用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统和方法
【专利摘要】本发明涉及锅炉运行状态的检测，更具体地涉及一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统和方法。该系统和方法旨在解决与现有技术中采用波导管进行泄漏噪声采集相关的技术问题。为此目的，本发明的检测系统包括：检测装置，其包括至少一个声波传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声；信号处理装置，其接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及显示装置，其接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果；其特征在于，所述声波传感器设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。由于没有使用波导管而是将声波传感器设置在悬吊杆上，本发明避免了因波导管堵灰而导致的系统检测失准、安装结构复杂和锅炉背景噪声干扰等问题。
【专利说明】用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及锅炉运行状态的检测和诊断，更具体地涉及一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]目前，在大型火力发电机组的生产运行中，影响火电机组可用率的主要问题集中反映在锅炉设备上，而锅炉的主要问题是承压管泄漏一特别是“四管”泄漏造成的非计划停运，锅炉四管(即省煤器、水冷壁、过热器和再热器)的泄漏占到各类事故总数的约30%，有的机组甚至高达50% -70%的比例。锅炉“四管”泄漏一直是影响火电厂安全生产、稳定运行的一大忧患。随着电力工业的发展，对锅炉炉管泄漏检测在性能、实时性、准确性方面的要求日益提高。
[0003]目前在国内外广泛应用的锅炉承压管泄露检测的主要方法是声谱分析法。图1示出了基于声谱分析法的检漏报警系统。该系统由波导管3、声波传感器6、变送器(未图示)和显示报警系统(未图示)组成。波导管3的一端与声波传感器6相连，其另一端固定在锅炉炉墙2上，用来提供声音信号通道，使声波传感器6与炉膛内部I连通，保证真实地采集锅炉承压管泄漏所产生的音频信号。波导管3与声波传感器6之间设置有球阀4和绝缘体5。球阀4用于实现波导管3与声波传感器6之间的连通和切断，而绝缘体5用于将声波传感器6与锅炉炉墙2和炉膛内部I传导过来的热量隔绝开。声波传感器6通过波导管3接收炉膛内的音频信号并将音频信号转换成电信号，然后通过引线7将该电信号传输给变送器。变送器将该电信号放大、滤波和进行信号频谱分析，并将分析结果传输给显示报警系统。显示报警系统根据接收到的信号，经函数模型计算、比较后，在显示器上显示出噪音的强弱，以判断是否有泄漏发生及其位置。
[0004]然而，由于波导管固定在锅炉炉墙上，锅炉局部区域的燃烧波动会产生正压，容易造成波导管堵灰情况的发生，从而造成系统检测失准。此外，由于提供音频信号通道的波导管固定在高温的锅炉炉墙上，因此会对波导管以及与波导管相连的部件的耐热性提出更高要求，并且会增加部件安装的难度。再者，由于波导管与炉膛内部相连，其对锅炉承压管的泄漏噪声的采集是通过空气传声进行的，其准确性容易受到锅炉自身的背景噪声的影响。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明提供一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统。该系统包括:检测装置，其包括至少一个声波传感器和振动传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声；信号处理装置，其接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及显示装置，其接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果；其特征在于，所述声波传感器和振动传感器设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。
