用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統和方法
【專利摘要】本發明涉及鍋爐運行狀態的檢測，更具體地涉及一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統和方法。該系統和方法旨在解決與現有技術中采用波導管進行泄漏噪聲采集相關的技術問題。為此目的，本發明的檢測系統包括：檢測裝置，其包括至少一個聲波傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲；信號處理裝置，其接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及顯示裝置，其接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果；其特征在于，所述聲波傳感器設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。由于沒有使用波導管而是將聲波傳感器設置在懸吊桿上，本發明避免了因波導管堵灰而導致的系統檢測失準、安裝結構復雜和鍋爐背景噪聲干擾等問題。
【專利說明】用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鍋爐運行狀態的檢測和診斷，更具體地涉及一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統和方法。
【背景技術】
[0002]目前，在大型火力發電機組的生產運行中，影響火電機組可用率的主要問題集中反映在鍋爐設備上，而鍋爐的主要問題是承壓管泄漏一特別是“四管”泄漏造成的非計劃停運，鍋爐四管(即省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器)的泄漏占到各類事故總數的約30%，有的機組甚至高達50% -70%的比例。鍋爐“四管”泄漏一直是影響火電廠安全生產、穩定運行的一大憂患。隨著電力工業的發展，對鍋爐爐管泄漏檢測在性能、實時性、準確性方面的要求日益提高。
[0003]目前在國內外廣泛應用的鍋爐承壓管泄露檢測的主要方法是聲譜分析法。圖1示出了基于聲譜分析法的檢漏報警系統。該系統由波導管3、聲波傳感器6、變送器(未圖示)和顯示報警系統(未圖示)組成。波導管3的一端與聲波傳感器6相連，其另一端固定在鍋爐爐墻2上，用來提供聲音信號通道，使聲波傳感器6與爐膛內部I連通，保證真實地采集鍋爐承壓管泄漏所產生的音頻信號。波導管3與聲波傳感器6之間設置有球閥4和絕緣體5。球閥4用于實現波導管3與聲波傳感器6之間的連通和切斷，而絕緣體5用于將聲波傳感器6與鍋爐爐墻2和爐膛內部I傳導過來的熱量隔絕開。聲波傳感器6通過波導管3接收爐膛內的音頻信號并將音頻信號轉換成電信號，然后通過引線7將該電信號傳輸給變送器。變送器將該電信號放大、濾波和進行信號頻譜分析，并將分析結果傳輸給顯示報警系統。顯示報警系統根據接收到的信號，經函數模型計算、比較后，在顯示器上顯示出噪音的強弱，以判斷是否有泄漏發生及其位置。
[0004]然而，由于波導管固定在鍋爐爐墻上，鍋爐局部區域的燃燒波動會產生正壓，容易造成波導管堵灰情況的發生，從而造成系統檢測失準。此外，由于提供音頻信號通道的波導管固定在高溫的鍋爐爐墻上，因此會對波導管以及與波導管相連的部件的耐熱性提出更高要求，并且會增加部件安裝的難度。再者，由于波導管與爐膛內部相連，其對鍋爐承壓管的泄漏噪聲的采集是通過空氣傳聲進行的，其準確性容易受到鍋爐自身的背景噪聲的影響。
【發明內容】
[0005]為解決上述問題，本發明提供一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統。該系統包括:檢測裝置，其包括至少一個聲波傳感器和振動傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲；信號處理裝置，其接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及顯示裝置，其接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果；其特征在于，所述聲波傳感器和振動傳感器設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。
