專利名稱：用于高溫高壓容器內轉動部件的表面溫度檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度檢測技術，尤其涉及一種用于高溫高壓(如超臨界水蒸氣介 質)容器內轉動部件的表面溫度檢測系統。具體講是一種可應用于超臨界汽輪機汽缸內轉 子表面溫度的在線檢測系統，該系統能夠在缸內高達22. 2 33MPa壓力及250 750°C溫 度較寬范圍內超臨界參數水蒸氣條件下可靠工作，在線監測缸內轉子溫度，也可用于其它 類似工作要求下的容器內轉動物體表面溫度檢測。
背景技術：
電力工業的持續、快速和健康發展是我國社會經濟發展的基礎和保障；與此同時， 國內在能源和環境等方面的壓力對火電技術增效、減排提出了越來越高的要求。采用超臨 界發電技術是國際、國內提高煤電機組發電效率、降低污染物排放的主要方向之一。超臨界 機組的投產對降低我國火力發電的基礎煤耗水平起到了至關重要的作用，然而由于超臨界 機組的運行參數高、動態特性強，對機組的安全性要求比常規機組也要高很多。一直以來，由于汽輪機組工作參數極高(壓力超過lOMPa，溫度超過400°C )，常規 技術不能滿足人們對汽輪機缸內部件工作情況狀況監測的需求。汽輪機組缸內核心部件汽 輪機轉子由于處于超臨界水蒸氣環境，且隨工況改變發生較大幅度的溫度變化，對該部件 的熱應力、熱疲勞造成很大影響。掌握超臨界發電機組缸內核心部件的重要參數(如溫度 分布)是對其進行安全性監測與評價的前提和基礎。對處于汽缸內高溫高壓蒸汽環境下的部件而言(包括汽輪機轉子)，目前尚未見 有利用視窗方式進行在線檢測技術的文獻報導及實際應用。特別是當需要對采用了冷卻技 術，并且具備高轉速和振動特性的轉子部件而言，對其溫度場進行在線監控，其重要性不言 而喻。國外汽機設備制造商常常在汽輪機組中用溫度探針方式對部件附近的蒸汽溫度 進行測量，近似替代部件表面溫度。如美國西屋電氣公司1988年的國際專利技術，該技術 至今尚未見有重大改進；德國西門子公司于1997年以神經網絡技術結合蒸汽溫度檢測的 思路申請了汽輪機轉子葉片溫度預測等專利，上述專利均未采用視窗結構。目前航空渦輪發動機已有較為成熟的基于視窗結構和紅外輻射測溫原理，發動機 高溫轉動部件壁溫的長期在線測量。但是航空發動機工作壓力參數遠低于超臨界水蒸氣工 作參數，且溫度參數較高非常利于用比色紅外輻射方式進行溫度測量；而對于包括汽輪機 設備在內的較寬中溫工作范圍內，例如從250°C到700°C的溫度范圍，對于雙波段比色測溫 方式而言溫度太低，對于單波段紅外測溫方式而言受發射率影響較大，同時汽輪機轉子表 面長期運行后會產生較明顯的變化，采用紅外測溫方式準確測溫存在較大難度。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種用于高溫高壓(如 超臨界參數水蒸氣介質)容器內轉動部件的表面溫度檢測系統。該系統能夠在容器內壓力
3高達22. 2 35MPa及250 700°C溫度范圍內可靠工作，通過紅外輻射的方式在線監測容 器內轉動部件表面的溫度信息，也可用于其他類似工作要求下的探測儀器技術領域。本發明的目的是這樣實現的本發明包括檢測對象壓力容器缸壁及在其內的旋轉體；設置有紅外視窗及密封接口組件、紅外高溫光纖、紅外測溫模塊、計算機系統和信 號電纜；在壓力容器缸壁上連接有紅外視窗及密封接口組件，紅外視窗及密封接口組件、 紅外高溫光纖、紅外測溫模塊、信號電纜和計算機前后依次連接；紅外視窗及密封接口組件通過紅外輻射光路和旋轉體在空間上相對。