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摘要：本文基于微能取电技术，对管道免侵入无源温度监测设备及监测系统进行了研究。采用联合温差能量采集和特种电池储能的混合动力技术为整体硬件电路供应电能，实现了对火电厂锅炉二次冷却风管的温度进行监测，满足了低温状态两小时传输一次数据，高于90度一分钟一次高频发送数据的要求。

关键字：微能取电 无源温度监测 管道测温

1.引言

1.1研究背景

火电厂锅炉二次冷却风管属备用设施，备用期温度约80度，投用几秒钟即可达300度以上。如果出现泄漏或其他异常情况，导致煤灰泄漏到二次冷却风管中，极有可能发生爆燃，造成温度急剧增高，处理不当极有可能造成管道爆炸，严重影响火电厂正常生产运行，造成停炉、停机等重大事故。亟需对其温度进行在线监测。

锅炉冷却风管温度实时监测面临如下几个难点：

（1）现场管道测点多，环境复杂，不具备有线网络和有源供电的条件；

（2）由于火电连续运行特征，监测设备需要能够以超长寿命连续运行；

（3）设备安装不能影响生产计划，需要做到免停机安装。

1.2研究目的和意义

本文采用无源无线技术，研究免维护免侵入无线温度监测仪表及监测系统。采用联合温差能量采集和特种电池储能的混合动力技术为整体硬件电路供应电能，通过微能量采集技术，高效地从环境中俘获微瓦级的温差能量并产生电力，不仅使低功耗设备永久在线，还能持续感知、处理和传输监测数据。整个部署过程无需停产，设备后期无需布线及额外维护，以低成本方式实现了火电厂二次冷却风管的温度在线监测。

2.系统设计与架构

2.1总体架构

系统示意图如下图所示，管道测温设备将被监测管道温度采集后，通过无线或有线通讯协议传到服务器或云平台，数据处理后对终端用户进行预警[1]。

2.2温度监测设备

2.2.1热能采集技术

基于热能进行能量采集，即从管道的热梯度 （ 即管道与室温之间的温差 ）中收集能量，当两种不同的金属或半导体连接成一个闭合回路时，把其接点置于两个温度不同的地方，则将发生四种不同的效应，即：塞贝克效应（Seebeck effect）、帕尔帖效应（Peltier effect）、汤姆逊效应（Thomson effect）、焦耳效应（Joule effect）。其中，前三种效应是电和热可以相互转换的可逆效应，而另外一种则是不可逆效应。这四种效应构成了温差发电研究的理论基础[2]。而由这些理论基础构建的热电发生器（TEG），则作为温差能量采集的基础元件[3]。

热电发生器往往被布置于集热机构与散热机构之间，且两端都会涂抹适量均匀的增强导热的界面填充材料。本文的集热机构可简化为铜-铝热连接体，将管壁的热量传导至TEG的热面；散热机构主要是根据管道热环境的定制散热器，主要用于高效地自然对流换热。

针对温差能量收集更关键的是能量收集管理系统，包括超低电压 DC/DC 升压转换部分和多级电容储能部分[4]。包括热能采集、储能监管、剩余能量收集和输出控制，典型电路如图所示。在uW 至mW 功率范围内可输入低至5 mV 的电压实现自主启动和运行，并开始获取TEG微弱的发电电力。通过内置的开关控制将TEG 的发电电力充电到输出系统供电电容，电容电压在设定的区间范围内自动控制电路接通，给负载供给能量。系统供电电容能量相对于负载有剩余时，将发电量蓄积在剩余电力蓄电电容中。当TEG 的发电量不足时，剩余电力蓄电电容或者辅助用一次电池也能够供给能量。利用剩余电力蓄电电容或者辅助用一次电池，提供无间断能量收集传感器终端解决方案。这种超低电压工作水平允许使用低塞贝克系数的TEG，从而减少其结构尺寸和成本。针对电厂二次风冷管道的场景，基于TEG元件，利用管道与环境的温差进行温度与电能的转化，温差越高，获得的能量越多。同时利用微能管理技术，能够在满足数据发送要求的情况下提高设备的使用寿命。

2.2.2设备本体设计

测温设备低温状态（小于90度）采用电池按两小时钟一次的频率发送数据，电池可支撑4年使用。期间如果遇到高温场景如二次风升温（高于90度），则自动切换到TEG取能和数据采集以及高频数据发送，一分钟一次，温度如果再上升到150度以上，可以实现一分钟发送数据2-3次。

2.2.3设备安装设计

无线温度监测节点其安装位置为燃烧器的输入管道的弯管处。通过在外层保温层外壁开一个直径约30mm的孔，然后将测温探头伸入直抵被测管道表面，通过金属抱箍固定的方式进行安装。

2.2.4数据传输设计

数据传输采用低功耗的Lora工业网关，基于Lora协议和MQTT协议，将监测设备采集的温度数据及设备的电量等设备运行状况上传给软件平台，保证数据传输的稳定性和安全性。

2.3软件平台

软件平台主要负责接收测温设备的上传的数据，根据配置的预警规则生成告警并推送短信或电话给相应的负责人，并支持将数据对接到电厂的其他监测系统。系统的功能模块如下：

3.系统部署及运行情况

3.1系统部署

基于网络分级分区域保护的原则，管道温度监测系统部署在互联网区域，通过边界防火墙火电厂内部网络进行互通，使得测温系统的数据可与内网互通，通过系统接口将数据同步到内网的其他系统，同时支持员工内网查看测温数据。

3.1系统运行情况

数据监测情况：

（1）高温场景

（2）低温场景

4.结论与展望

经过6个月的数据监测结果表明，采用免侵入管道温度无线测温设备能够满足火电厂对锅炉冷却风管的温度监测的要求，达到了预期的效果。

（1）管壁温度低于90度时2小时传输一次数据，高于90度1分钟传输一次数据。

（2）该无线温度监测设备可长时间在复杂工业环境下稳定运行。

（3）安装现场可实现快速、无损安装。

为了保证管道常态温度下设备依然可以正常工作，本文中的温度监测设备依然采用特种电池进行供电，实现低频数据采集和发送。后续可以结合火电厂锅炉一次冷却风管常态高温的情况，在二次风管临近的一次冷却风管阀门附近通过温差采集电能，为温度监测设备供电，解决常温下温度过低导致取能不足的情况。此方案可以完全取消特种电池，真正意义上实现监测设备生命周期内终身可用，进一步减少运维成本和提高设备的使用寿命。

参考文献

[1]杨博，金佳奔，张煦，等. 基于低功耗广域传感器网络的变电站关键设备温度在线监测系统研究[J]. 机电信息，2020（18）：24-26.

[2]林鹏. 基于温差发电技术的无线测温系统设计和研究[D]. 浙江：浙江工业大学，2023.

[3]陈伟楠. 用于无线传感器网络节点供电的热电能量采集MPPT技术研究[D]. 华北电力大学，2021.

[4]张星，冶艳艳.温差发电的微能量收集系统研究与设计[J].电子世界.2019，（18）.135-136.