[0006]本領域技術人員容易理解的是，由于本發明的泄漏檢測系統不包括波導管，而是創新性地將聲波傳感器和振動傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，因此消除了與波導管相關的各種弊端。具體而言，由于沒有使用波導管而是將聲波傳感器和振動傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，因此避免了因波導管堵灰而導致的系統檢測失準。此外，由于不需要在鍋爐爐墻上固定波導管，因此不需要采用相關安裝結構，不僅減少了部件數量，而且還免除了對耐高溫材料的需求。再者，由于聲波傳感器和振動傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，所述聲波傳感器和振動傳感器對承壓管泄漏噪聲的采集是通過固體傳聲來進行的，與波導管進通空氣傳聲進行的噪聲采集相比，其信號強度和因此獲得的檢測準確度得到大幅提聞。
[0007]在優選實施方式中，所述檢測裝置還包括至少一個振動傳感器和振動傳感器，所述振動傳感器和振動傳感器也設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏產生的振動。鍋爐承壓管泄漏的噪聲信號的特點是始終伴隨著相應幅度的振動，因此，與現有技術中僅依賴波導管和聲波傳感器采集音頻信號相比，本發明的檢測系統還在懸吊桿上設置了振動傳感器。所述振動傳感器的信號能夠對基于所述聲波傳感器的檢測結果進行補充和印證，從而獲得更高的檢測精度。
[0008]在優選實施方式中，所述至少一個聲波傳感器包括多個聲波傳感器，而所述至少一個振動傳感器也包括多個振動傳感器。多個傳感器的優點是，可以將各個傳感器設置在不同的懸吊桿上，從而綜合處于不同懸吊桿上的傳感器的輸出數據來獲得準確的檢測結果O
[0009]在更優選的實施方式中，所述多個聲波傳感器與所述多個振動傳感器對應地設置在所述懸吊桿上。當每個檢測點至少設置一個聲波傳感器和一個振動傳感器時，可以同時獲得該檢測點處的音頻信號和振動信號并將兩者進行比對，以便判斷所述音頻信號和振動信號是否為同一漏點發出的。而且，還可以將該檢測點處的音頻信號和振動信號與其他檢測點處的音頻信號和振動信號進行成對比較和相互印證，以便提高泄漏檢測的準確度。
[0010]在更優選的實施方式中，每根懸吊桿上設置有至少兩個聲波傳感器，并且所述至少兩個聲波傳感器設置在所述懸吊桿的處于不同高度的位置。此時，最好在每個聲波傳感器的位置對應地設置一個振動傳感器。并且，本領域技術人員容易理解的是，當每根懸吊桿上設置有至少兩個聲波傳感器并且所述至少兩個聲波傳感器設置在所述懸吊桿的處于不同高度的位置時，可以基于聲達時間差定位技術，捕捉由于泄漏聲波到達兩個或四個傳感器的時間差，從而間接確定泄漏點的具體位置。
[0011]此外，還可以根據在每個檢測點處采集到的歷史數據(即，音頻和振動數據)以及基于這些歷史數據分析出的檢測結果，對鍋爐承壓管的泄漏情況進行建模，或者編制出感測數據與檢測結果的映射表或函數，從而可以在后續檢測中直接根據傳感器輸出的數據得到檢測結果，大幅度地減輕信號處理裝置的運行負擔。并且，本領域技術人員容易理解的是，所述信號處理裝置可以是計算機或具有數據處理能力的任何其他類型的裝置，其具體形式不應對本發明的保護范圍構成任何限制。
[0012]根據本發明的另一個方面，還提供了一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測方法。該方法包括下列步驟:提供檢測裝置，該檢測裝置包括至少一個聲波傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲；提供信號處理裝置，該信號處理裝置接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及提供顯示裝置，該顯示裝置接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果；其特征在于所述方法還包括將所述聲波傳感器設置到所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。
[0013]在優選實施方式中，所述檢測裝置還包括至少一個振動傳感器，所述振動傳感器也設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏產生的振動。在優選實施方式中，所述至少一個聲波傳感器包括多個聲波傳感器，而所述至少一個振動傳感器也包括多個振動傳感器。