工作原理壓力容器缸壁內的旋轉體不斷釋放紅外熱輻射，處于紅外輻射光路60范圍內的 物體所釋放的熱輻射能將通過紅外視窗及密封接口組件，進而在紅外高溫光纖內傳播到達 紅外測溫模塊，紅外測溫模塊將紅外輻射能信號轉換為計算機可以識別的電信號，通過信 號電纜以RS232接口提供給計算機，再通過計算機內的軟件進行顯示和設置。本發明具有下列優點和積極效果①能夠較準確地測量處于較寬中高溫范圍250°C 750°C內物體表面溫度；②能夠測量高溫高壓容器內旋轉物體的表面溫度；③能夠較大程度上消除長時間運行后，被測物體表面性狀變化導致的發射率改變 對紅外測溫的影響。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是紅外視窗及密封接口組件的結構示意圖；圖3是紅外高溫光纖與視窗接口的結構示意圖；圖4是紅外測溫傳感器的結構示意圖；圖5是計算機軟件的工作原理圖；圖6是計算機軟件的工作流程圖。其中
10-視窗及密封接口組件，
11-視窗玻璃，12-保護套筒，13-膨脹石墨密封圈，
14-螺栓，15-金屬密封圈，16-視窗接口組件，
17-光壓蓋組件，18-軟質墊環；
20-紅外高溫光纖，
21-光纖透鏡，22-光纖接口 ；
30-紅外測溫模塊，
31-長波段單色傳感器，32-短波段比色傳感器，33-信號調理板；
40-計算機，
41-跟蹤判斷程序塊；
50-旋轉體；
60-紅外輻射光路；70-信號電纜；80-壓力容器缸壁。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明一、總體如圖1，本發明包括檢測對象壓力容器缸壁80及在其內的旋轉體50 ；設置有紅外視窗及密封接口組件10、紅外高溫光纖20、紅外測溫模塊30、計算機 40和信號電纜70 ；在壓力容器缸壁80上連接有紅外視窗及密封接口組件10，紅外視窗及密封接口 組件10、紅外高溫光纖20、紅外測溫模塊30、信號電纜70和計算機40前后依次連接；紅外視窗及密封接口組件10通過紅外輻射光路60和旋轉體50在空間上相對。二、功能塊1、紅外視窗及密封接口組件10如圖2，紅外視窗及密封接口組件10包括視窗玻璃11、視窗玻璃保護套筒12、膨脹 石墨密封圈13、螺栓14、金屬密封圈15、視窗接口組件16、光纖接口及密封件壓蓋組件17 和軟質墊環18 ；視窗接口組件16的上端面通過螺栓14與光纖接口及密封件壓蓋組件17連接；視 窗接口組件16的下端面通過螺栓14和金屬密封圈15與壓力容器缸壁80連接；在視窗接口組件16的中間向內依次設置有膨脹石墨密封圈13、軟質墊環18、視窗 玻璃保護套筒12和視窗玻璃11。其工作原理是壓力容器缸壁80與視窗接口組件16通過金屬密封圈15相連接，可以保證強度和 密封性能要求；視窗玻璃11中段由膨脹石墨密封圈13密封，上段有光纖接口及密封件壓蓋 組件17壓緊，下段由軟質墊環18與壓力容器缸壁80相隔；視窗玻璃11上段、下段均為圓 柱體，中段為圓臺體；視窗玻璃11下段外有不銹鋼材質的視窗玻璃保護套筒12對其進行保 護作用，增加抗振剛度；視窗玻璃11與光纖接口及密封件壓蓋組件17所形成的空腔由膨脹 石墨密封圈13填充，在高壓下向上移動，圓臺體擠壓膨脹石墨填料產生密封效果；軟質墊 環18的作用在于防止視窗玻璃11向下移動時與容器壁相碰撞導致碎裂；光纖接口及密封 件壓蓋組件17同時也有與高溫紅外光纖相連的接口。其零部件的結構和功能是(1)視窗玻璃11視窗玻璃11是一種石英玻璃棒，上段、下段均為圓柱體，中段為圓臺體。用于傳導熱輻射能量。其選用材料一般包括紅外石英玻璃或藍寶石等，是一種既能透光、透紅外輻射能 也具備一定熱強度的視窗材料。(2)視窗玻璃保護套筒I2視窗玻璃保護套筒12是一種和視窗玻璃11形狀適配的不銹鋼套筒，保護視窗玻
