，主要有通過截流元件取壓的差壓式流量測量裝置和非差壓測量裝置。由于電站鍋爐風(fēng)量測量裝置安裝在風(fēng)道，在結(jié)構(gòu)上存在一定的問題，如風(fēng)量裝置本身的截流、測點布置欠合理、風(fēng)量測量裝置長時間使用在環(huán)境惡劣造成的磨損等，導(dǎo)致大多數(shù)燃煤電廠風(fēng)量測量裝置出現(xiàn)了維護率高、測量準確性差等問題，影響了燃燒工況的控制及整個鍋爐的燃燒效率［1－2］。因此，本文根據(jù)目前電廠風(fēng)量測量裝置測點布置不合理、常規(guī)風(fēng)量裝置標定方法人工讀數(shù)不足等問題，設(shè)計了基于LabVIEW的實時在線風(fēng)量標定系統(tǒng)，并驗證了這一設(shè)計系統(tǒng)的特性。

1 風(fēng)量裝置標定原理

利用標準測速管測得的氣流平均動壓計算氣流流量，再與電廠DCS系統(tǒng)中顯示的風(fēng)量相比，所得的比值為對應(yīng)工況下的風(fēng)量裝置標定系數(shù)，風(fēng)量裝置標定系數(shù)的過程即為風(fēng)量裝置的標定過程。前述風(fēng)量標定系數(shù)的概念有別于文獻［3］中所述的內(nèi)容，但其原理是一致的。

風(fēng)量標定的計算公式為［4］

式中:v為氣流速度，m/s;k為測速管速度系數(shù)(在該標定系統(tǒng)設(shè)計中所有測速管k為1.0);Q1為氣流體積流量，m3/h;Q2為氣流質(zhì)量流量，kg/h;Q3為電廠DCS系統(tǒng)顯示的風(fēng)量，m3/h或kg/h;pd為測速管測得的動壓，Pa;ρ為氣流密度，按照公式(4)計算，kg/m3;A為管道截面積，m2;pa為大氣壓力，Pa;pp為管道內(nèi)氣體靜壓，Pa;t為管道內(nèi)氣體溫度，℃;ρθ為標準狀態(tài)下氣流密度，kg/m3;d為干空氣中含濕量，可以根據(jù)試驗地環(huán)境參數(shù)選取，g/kg(干空氣);λ為風(fēng)量裝置標定系數(shù)，標定完成后可以直接乘以DCS系統(tǒng)風(fēng)量顯示值，就可以得到標定后的準確風(fēng)量。

2 風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)介紹

2.1 風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)總體構(gòu)成

選用高精密壓力變送器、熱電偶、NIUSB－6009采集卡和LabVIEW軟件設(shè)計了實時在線風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)。該系統(tǒng)能同時采集6個動壓信號、1個靜壓信號和1個溫度信號，在系統(tǒng)軟件內(nèi)部實現(xiàn)了一次采集信號到速度、流量和標定系數(shù)的轉(zhuǎn)換、實時顯示、存儲、報表生成等功能。由于系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境LabVIEW是美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品［5］，因此它能夠方便快捷的實現(xiàn)圖形化模塊式編程與二次軟件開發(fā)?；贚abVIEW的實時在線風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of air flow calibration device

2.2 風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)硬件及軟件組成

該設(shè)計系統(tǒng)包括硬件和軟件構(gòu)成兩部分。其中硬件構(gòu)成如圖2所示，軟件模塊構(gòu)成如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware system

圖3 系統(tǒng)軟件模塊組成Fig.3 Software system

1)系統(tǒng)硬件由1臺電腦、1個采集卡、7個高精密壓力變送器(其中6個測量差壓，1個測量靜壓)、1支高精密T型熱電偶、1個恒壓源(24 V)、8組隔離放大器(其中，7組實現(xiàn)4～20 mA至0～10 V轉(zhuǎn)換，1組實現(xiàn)0～50 mV至0～10 V轉(zhuǎn)換)、2組符合ISO 10780標準的高精度 L型皮托管(1組7支φ6 mm，長500 mm;1組7支 φ10 mm，長 3000 mm，可根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)道尺寸選擇)等部件組成。

2)系統(tǒng)軟件模塊由主程序模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、人機接口、報表生成7部分組成。其中，用主程序模塊完成系統(tǒng)的啟動、停止以及各子模塊的調(diào)用;用戶管理模塊完成設(shè)計系統(tǒng)使用人員的權(quán)限判定、存儲、查詢、修改、刪除等功能;用數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集卡等硬件的判斷、通道任務(wù)配置、采集參數(shù)配置和數(shù)據(jù)采集功能;數(shù)據(jù)分析模塊與數(shù)據(jù)采集模塊同步，實現(xiàn)數(shù)據(jù)有動壓到風(fēng)速、風(fēng)量的轉(zhuǎn)換和顯示功能;數(shù)據(jù)管理模塊完成數(shù)據(jù)存儲(與數(shù)據(jù)分析模塊同步)、歷史數(shù)據(jù)查詢、回放和刪除等功能;在人機接口完成試驗實際風(fēng)道參數(shù)輸入、當(dāng)?shù)貪穸冗x擇或輸入、試驗后不確定度評定以及標定系數(shù)的線性度判定;用報表生成試驗數(shù)據(jù)、試驗結(jié)果的報告，同時報告文件格式可以選擇用Word、Excel或HTML等形式顯示并存儲下來。

3 風(fēng)量標定系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實現(xiàn)