[0014]在更優選的實施方式中，所述多個聲波傳感器與所述多個振動傳感器對應地設置在所述懸吊桿上。在更優選的實施方式中，每根懸吊桿上設置有至少兩個聲波傳感器，并且所述至少兩個聲波傳感器設置在所述懸吊桿的處于不同高度的位置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]通過下面結合附圖對優選實施方式的詳細描述，本發明的上述以及其他特征和優點將變得清楚。附圖中:
[0016]圖1是根據現有技術的基于聲譜分析法的檢漏報警系統的示意圖。
[0017]圖2是懸吊結構鍋爐的示意圖。
[0018]圖3是根據本發明的用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面的描述本質上僅僅是示例性的，并非用于限制本發明、其應用或用途。本領域技術人員能夠理解的是，在不改變本發明的基本原理的情況下，可以做出本發明的結構和/或其組成部件的多種改型和變型，這些改型和變型都將落入本發明的保護范圍之內。
[0020]本發明的檢測系統包括:檢測裝置，其包括至少一個聲波傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲；信號處理裝置，其接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及顯示裝置，其接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果；其特征在于，所述聲波傳感器設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。
[0021]由于本發明的泄漏檢測系統不包括波導管，而是創新性地將聲波傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，因此消除了與波導管相關的各種弊端。具體而言，由于沒有使用波導管而是將聲波傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，因此避免了因波導管堵灰而導致的系統檢測失準。此外，由于不需要在鍋爐爐墻上固定波導管，因此不需要采用相關安裝結構，不僅減少了部件數量，而且還免除了對耐高溫材料的需求。再者，由于聲波傳感器設置在懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，所述聲波傳感器對承壓管泄漏噪聲的采集是通過固體傳聲來進行的，與波導管進通空氣傳聲進行的噪聲采集相比，其信號強度和因此獲得的檢測準確度得到大幅提聞。
[0022]隨著工業鍋爐容量的增加，爐膛的體積逐漸增大，現在大型工業鍋爐通常采用膜式水冷壁，因為水冷壁后面的溫度大大降低，大多采用敷管爐墻，爐墻的結構大大簡化，重量也大大減輕，為鍋爐采用懸吊結構提供了有利條件。因此，大型工業鍋爐均采用懸吊結構。具體而言，將汽包、過熱器、再熱器、省煤器、空氣預熱器、爐墻和煙道通過多個懸吊桿懸吊在爐頂的鋼架上，可以自由地向四周和下部膨脹。因此，不會出現護板膨脹受阻現象，水冷壁的膨脹補償也容易解決，使得爐膛和豎井煙道的密封性能明顯改善。由于懸吊結構優點較多，現在中小容量的鍋爐也大多采用懸吊結構。鍋爐采用懸吊結構后，一定數量的懸吊桿與鍋爐鋼結構頂部相連，鍋爐各承壓管就像“編磬” 一樣懸吊在鍋爐鋼結構上，具體請參見圖2。
[0023]接下來參見圖3，該圖是根據本發明的用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統的示意圖。在該檢測系統中，聲波傳感器4和振動傳感器3設置在懸吊桿6上。懸吊桿6在頂部通過吊桿螺母2連接到梁板1，在底部通過吊桿連接件7連接到受熱面集箱8。受熱面分支管9連接在受熱面集箱8的下面，而鍋爐受熱面10位于受熱面分支管9的下方。由附圖標記5表示的技術特征是鍋爐的爐頂密封件。
[0024]為了清楚起見，圖3中沒有示出鍋爐的主體部分，并且省略了信號處理裝置和顯示裝置以及它們與檢測裝置(包括聲波傳感器4和振動傳感器3)之間的連接。應當指出的是，聲波傳感器4和振動傳感器3與信號處理裝置以及信號處理裝置與顯示裝置之間既可以采用有線連接，也可以采用無線連接。這些連接方式不應對本發明的保護范圍構成任何限制。