5璃11。(3)膨脹石墨密封圈13膨脹石墨密封圈13是一種和視窗玻璃保護套筒12上部形狀適配的膨脹石墨筒 狀，起密封作用。(4)螺栓 14螺栓14是一種常用標準件，起固定作用。(5)金屬密封圈15金屬密封圈15是一種常用標準件，起密封作用。(6)視窗接口組件16視窗接口組件16是一種金屬圓筒，其上、下端面的圓周邊緣均向外延伸一圈法蘭 環。其功能是視窗部件的腔體和接口。(7)壓蓋組件I7壓蓋組件17是一種中段為法蘭結構、上下各有內外徑不一致的圓筒狀結構的部 件。 其功能是起光纖接口及密封作用。(8)軟質墊環18軟質墊環18是一種常用件，起減震作用。2、紅外高溫光纖20如圖3，紅外高溫光纖20的輸入端設置有接口 22，在接口 22內設置有透鏡組21。在壓蓋組件17的上方具有內圓柱面的結構，其直徑與紅外高溫光纖20下端的接 口 22相配合；接口 22內具有一透鏡組21，通過透鏡組21可以將視窗傳遞過來的輻射能入 射到紅外高溫光纖20的光纖束內，同時也決定了圖1中光路60的形狀和尺寸。3、紅外測溫傳感器30如圖4，紅外測溫傳感器30包括相互并聯的長波段單色傳感器31和短波段比色傳 感器32。1)長波段單色傳感器31是一種近紅外(0. 7 1. 1 y m)紅外探測器；選用砷鎵銦(InGaAs)型紅外探測器或硫化鉛(PbS)探測器。2)短波段比色傳感器32是一種短波紅外(1 3 y m)紅外探測器。選用硅光電二極管型(Si)紅外探測器。紅外測溫傳感器30的工作原理是由紅外高溫光纖20傳輸來的紅外輻射能在紅外測溫傳感器30內一分為二，分別 進入長波段單色傳感器31和短波段比色傳感器32 ；長波段單色傳感器31依據發射率參數 最終輸出溫度示值，短波段比色傳感器32依據發射率比參數最終輸出溫度示值；兩個傳感 器所輸出的溫度值及參數均可通過信號電纜70和RS232與計算機40相連，并通過計算機 40內的軟件進行顯示和設置。4、計算機 40計算機40包括硬件配置及其軟件。1)計算機40的硬件配置是常用的486級以上CPU主板、顯卡、通用RS232接口、顯示器和鍵盤鼠標等輸入設備。2)計算機40的軟件是跟蹤判斷程序塊。如圖5，跟蹤判斷程序塊41包括信號采集、邏輯判斷、設置、輸出等。跟蹤判斷程序塊41可以通過RS232接口采集單色、比色溫度信號。若比色溫度> 500°C，則輸出此溫度作為最終值，同時判斷單色溫度信號；若單色溫度信號顯示與比色溫 度顯示不一致，則修正發射率參數，使其最終與比色溫度顯示一致，并更新此發射率參數； 若單色溫度< 500°C，比色溫度顯示錯誤，則輸出單色溫度作為最終值；發射率比參數由系 統安裝時根據特定試驗結果確定，一般不宜改動。如圖6，跟蹤判斷程序塊41的工作流程包括下列步驟開始0 ；①讀取單色測溫T1及比色測溫T2，單色發射率￡ 1——1 ；②判斷是否T1 < 500°C，T2 < 500°C——2，是則進入步驟④，否則進入步驟③；③判斷T1與T2之差的絕對值是否小于0. 5，即是否abs (T1-T2) < 0. 5——3，是 則經過￡ 1 = ￡ 1-0.01——5后跳轉到步驟①，否則經過e 1 = e 1+0.01——6后跳轉到 步驟①；④輸出T1——4 ；結束7。5、紅外輻射光路60紅外輻射光路60是一種虛擬光路。7、信號電纜70信號電纜70是一種常用件，傳送信號。
