CN102818251A - 基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电站锅炉声学监测技术领域，特别涉及一种基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统及测量方法。该系统主要是由安装在锅炉上所布置测点处的声波发生器、声波接收器、声波导管、信号调理器、数据线、输入/输出装置、接线盒、采集卡和电脑主机组成。通过主机程序控制声波发生器发出声音信号，并由声波接收器接收后，通过传输线将信号输入到主机中，经过计算分析处理，以图表和模拟图的形式显示在主机上，清晰直观，方便运行人员实时地了解锅炉设备的膨胀情况。减轻运行人员的工作度，降低了危险性，提高火电机组的运行水平。
Description
技术领域
本发明属于电站锅炉声学监测技术领域，特别涉及一种基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统及测量方法。
背景技术
锅炉是由各种复杂的管系和钢结构组成的整体，受热后将产生膨胀。由于各部位材质不同，受热温度不同，产生的膨胀量也不同。在热态运行时，冷态安装协调的锅炉要膨胀变形，由于炉内受热面的结构和热负荷不同，汽水管、烟风管道、煤粉管道结构及内部工质热力参数不同，炉内外固定结构和连接方式等多种多样，因此各个部位的膨胀值和方向也是多样的。如何协调这些膨胀的相互关系，是保证锅炉部件自由膨胀，不受损伤，以及锅炉热态运行时安全性和严密性的关键。
因此在锅炉的一些重要部位都要求安装能指示该部位膨胀量的指示器。目前国内外锅炉的膨胀指示器都是机械式的，这种膨胀指示器是用焊接在膨胀部件上的一根钢针在一块画有坐标网格的铁板上指示膨胀量，精度低不准确，损坏不易察觉，不利于及时检修。锅炉上膨胀指示器安装位置分散，工作条件恶劣，运行人员观察时须上下奔波，很不方便，且很危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实时远程监测锅炉重要部位膨胀量的基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统。
具体技术方案为：
在电站锅炉的炉膛的3个矩形水平截面以及锅炉承压柱的2个矩形水平截面上设置测点，每个矩形水平截面的每个边上设置两个测点；锅炉承压柱的两个水平截面分别位于锅炉的入口处和出口处，炉膛的3个水平截面中，有两个分别位于锅炉承压柱两个截面的上方，另一个位于锅炉炉膛的顶部；
炉膛截面的监测系统用来测量锅炉的横向膨胀，采用如下安装方式：声波导管和声波接收器安装在测点位置；安装在锅炉炉膛上的声波导管（起固定声波接收器、声波发生器作用）安装声波接收器,声波接收器与信号调理器相连，信号调理器、功率放大器、输入/输出装置分别通过数据线与接线盒连接，输入/输出装置与主机连接，功率放大器与声波发生器连接，声波发生器安装在声波导管上；
锅炉承压柱的监测系统用来测量锅炉的纵向膨胀，采用如下安装方式：声波接收器设置在锅炉承压柱内壁测点位置上，声波导管和声波发生器设置在锅炉炉膛的外壁测点位置上，其余连接方式与炉膛截面的监测系统相同。
本发明还提供了一种基于所述的电站锅炉热膨胀监测装置的监测方法，具体分为测量横向膨胀量和纵向膨胀量：
a.测量锅炉横向膨胀量时，在一个监测周期内，启停所测平面炉膛水平截面上各炉膛侧壁所布的声波发生器。先启动前墙声波发生器，然后半分钟后关闭前墙声波发生器，同样按顺时针依次启停各墙的声波发生器。通过测量同一炉膛侧壁侧的飞渡时间，并通过实时获得的外界空气温度计算出声波传播速度，得到即时的所测炉膛侧壁宽度：Xn=C0·τ，式中，τ飞渡时间，单位为s；C0为介质中声波的传播速度，单位为m/s；对于空气介质，
，式中，t为所测的外界空气温度，单位为℃，R=8.31 J/K·mol,为气体常数，对空气，常数μ=29×10-3kg/mol，常数γ=1.402；
则每侧炉膛侧壁横向的膨胀量为：ΔX=Xn-X＇n，式中，X＇n是冷态时所测炉膛侧壁的宽度；