[0025]結合圖3的內容來理解，在實際應用中，本發明的用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統的硬件部分主要包括鍋爐受熱面上部懸吊結構中的懸吊桿上的多個聲波傳感器和振動傳感器、信號線端子集線箱及數據采集卡組成。聲波傳感器和/或震動傳感器的布置數量和位置根據鍋爐的容量大小和結構情況具體確定。聲波傳感器和/或振動傳感器將采集到的聲波信號或振動信號轉換成電信號后，再進行濾波和放大處理，然后通過標準化的高速現場總線技術將電信號傳送至信號線端子集線箱，最后由數據采集卡將該信號轉換成數字信號，通過計算機進行進一步的處理。通過測量聲波信號和振動信號雙鑒探測器實現鍋爐承壓管泄漏的實時在線監測和定位，實時在線檢測鍋爐的初始漏點。
[0026]由于鍋爐承壓管的外壁溫度(一般300 — 600°C)比較高，并且各種鍋爐受熱面的承壓管分支管道繁多，無法直接將聲波傳感器安裝在鍋爐受熱面的承壓管上，但是通過測量鍋爐各受熱面(承壓管)的懸吊桿的聲發射信號，接收管道運行過程中由于泄漏引起介質瞬間物理擾動而產生的次聲波，基于兩個傳感器或四個傳感器的聲達時間差定位技術，捕捉由于泄漏聲波到達相鄰聲波傳感器的時間差，就能間接地測量和定位鍋爐受熱面(承壓管)內的泄漏和滯流情況，及時發出報警信號。利用聲波傳感器檢測沿管道介質傳播的聲波信號，在泄漏管道不同位置拾取的泄漏信號的時頻域特征，來構造人工神經網絡的輸入矩陣，將承壓管運行條件及泄露信息作為輸入，分別建立對于承壓管泄漏狀況進行分析檢測與定位的獨立神經網路，實時進行泄漏信號的檢測和泄漏點的定位。利用振動傳感器測量承壓管泄漏使鍋爐受熱面振動的頻率和能量來判定承壓管是否泄漏，避免由于爐膛內的燃燒噪聲、燃燒器的射流噪聲、煙氣橫掠管束的風吹聲以及其它機械噪聲組成背景噪聲引起的誤報。
[0027]鍋爐承壓管泄漏引起內部介質變化而激發應力波，攜帶泄漏源信息(如泄漏的程度、位置等)的應力波沿管壁傳播，并經連接件傳播到受熱面的懸吊結構的懸吊桿上。利用聲波傳感器拾取該應力波信號，并對信號進行濾波、放大和分析處理，獲得管道泄漏信息，從而實現聲發射泄漏檢測的目的。泄漏聲發射信號的主要特點有:1)由介質泄漏激勵產生，屬于連續聲發射信號；2)泄漏聲發射信號在管道內傳播，能反映泄漏孔位置和大小等；
3)鍋爐承壓管泄漏時，管道中的聲發射信號的幅度、能量及頻譜與管道內的壓力、泄漏孔徑大小及監測點到泄漏源的距離等因素有關。當發生泄漏時，隨著噴流速度的增加，泄漏噪聲頻譜中的峰值由低頻向高頻區域移動，噪聲頻譜的幅度和能量也逐漸由弱向強移動。隨著泄漏噴口的直徑增大，泄漏噪聲頻譜中的峰值則向低頻區域移動，但是幅度和能量也逐漸向強變化。
[0028]當鍋爐承壓管內壓力不同時，隨著管道內部壓力的增加，泄漏激發的聲發射信號的幅值及能量都呈增大趨勢，振動幅值和能量也都呈增大趨勢。泄漏所激發的聲發射信號的高頻成分逐漸增加。所以水冷壁及過熱器、再熱器、省煤器受熱面的壓力不同，泄漏點激發的聲發射信號的頻譜也不相同。當鍋爐承壓管內的壓力一定時，不同泄漏孔徑下的泄漏所激發的聲發射信號的頻譜有很大不同，并且振動的幅值和頻率也不同。隨著泄漏孔徑的增大，泄漏的聲發射信號的幅值和能量都呈遞增趨勢。當泄漏孔徑較小時，泄漏所激發的聲發射信號中含有較多的高頻成分，振動的幅值和能量都較小。隨著泄漏孔徑的逐漸增大，泄漏能量將逐漸集中在低頻段，振動的幅值和能量都呈增大趨勢。當鍋爐承壓管內壓力相同時，泄漏激發的聲發射信號隨著泄漏點傳播距離的增大，泄漏信號的幅值和能量都呈遞減趨勢，振動的幅值和能量也都呈減小趨勢，能量主要集中在20 - 200KHz。目前火電廠鍋爐爆管泄漏信號的主要頻率范圍在2400 - 5000Hz內。鍋爐爐膛內的背景噪聲的顯著特點是聲波信號的能量在低頻段上，燃燒噪聲集中在250 - 600Hz范圍內，燃燒器的射流噪聲和煙氣橫掠管束的風吹聲均在10Hz以下。正是由于背景噪聲與管道泄漏噪聲信號二者在頻譜、幅值和能量等方面存在差異，因此可以通過鍋爐懸吊桿上的傳感器來檢測承壓管泄漏的噪聲信號。
[0029]蒸汽吹灰是利用鍋爐高壓蒸汽的射流沖擊力來清理鍋爐受熱面上的結焦或積灰。根據鍋爐受熱面的結焦或積灰情況定期進行吹灰工作，蒸汽吹灰的主要噪聲為吹掃介質(高壓蒸汽)從吹灰器噴頭的噴口中噴射出的射流噪聲，產生的機理同爐管泄漏的噪聲類似，其產生的噪聲頻率均在1000 - 4000Hz。為屏蔽鍋爐吹灰時產生的虛假報警信息，可以接收吹灰啟動信號，輔助監測吹灰系統運行工況，并準確區分吹灰與爐管泄漏兩種情況，避免吹灰系統吹灰時產生的虛假報警。