權利要求
1.一種用于高溫高壓容器內轉動部件的表面溫度檢測系統，包括檢測對象壓力容器缸 壁(80)及在其內的旋轉體(50)；其特征在于設置有紅外視窗及密封接口組件(10)、紅外高溫光纖(20)、紅外測溫模塊(30)、計算 機(40)和信號電纜70 ；在壓力容器缸壁(80)上連接有紅外視窗及密封接口組件(10)，紅外視窗及密封接口 組件(10)、紅外高溫光纖(20)、紅外測溫模塊(30)、信號電纜(70)和計算機(40)前后依次 連接；紅外視窗及密封接口組件(10)通過紅外輻射光路(60)和旋轉體(50)在空間上相對。
2.按權利要求1所述的檢測系統，其特征在于所述的紅外視窗及密封接口組件(10)包括視窗玻璃(11)、視窗玻璃保護套筒(12)、膨 脹石墨密封圈(13)、螺栓(14)、金屬密封圈(15)、視窗接口組件(16)、光纖接口及密封件壓 蓋組件(17)和軟質墊環(18)；視窗接口組件(16)的上端面通過螺栓(14)與光纖接口及密封件壓蓋組件(17)連接； 視窗接口組件(16)的下端面通過螺栓(14)和金屬密封圈(15)與壓力容器缸壁(80)連 接；在視窗接口組件(16)的中間向內依次設置有膨脹石墨密封圈(13)、軟質墊環(18)、視 窗玻璃保護套筒(12)和視窗玻璃(11)。
3.按權利要求1所述的檢測系統，其特征在于所述的紅外測溫傳感器(30)包括相互并聯的長波段單色傳感器(31)和短波段比色傳 感器(32)；長波段單色傳感器(31)是一種近紅外的紅外探測器； 短波段比色傳感器(32)是一種短波紅外的紅外探測器。
4.按權利要求1所述的檢測系統，其特征在于 計算機(40)包括硬件配置及其軟件；軟件是跟蹤判斷程序塊(41)； 跟蹤判斷程序塊(41)的工作流程包括下列步驟 開始(0)；①讀取單色測溫Tl及比色測溫T2，單色發射率ε1(1)；②判斷是否Tl< 500°C,T2 < 500°C (2)，是則進入步驟④，否則進入步驟③；③判斷Tl與T2之差的絕對值是否小于0.5，(3)，是則經過ε 1 = ε 1-0. 01 (5)后跳 轉到步驟①，否則經過ε 1 = ε 1+0.01(6)后跳轉到步驟①；④輸出Tl(4)； 結束(7)。
全文摘要
本發明公開了一種用于高溫高壓容器內轉動部件的表面溫度檢測系統，涉及一種溫度檢測技術。本發明的結構是在壓力容器缸壁(80)上連接有紅外視窗及密封接口組件(10)，紅外視窗及密封接口組件(10)、紅外高溫光纖(20)、紅外測溫模塊(30)、信號電纜(70)和計算機(40)前后依次連接；紅外視窗及密封接口組件(10)通過紅外輻射光路(60)和旋轉體(50)在空間上相對。本發明能夠較準確地測量處于較寬中高溫范圍250℃～750℃內物體表面溫度；能夠測量高溫高壓容器內旋轉物體的表面溫度；能夠較大程度上消除長時間運行后，被測物體表面性狀變化導致的發射率改變對紅外測溫的影響。
文檔編號G01J5/02GK102004000SQ20101051631
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者呂方明, 吳波, 張進, 楊潤澤, 王坤, 黃樹紅 申請人:華中科技大學