[0006]本领域技术人员容易理解的是，由于本发明的泄漏检测系统不包括波导管，而是创新性地将声波传感器和振动传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，因此消除了与波导管相关的各种弊端。具体而言，由于没有使用波导管而是将声波传感器和振动传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，因此避免了因波导管堵灰而导致的系统检测失准。此外，由于不需要在锅炉炉墙上固定波导管，因此不需要采用相关安装结构，不仅减少了部件数量，而且还免除了对耐高温材料的需求。再者，由于声波传感器和振动传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，所述声波传感器和振动传感器对承压管泄漏噪声的采集是通过固体传声来进行的，与波导管进通空气传声进行的噪声采集相比，其信号强度和因此获得的检测准确度得到大幅提闻。
[0007]在优选实施方式中，所述检测装置还包括至少一个振动传感器和振动传感器，所述振动传感器和振动传感器也设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上，用于实时感测锅炉承压管的泄漏产生的振动。锅炉承压管泄漏的噪声信号的特点是始终伴随着相应幅度的振动，因此，与现有技术中仅依赖波导管和声波传感器采集音频信号相比，本发明的检测系统还在悬吊杆上设置了振动传感器。所述振动传感器的信号能够对基于所述声波传感器的检测结果进行补充和印证，从而获得更高的检测精度。
[0008]在优选实施方式中，所述至少一个声波传感器包括多个声波传感器，而所述至少一个振动传感器也包括多个振动传感器。多个传感器的优点是，可以将各个传感器设置在不同的悬吊杆上，从而综合处于不同悬吊杆上的传感器的输出数据来获得准确的检测结果O
[0009]在更优选的实施方式中，所述多个声波传感器与所述多个振动传感器对应地设置在所述悬吊杆上。当每个检测点至少设置一个声波传感器和一个振动传感器时，可以同时获得该检测点处的音频信号和振动信号并将两者进行比对，以便判断所述音频信号和振动信号是否为同一漏点发出的。而且，还可以将该检测点处的音频信号和振动信号与其他检测点处的音频信号和振动信号进行成对比较和相互印证，以便提高泄漏检测的准确度。
[0010]在更优选的实施方式中，每根悬吊杆上设置有至少两个声波传感器，并且所述至少两个声波传感器设置在所述悬吊杆的处于不同高度的位置。此时，最好在每个声波传感器的位置对应地设置一个振动传感器。并且，本领域技术人员容易理解的是，当每根悬吊杆上设置有至少两个声波传感器并且所述至少两个声波传感器设置在所述悬吊杆的处于不同高度的位置时，可以基于声达时间差定位技术，捕捉由于泄漏声波到达两个或四个传感器的时间差，从而间接确定泄漏点的具体位置。
[0011]此外，还可以根据在每个检测点处采集到的历史数据(即，音频和振动数据)以及基于这些历史数据分析出的检测结果，对锅炉承压管的泄漏情况进行建模，或者编制出感测数据与检测结果的映射表或函数，从而可以在后续检测中直接根据传感器输出的数据得到检测结果，大幅度地减轻信号处理装置的运行负担。并且，本领域技术人员容易理解的是，所述信号处理装置可以是计算机或具有数据处理能力的任何其他类型的装置，其具体形式不应对本发明的保护范围构成任何限制。
[0012]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测方法。该方法包括下列步骤:提供检测装置，该检测装置包括至少一个声波传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声；提供信号处理装置，该信号处理装置接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及提供显示装置，该显示装置接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果；其特征在于所述方法还包括将所述声波传感器设置到所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。
[0013]在优选实施方式中，所述检测装置还包括至少一个振动传感器，所述振动传感器也设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上，用于实时感测锅炉承压管的泄漏产生的振动。在优选实施方式中，所述至少一个声波传感器包括多个声波传感器，而所述至少一个振动传感器也包括多个振动传感器。