為解決常規(guī)風(fēng)量標定方法的不足，設(shè)計了風(fēng)量標定系統(tǒng)，不但具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲功能，同時它還具有從測點布置到數(shù)據(jù)分析計算的規(guī)范化、智能化等功能。

3.1 系統(tǒng)同步控制技術(shù)

LabVIEW是一個功能強大的軟件開發(fā)平臺，其同步控制技術(shù)［4－5］包括 Queue 技術(shù)、Notification 技術(shù)、Semaphore技術(shù)、Rendezvous技術(shù)以及Occurences技術(shù)等。Queue的含義是隊列，Queue結(jié)構(gòu)是一種先進先出(FIFO)的結(jié)構(gòu)，利用這一特點，可以將一個有序的信息從一個應(yīng)用程序中傳遞到另一個與之相獨立的并行運行的應(yīng)用程序中。

在該風(fēng)量標定系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲可以看成系統(tǒng)的4個任務(wù)，每個任務(wù)分別由一個獨立的While循環(huán)結(jié)構(gòu)組成，而且每個任務(wù)在對應(yīng)while循環(huán)中執(zhí)行，Queue技術(shù)同步控制程序如圖4所示。從圖4可以看出，使用Queue技術(shù)完成上述任務(wù)所對應(yīng)的獨立程序不會發(fā)生丟失或復(fù)制數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，并且4個任務(wù)仍然能在獨立的流程中運行。由于Queue結(jié)構(gòu)能夠起到緩存的作用，這樣4個任務(wù)運行快慢不同的現(xiàn)象就會被Queue結(jié)構(gòu)約束，從而保證了4任務(wù)之間的協(xié)調(diào)運行。

圖4 Queue技術(shù)同步控制程序圖Fig.4 Queue synchronous control program diagram

3.2 系統(tǒng)程序規(guī)范化設(shè)計

按照電站鍋爐性能試驗規(guī)程GB10184－88及文獻［3］和文獻［6］對風(fēng)量測量標定測點和風(fēng)量計算方法的規(guī)定。設(shè)計了基于LabVIEW環(huán)境下系統(tǒng)測點布置計算程序，如圖5所示。

系統(tǒng)中的測點布置計算模塊，解決了常規(guī)風(fēng)量標定試驗前的繁瑣計算過程，直接給出了測點布置和儀器測量移動位置;數(shù)據(jù)分析計算模塊解決了常規(guī)風(fēng)量標定試驗后的數(shù)據(jù)處理分析過程，給出了風(fēng)量數(shù)據(jù)和標定系數(shù)，節(jié)省了時間和人力。

圖5 測點布置計算程序框圖Fig.5 Block diagram of measurement point layout program

4 風(fēng)量標定試驗及結(jié)果分析

4.1 風(fēng)量標定試驗測點布置

為了進一步驗證該系統(tǒng)的實用性，在某電廠開展了鍋爐二次風(fēng)量標定試驗。被測量風(fēng)道為矩形，尺寸為2.8 m×2.0 m，風(fēng)道上面為長邊開孔7個，開孔位置(一邊為基準)分別為0.2 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m，單孔差收入深度為0.167 m、0.5 m、0.833 m、1.17 m、1.5 m、1.83 m。

4.2 風(fēng)量標定試驗結(jié)果分析

為了比較常規(guī)風(fēng)量裝置標定試驗和該系統(tǒng)風(fēng)量裝置標定試驗的不同，將2種工況試驗做了對比，得到的常規(guī)方法風(fēng)量標定試驗數(shù)據(jù)如表1所示;利用設(shè)計開發(fā)的標定系統(tǒng)，開展的風(fēng)量標定試驗數(shù)據(jù)如表2所示。兩種標定方法所獲得的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，如表3所示。

表1 常規(guī)法標定試驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Calibration test data sheet using conventional method

表2 系統(tǒng)法標定試驗數(shù)據(jù)表Tab.2 System calibration test data sheet using system method

表3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表Tab.3 Test results table

根據(jù)以上表1～表3的數(shù)據(jù)進行綜合分析，得知兩種方法都能夠?qū)︼L(fēng)量進行標定，標定過程中獲得的風(fēng)量值偏差不大;利用常規(guī)標定方法進行的試驗，需要手動測量的數(shù)據(jù)比較多，其中動壓測量偏差大，同時需要后期處理計算;利用標定系統(tǒng)開展的試驗，人為參與少，自動顯示標定風(fēng)量值和標定系數(shù)，能夠節(jié)省人力和時間，提高精確度;根據(jù)標準［6］要求計算，常規(guī)標定方法對應(yīng)試驗結(jié)果的不確定度為4.03%，本文設(shè)計的標定系統(tǒng)試驗結(jié)果不確定度為2.08%。

5 結(jié)論

1)基于LabVIEW設(shè)計的實時在線風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)，解決了風(fēng)量測量裝置常規(guī)標定方法的不足，為電廠和電力科研單位提供了風(fēng)量標定試驗新思路。

2)基于LabVIEW設(shè)計的實時在線風(fēng)量裝置標定系統(tǒng)，由于引入了Queue技術(shù)，因此使所開發(fā)系統(tǒng)具備了實時性。

3)從某電廠實際風(fēng)量裝置標定試驗結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的系統(tǒng)標定試驗結(jié)果不確定度為2.08%，而常規(guī)標定試驗結(jié)果不確定度為4.03%，提高了試驗的精確度，由此可以得出本文開發(fā)的系統(tǒng)具有一定的實用性。

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