b.测量锅炉纵向膨胀量时，锅炉承压柱上的测点不会变化，而锅炉炉膛侧壁上的测点会随着锅炉的自由膨胀而移动；
设定冷态时的锅炉横截面为平面ABCD，并在平面ABCD的四个顶点分别安装声波发生器和声波导管,安装声波接收器的测点T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8所在平面为锅炉承压柱上的横截面且与平面ABCD在同一平面上，测点T1、T6与直线AD在同一直线上，测点T2、T5与直线BC在同一直线上，测点T3、T7与直线AB在同一直线上，测点T4、T8与直线CD在同一直线上；设定锅炉热态时由平面ABCD自由膨胀后所形成的平面为A＇B＇C＇D＇；
A及A＇点处声波发生器发出信号由T1、T2处的声波接收器接收，可计算得到AT1、AT2、A＇T1、A＇T2四条线段的长度；测量线段T1T2的长度，通过余弦定理计算出A＇点到直线T1T2的垂直距离d1，同理对B、C、D点进行测量，得到其它点的膨胀长度d2、d3、d4；
然后计算得到
，其中点A＇＇为点A＇在平面ABCD上的投影；
则A点的纵向位移；
同理可以求得B点、C点、D点的纵向位移，即为锅炉纵向膨胀量。
本发明的有益效果为：
该系统可将锅炉部件现场的膨胀位移量直观的反映在控制室内，供运行人员随时查看，形象直观，运行人员也不必再去锅炉现场观察锅炉部件膨胀情况，免除运行人员为观察锅炉的膨胀而上下奔波，减轻运行人员的工作强度，降低了危险性，提高了火电机组的运行水平。
附图说明
图1为锅炉热膨胀监测点布置示意图。
图2为锅炉热膨胀监测点平面1-1、2-2、3-3示意图。
图3为锅炉热膨胀监测点平面4-4、5-5示意图。
图4为锅炉热膨胀纵向位移计算的平视和俯视示意图。
图中标号：
1-锅炉炉膛；2-声波导管；3-声波接收器；4-信号调理器；5-接线盒；6-输入/输出设备；7-主机；8-功率放大器；9-声波发生器；10-锅炉承压柱。
具体实施方式
本发明提供了一种基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统及测量方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1、图2和图3所示，在电站锅炉的炉膛的3个矩形水平截面（1-1、2-2、3-3）以及锅炉承压柱的2个矩形水平截面（4-4、5-5）上设置测点，每个矩形水平截面的每个边上设置两个测点；锅炉承压柱的两个水平截面分别位于锅炉的入口处和出口处，炉膛的3个水平截面中，有两个分别位于锅炉承压柱两个截面的上方，另一个位于锅炉炉膛的顶部。
炉膛截面的监测系统用来测量锅炉的横向膨胀，采用如下安装方式：声波导管2和声波接收器3安装在测点位置；安装在锅炉炉膛1上的声波导管2（起固定声波接收器、声波发生器作用）安装声波接收器3,声波接收器3与信号调理器4相连，信号调理器4、功率放大器8、输入/输出装置6分别通过数据线与接线盒5连接，输入/输出装置6与主机7连接，功率放大器8与声波发生器9连接，声波发生器9安装在声波导管2上；
锅炉承压柱的监测系统用来测量锅炉的纵向膨胀，采用如下安装方式：声波接收器3设置在锅炉承压柱内壁测点位置上，声波导管2和声波发生器9设置在锅炉炉膛1的外壁测点位置上，其余连接方式与炉膛截面的监测系统相同。
本发明的实现依赖于硬件和软件两部分。本发明全部流程由主程序控制，主程序基于软件VC，包括声波产生的信号、声波的接收、声波飞渡时间测量。当主程序开始运行时，安装在锅炉外的声波发生器接收到主程序产生声波信号，经功率放大器声波发生器发出声波经由声波导管传播到炉膛外，声波接收器接收到声波信号经由信号调理器和输入/输出装置传回主机主程序中，主程序计算声波飞渡时间，并通过电子温度计测量锅炉炉膛外的空气温度并将数据传输到主机中，主机程序计算声波的传播速度。
对锅炉炉膛的横向膨胀量和纵向膨胀量按如下方法进行：