[0014]在更优选的实施方式中，所述多个声波传感器与所述多个振动传感器对应地设置在所述悬吊杆上。在更优选的实施方式中，每根悬吊杆上设置有至少两个声波传感器，并且所述至少两个声波传感器设置在所述悬吊杆的处于不同高度的位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过下面结合附图对优选实施方式的详细描述，本发明的上述以及其他特征和优点将变得清楚。附图中:
[0016]图1是根据现有技术的基于声谱分析法的检漏报警系统的示意图。
[0017]图2是悬吊结构锅炉的示意图。
[0018]图3是根据本发明的用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统的示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面的描述本质上仅仅是示例性的，并非用于限制本发明、其应用或用途。本领域技术人员能够理解的是，在不改变本发明的基本原理的情况下，可以做出本发明的结构和/或其组成部件的多种改型和变型，这些改型和变型都将落入本发明的保护范围之内。
[0020]本发明的检测系统包括:检测装置，其包括至少一个声波传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声；信号处理装置，其接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及显示装置，其接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果；其特征在于，所述声波传感器设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。
[0021]由于本发明的泄漏检测系统不包括波导管，而是创新性地将声波传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，因此消除了与波导管相关的各种弊端。具体而言，由于没有使用波导管而是将声波传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，因此避免了因波导管堵灰而导致的系统检测失准。此外，由于不需要在锅炉炉墙上固定波导管，因此不需要采用相关安装结构，不仅减少了部件数量，而且还免除了对耐高温材料的需求。再者，由于声波传感器设置在悬吊结构锅炉的悬吊杆上，所述声波传感器对承压管泄漏噪声的采集是通过固体传声来进行的，与波导管进通空气传声进行的噪声采集相比，其信号强度和因此获得的检测准确度得到大幅提闻。
[0022]随着工业锅炉容量的增加，炉膛的体积逐渐增大，现在大型工业锅炉通常采用膜式水冷壁，因为水冷壁后面的温度大大降低，大多采用敷管炉墙，炉墙的结构大大简化，重量也大大减轻，为锅炉采用悬吊结构提供了有利条件。因此，大型工业锅炉均采用悬吊结构。具体而言，将汽包、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、炉墙和烟道通过多个悬吊杆悬吊在炉顶的钢架上，可以自由地向四周和下部膨胀。因此，不会出现护板膨胀受阻现象，水冷壁的膨胀补偿也容易解决，使得炉膛和竖井烟道的密封性能明显改善。由于悬吊结构优点较多，现在中小容量的锅炉也大多采用悬吊结构。锅炉采用悬吊结构后，一定数量的悬吊杆与锅炉钢结构顶部相连，锅炉各承压管就像“编磬” 一样悬吊在锅炉钢结构上，具体请参见图2。
[0023]接下来参见图3，该图是根据本发明的用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统的示意图。在该检测系统中，声波传感器4和振动传感器3设置在悬吊杆6上。悬吊杆6在顶部通过吊杆螺母2连接到梁板1，在底部通过吊杆连接件7连接到受热面集箱8。受热面分支管9连接在受热面集箱8的下面，而锅炉受热面10位于受热面分支管9的下方。由附图标记5表示的技术特征是锅炉的炉顶密封件。
[0024]为了清楚起见，图3中没有示出锅炉的主体部分，并且省略了信号处理装置和显示装置以及它们与检测装置(包括声波传感器4和振动传感器3)之间的连接。应当指出的是，声波传感器4和振动传感器3与信号处理装置以及信号处理装置与显示装置之间既可以采用有线连接，也可以采用无线连接。这些连接方式不应对本发明的保护范围构成任何限制。