[0030]另外，有時鍋爐承壓管內不夠潔凈，在鍋爐受熱面集箱和受熱面分支管的連接處(節流孔)造成堵塞，造成鍋爐承壓管發生滯流。鍋爐受熱面分支管發生滯流后，引起滯流的分支管發生超溫而爆管。鍋爐承壓管內出現滯流時，由于最初滯流和滯留過程中，滯流激發的聲發射信號呈現由低頻逐漸向高頻(頻率均低于2000Hz)成分逐漸增加，幅值和能量都呈增大趨勢。當承壓管內完全滯流時，滯流激發的聲發射信號結束。隨著滯流點傳播距離的增大，泄漏信號的幅值和能量都呈遞減趨勢。在鍋爐承壓管內出現滯流的最初和滯留過程中，聲波信號的頻率、幅值和能量遠低于鍋爐承壓管泄漏的頻率、幅值和能量。另外，滯流噪聲頻譜中的峰值由低頻向高頻區域移動，但是噪聲頻譜的幅值和能量是由低到高、再由高到低的變化過程，而鍋爐承壓管泄漏的頻率、幅值和能量都是由低到高的變化過程。正是由于滯流噪聲與管道泄漏噪聲信號二者在頻譜、幅值和能量等方面，以及變化過程存在差異，因此可以通過鍋爐懸吊桿上的傳感器來檢測承壓管泄漏的噪聲信號，從而實時監測管道的泄漏情況。鍋爐受熱面集箱和分支管連接處離懸吊桿較近，通過檢測懸吊桿的聲發射信號來檢測承壓管內的滯流現象，能夠早期檢測鍋爐承壓管因滯流后引起超溫爆管的現象。
[0031]可以對鍋爐承壓管內的介質泄漏進行集中監視，采用通訊和硬接線的方式，將與泄漏相關的重要信息在操作員站顯示和報警。通過對監測到的聲音強度、頻率、振動幅值和持續時間的分析及判斷，發現、定位和顯示鍋爐承壓管內的泄漏點，并根據趨勢圖監視其發展和變化。
[0032]盡管已經詳細描述了實施本發明的最佳模式，但是本領域技術人員能夠理解的是，在不偏離所附權利要求限定的范圍的情況下，可以對本發明的結構及其組成部件等做出各種改變，以使本發明的教導適應特定的應用場合和環境。
【權利要求】
1.一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測系統，包括: 檢測裝置，其包括至少一個聲波傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲； 信號處理裝置，其接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及 顯示裝置，其接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果； 其特征在于，所述聲波傳感器設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述檢測裝置還包括至少一個振動傳感器，所述振動傳感器也設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏產生的振動。
3.如權利要求2所述的系統,其特征在于，所述至少一個聲波傳感器包括多個聲波傳感器，而所述至少一個振動傳感器也包括多個振動傳感器。
4.如權利要求1至3中任一項所述的系統，其特征在于，所述多個聲波傳感器與所述多個振動傳感器一一對應地設置在所述懸吊桿上。
5.如權利要求1至3中任一項所述的系統，其特征在于，每根懸吊桿上設置有至少兩個聲波傳感器，并且所述至少兩個聲波傳感器設置在所述懸吊桿的處于不同高度的位置。
6.一種用于懸吊結構鍋爐的承壓管泄漏檢測方法，包括下列步驟: 提供檢測裝置，該檢測裝置包括至少一個聲波傳感器，所述聲波傳感器用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏噪聲； 提供信號處理裝置，該信號處理裝置接收來自所述檢測裝置的信號并對所述信號進行處理；以及 提供顯示裝置，該顯示裝置接收和顯示來自所述信號處理裝置的處理結果； 其特征在于，將所述聲波傳感器設置到所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述檢測裝置還包括至少一個振動傳感器，所述振動傳感器也設置在所述懸吊結構鍋爐的懸吊桿上，用于實時感測鍋爐承壓管的泄漏產生的振動。
8.如權利要求7所述的方法,其特征在于,所述至少一個聲波傳感器包括多個聲波傳感器，而所述至少一個振動傳感器也包括多個振動傳感器。
9.如權利要求6至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述多個聲波傳感器與所述多個振動傳感器一一對應地設置在所述懸吊桿上。
10.如權利要求6至8中任一項所述的方法，其特征在于，每根懸吊桿上設置有至少兩個聲波傳感器，并且所述至少兩個聲波傳感器設置在所述懸吊桿的處于不同高度的位置。
【文檔編號】F22B37/38GK104235822SQ201410438377
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】任振偉, 任弘 申請人:任振偉