a.测量锅炉横向膨胀量时，在一个监测周期内，启停所测平面炉膛水平截面上各炉膛侧壁所布的声波发生器。先启动前墙声波发生器，然后半分钟后关闭前墙声波发生器，同样按顺时针依次启停各墙的声波发生器。通过测量同一炉膛侧壁侧的飞渡时间，并通过实时获得的外界空气温度计算出声波传播速度，得到即时的所测炉膛侧壁宽度：Xn=C0·τ，式中，τ飞渡时间，单位为s；C0为介质中声波的传播速度，单位为m/s；对于空气介质，
，式中，t为所测的外界空气温度，单位为℃，R=8.31 J/K·mol,为气体常数，对空气，常数μ=29×10-3kg/mol，常数γ=1.402；
则每侧炉膛侧壁横向的膨胀量为：ΔX=Xn-X＇n，式中，X＇n是冷态时所测炉膛侧壁的宽度；
b.测量锅炉纵向膨胀量时，锅炉承压柱上的测点不会变化，而锅炉炉膛侧壁上的测点会随着锅炉的自由膨胀而移动；
设定冷态时的锅炉横截面为平面ABCD，并在平面ABCD的四个顶点分别安装声波发生器和声波导管,安装声波接收器的测点T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8所在平面为锅炉承压柱上的横截面且与平面ABCD在同一平面上，测点T1、T6与直线AD在同一直线上，测点T2、T5与直线BC在同一直线上，测点T3、T7与直线AB在同一直线上，测点T4、T8与直线CD在同一直线上；设定锅炉热态时由平面ABCD自由膨胀后所形成的平面为A＇B＇C＇D＇；
A及A＇点处声波发生器发出信号由T1、T2处的声波接收器接收，可计算得到AT1、AT2、A＇T1、A＇T2四条线段的长度；测量线段T1T2的长度，通过余弦定理计算出A＇点到直线T1T2的垂直距离d1，同理对B、C、D点进行测量，得到其它点的膨胀长度d2、d3、d4；
然后计算得到
，其中点A＇＇为点A＇在平面ABCD上的投影；
则A点的纵向位移
；
同理可以求得B点、C点、D点的纵向位移，即为锅炉纵向膨胀量。
Claims (2)
1.基于声学原理的电站锅炉热膨胀监测系统，其特征在于，在电站锅炉的炉膛的3个矩形水平截面以及锅炉承压柱的2个矩形水平截面上设置测点，每个矩形水平截面的每个边上设置两个测点；锅炉承压柱的两个水平截面分别位于锅炉的入口处和出口处，炉膛的3个水平截面中，有两个分别位于锅炉承压柱两个截面的上方，另一个位于锅炉炉膛的顶部；
炉膛截面的监测系统用来测量锅炉的横向膨胀，采用如下安装方式：声波导管（2）和声波接收器（3）安装在测点位置；安装在锅炉炉膛（1）上的声波导管（2）安装声波接收器（3）,声波接收器（3）与信号调理器（4）相连，信号调理器（4）、功率放大器（8）、输入/输出装置（6）分别通过数据线与接线盒（5）连接，输入/输出装置（6）与主机（7）连接，功率放大器（8）与声波发生器（9）连接，声波发生器（9）安装在声波导管（2）上；
锅炉承压柱的监测系统用来测量锅炉的纵向膨胀，采用如下安装方式：声波接收器（3）设置在锅炉承压柱内壁测点位置上，声波导管（2）和声波发生器（9）设置在锅炉炉膛（1）的外壁测点位置上，其余连接方式与炉膛截面的监测系统相同。
2.一种基于权利要求1所述的电站锅炉热膨胀监测装置的监测方法，其特征在于，
a.测量锅炉横向膨胀量时，在一个监测周期内，启停所测平面炉膛水平截面上各炉膛侧壁所布的声波发生器；先启动前墙声波发生器，然后半分钟后关闭前墙声波发生器，同样按顺时针依次启停各墙的声波发生器；通过测量同一炉膛侧壁侧的飞渡时间，并通过实时获得的外界空气温度计算出声波传播速度，得到即时的所测炉膛侧壁宽度：Xn=C0·τ，式中，τ飞渡时间，单位为s；C0为介质中声波的传播速度，单位为m/s；对于空气介质，
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b.测量锅炉纵向膨胀量时，锅炉承压柱上的测点不会变化，而锅炉炉膛侧壁上的测点会随着锅炉的自由膨胀而移动；
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Granted publication date: 20141008 Termination date: 20190815 |
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