[0025]结合图3的内容来理解，在实际应用中，本发明的用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统的硬件部分主要包括锅炉受热面上部悬吊结构中的悬吊杆上的多个声波传感器和振动传感器、信号线端子集线箱及数据采集卡组成。声波传感器和/或震动传感器的布置数量和位置根据锅炉的容量大小和结构情况具体确定。声波传感器和/或振动传感器将采集到的声波信号或振动信号转换成电信号后，再进行滤波和放大处理，然后通过标准化的高速现场总线技术将电信号传送至信号线端子集线箱，最后由数据采集卡将该信号转换成数字信号，通过计算机进行进一步的处理。通过测量声波信号和振动信号双鉴探测器实现锅炉承压管泄漏的实时在线监测和定位，实时在线检测锅炉的初始漏点。
[0026]由于锅炉承压管的外壁温度(一般300 — 600°C)比较高，并且各种锅炉受热面的承压管分支管道繁多，无法直接将声波传感器安装在锅炉受热面的承压管上，但是通过测量锅炉各受热面(承压管)的悬吊杆的声发射信号，接收管道运行过程中由于泄漏引起介质瞬间物理扰动而产生的次声波，基于两个传感器或四个传感器的声达时间差定位技术，捕捉由于泄漏声波到达相邻声波传感器的时间差，就能间接地测量和定位锅炉受热面(承压管)内的泄漏和滞流情况，及时发出报警信号。利用声波传感器检测沿管道介质传播的声波信号，在泄漏管道不同位置拾取的泄漏信号的时频域特征，来构造人工神经网络的输入矩阵，将承压管运行条件及泄露信息作为输入，分别建立对于承压管泄漏状况进行分析检测与定位的独立神经网路，实时进行泄漏信号的检测和泄漏点的定位。利用振动传感器测量承压管泄漏使锅炉受热面振动的频率和能量来判定承压管是否泄漏，避免由于炉膛内的燃烧噪声、燃烧器的射流噪声、烟气横掠管束的风吹声以及其它机械噪声组成背景噪声引起的误报。
[0027]锅炉承压管泄漏引起内部介质变化而激发应力波，携带泄漏源信息(如泄漏的程度、位置等)的应力波沿管壁传播，并经连接件传播到受热面的悬吊结构的悬吊杆上。利用声波传感器拾取该应力波信号，并对信号进行滤波、放大和分析处理，获得管道泄漏信息，从而实现声发射泄漏检测的目的。泄漏声发射信号的主要特点有:1)由介质泄漏激励产生，属于连续声发射信号；2)泄漏声发射信号在管道内传播，能反映泄漏孔位置和大小等；
3)锅炉承压管泄漏时，管道中的声发射信号的幅度、能量及频谱与管道内的压力、泄漏孔径大小及监测点到泄漏源的距离等因素有关。当发生泄漏时，随着喷流速度的增加，泄漏噪声频谱中的峰值由低频向高频区域移动，噪声频谱的幅度和能量也逐渐由弱向强移动。随着泄漏喷口的直径增大，泄漏噪声频谱中的峰值则向低频区域移动，但是幅度和能量也逐渐向强变化。
[0028]当锅炉承压管内压力不同时，随着管道内部压力的增加，泄漏激发的声发射信号的幅值及能量都呈增大趋势，振动幅值和能量也都呈增大趋势。泄漏所激发的声发射信号的高频成分逐渐增加。所以水冷壁及过热器、再热器、省煤器受热面的压力不同，泄漏点激发的声发射信号的频谱也不相同。当锅炉承压管内的压力一定时，不同泄漏孔径下的泄漏所激发的声发射信号的频谱有很大不同，并且振动的幅值和频率也不同。随着泄漏孔径的增大，泄漏的声发射信号的幅值和能量都呈递增趋势。当泄漏孔径较小时，泄漏所激发的声发射信号中含有较多的高频成分，振动的幅值和能量都较小。随着泄漏孔径的逐渐增大，泄漏能量将逐渐集中在低频段，振动的幅值和能量都呈增大趋势。当锅炉承压管内压力相同时，泄漏激发的声发射信号随着泄漏点传播距离的增大，泄漏信号的幅值和能量都呈递减趋势，振动的幅值和能量也都呈减小趋势，能量主要集中在20 - 200KHz。目前火电厂锅炉爆管泄漏信号的主要频率范围在2400 - 5000Hz内。锅炉炉膛内的背景噪声的显著特点是声波信号的能量在低频段上，燃烧噪声集中在250 - 600Hz范围内，燃烧器的射流噪声和烟气横掠管束的风吹声均在10Hz以下。正是由于背景噪声与管道泄漏噪声信号二者在频谱、幅值和能量等方面存在差异，因此可以通过锅炉悬吊杆上的传感器来检测承压管泄漏的噪声信号。
[0029]蒸汽吹灰是利用锅炉高压蒸汽的射流冲击力来清理锅炉受热面上的结焦或积灰。根据锅炉受热面的结焦或积灰情况定期进行吹灰工作，蒸汽吹灰的主要噪声为吹扫介质(高压蒸汽)从吹灰器喷头的喷口中喷射出的射流噪声，产生的机理同炉管泄漏的噪声类似，其产生的噪声频率均在1000 - 4000Hz。为屏蔽锅炉吹灰时产生的虚假报警信息，可以接收吹灰启动信号，辅助监测吹灰系统运行工况，并准确区分吹灰与炉管泄漏两种情况，避免吹灰系统吹灰时产生的虚假报警。
[0030]另外，有时锅炉承压管内不够洁净，在锅炉受热面集箱和受热面分支管的连接处(节流孔)造成堵塞，造成锅炉承压管发生滞流。锅炉受热面分支管发生滞流后，引起滞流的分支管发生超温而爆管。锅炉承压管内出现滞流时，由于最初滞流和滞留过程中，滞流激发的声发射信号呈现由低频逐渐向高频(频率均低于2000Hz)成分逐渐增加，幅值和能量都呈增大趋势。当承压管内完全滞流时，滞流激发的声发射信号结束。随着滞流点传播距离的增大，泄漏信号的幅值和能量都呈递减趋势。在锅炉承压管内出现滞流的最初和滞留过程中，声波信号的频率、幅值和能量远低于锅炉承压管泄漏的频率、幅值和能量。另外，滞流噪声频谱中的峰值由低频向高频区域移动，但是噪声频谱的幅值和能量是由低到高、再由高到低的变化过程，而锅炉承压管泄漏的频率、幅值和能量都是由低到高的变化过程。正是由于滞流噪声与管道泄漏噪声信号二者在频谱、幅值和能量等方面，以及变化过程存在差异，因此可以通过锅炉悬吊杆上的传感器来检测承压管泄漏的噪声信号，从而实时监测管道的泄漏情况。锅炉受热面集箱和分支管连接处离悬吊杆较近，通过检测悬吊杆的声发射信号来检测承压管内的滞流现象，能够早期检测锅炉承压管因滞流后引起超温爆管的现象。
[0031]可以对锅炉承压管内的介质泄漏进行集中监视，采用通讯和硬接线的方式，将与泄漏相关的重要信息在操作员站显示和报警。通过对监测到的声音强度、频率、振动幅值和持续时间的分析及判断，发现、定位和显示锅炉承压管内的泄漏点，并根据趋势图监视其发展和变化。
[0032]尽管已经详细描述了实施本发明的最佳模式，但是本领域技术人员能够理解的是，在不偏离所附权利要求限定的范围的情况下，可以对本发明的结构及其组成部件等做出各种改变，以使本发明的教导适应特定的应用场合和环境。
【权利要求】
1.一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测系统，包括: 检测装置，其包括至少一个声波传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声； 信号处理装置，其接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及 显示装置，其接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果； 其特征在于，所述声波传感器设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测装置还包括至少一个振动传感器，所述振动传感器也设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上，用于实时感测锅炉承压管的泄漏产生的振动。
3.如权利要求2所述的系统,其特征在于，所述至少一个声波传感器包括多个声波传感器，而所述至少一个振动传感器也包括多个振动传感器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述多个声波传感器与所述多个振动传感器一一对应地设置在所述悬吊杆上。
5.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，每根悬吊杆上设置有至少两个声波传感器，并且所述至少两个声波传感器设置在所述悬吊杆的处于不同高度的位置。
6.一种用于悬吊结构锅炉的承压管泄漏检测方法，包括下列步骤: 提供检测装置，该检测装置包括至少一个声波传感器，所述声波传感器用于实时感测锅炉承压管的泄漏噪声； 提供信号处理装置，该信号处理装置接收来自所述检测装置的信号并对所述信号进行处理；以及 提供显示装置，该显示装置接收和显示来自所述信号处理装置的处理结果； 其特征在于，将所述声波传感器设置到所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检测装置还包括至少一个振动传感器，所述振动传感器也设置在所述悬吊结构锅炉的悬吊杆上，用于实时感测锅炉承压管的泄漏产生的振动。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述至少一个声波传感器包括多个声波传感器，而所述至少一个振动传感器也包括多个振动传感器。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个声波传感器与所述多个振动传感器一一对应地设置在所述悬吊杆上。
10.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，每根悬吊杆上设置有至少两个声波传感器，并且所述至少两个声波传感器设置在所述悬吊杆的处于不同高度的位置。
【文档编号】F22B37/38GK104235822SQ201410438377
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】任振伟, 任弘 申请人:任振伟