CN108871712A - 一种基于tdlas的省煤器泄漏诊断的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置，采用高精度的双线波长扫描‑直接吸收的TDLAS技术，通过在烟道侧壁不同位置(入口、沿程、出口)分别安装激光发射装置以及对侧用于接收穿过烟道流场透射激光的接收装置，实现沿激光光程的烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，同时配置一路水蒸气参考测量通道实现在线系统自校准和故障监测。通过分析烟道入口、沿程、出口处的温度和水蒸气浓度的实时变化，在线诊断省煤器是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。本发明更直接和准确，填补了目前国内外对于烟道省煤器泄漏程度难以在线定量评估的技术空白；成本低廉、对环境依赖程度小，易于在锅炉烟道中实现，其系统可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及火力发电、化工、钢铁、水泥等换热器运行过程诊断技术领域，具体为一种基 于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置。
背景技术
随着燃煤电厂超低排放改造、烟气消白的大力推行，2014年以来，低温省煤器及低低温 省煤器(MGGH)在燃煤电厂得以广泛应用。MGGH的烟气冷却器一般布置在空预器和电除尘之 间烟道，换热管采用螺旋翅片管或H型翅片管。目前，低温省煤器及MGGH的低温腐蚀、积灰、 磨损等问题开始涌现。
上述问题均会导致省煤器出现泄露故障，若泄漏不能及时发现，会导致设备事故扩大并大 幅增加维修成本，造成严重的经济损失，典型的省煤器泄露导致的故障有：
(1)省煤器长期泄漏，换热管排间飞灰遇水形成坚硬的水泥化合物垢块，即使停炉后也 无法有效清理，导致换热模块局部换热失效；
(2)长期泄漏会使省煤器处于水汽饱和状态，在酸性、潮湿、高温的环境下，管排腐蚀 速率加剧、管壁减薄，形成泄漏-腐蚀-减薄-泄漏加剧的恶性循环，换热模块寿命急剧缩短；
(3)长期泄漏极大概率导致烟道后部电除尘灰斗进水，造成极板、极线腐蚀，直接影响 后部低温电除尘的收尘效率和可靠性。
实际电场锅炉运行中，当省煤器换热管泄漏程度达到能够被人们感知的程度时，泄漏所造 成的影响已相当严重，因此如何在早期发现省煤器换热器受热面轻微泄漏，并及时采取控制措 施控制泄漏，对妥善安排检修策略及缩短检修时间，保护设备具有重要意义。目前对于省煤器 泄露的监测，主要有两种途径。一是利用声波传感器采集省煤器内声音信号，经计算机对信号 进行快速傅里叶变换(FFT)得到该信号的频率特征，通过对声音强度、频谱特征及持续时间 等因素的综合分析，判定省煤器是否发生泄漏，但由于低温省煤器内介质压力较低，特别是MGGH仅为0.3MPa左右，这导致早期泄漏时发出的声波声响较低，被烟道内背景噪声掩盖无法 分辨、识别。二是利用接触式烟气湿度监测仪在线测量烟气中的水分进而诊断是否发生泄露， 但该方法在实际应用中存在诸多问题：例如其为点测量，测量不具有代表性，对于早期泄漏引 起的烟气湿度微量变化不能有效诊断，且这种接触式测量手段受到烟气的SO2、H2O及高温、 高灰的干扰，传感器极易磨损、堵塞和中毒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置，以解决上述背景 技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法， 包括以下流程：
a、烟气进入烟道入口，经省煤器回收余热后从烟道出口排出；
b、激光器输出激光；
c、输出激光经光纤耦合器集成分束，一束激光经水蒸气测量参考通道实现对激光波长的 自动校准，其他分束激光经安装于烟道侧壁不同位置(入口、沿程、出口)的激光发射装置准 直后，穿过烟道的透射激光被安装于烟道对侧的激光接收装置收集探测，同时将激光光强信号 转化为电信号；
d、经同轴电缆传递到TDLAS数据处理模块实时分析，实现烟道不同位置处沿激光光程的 烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，通过分析烟道入口、沿程、出口处的烟气温度和 水蒸气浓度的实时变化，在线诊断省煤器是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。
一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，包括烟道、省煤器、TDLAS数据处理模块，所 述烟道的上端与下端分别安装有多组激光发射装置和激光接收装置，所述TDLAS数据处理模块 的输入端与激光接收装置安装在烟道的外部，所述TDLAS数据处理模块的输入端与激光接收装 置的输入端电性连接。
进一步的，所述烟道为目前燃煤火力发电厂烟道，所述烟道横截面为矩形。
进一步的，所述省煤器为沸腾式或非沸腾式中任意一种；所述省煤器的片管为螺旋翅片管 或H型翅片管，且所述省煤器采用铸铁或钢管制成。
进一步的，所述省煤器的外部安装有TDLAS控制及自校准模块，所述TDLAS控制及自校准 模块包括信号调制模块、电流和温度控制模块、激光器和水蒸气参考测量通道，所述信号调制 模块的输出端与电流、电流和温度控制模块的输入端电性连接，所述电流和温度控制模块的输 出端与激光器的输入端电性连接，所述激光器通过光纤耦合器与激光发射器连接。
进一步的，所述激光器设置有两个，两个所述的激光器的输出波长不同。
进一步的，所述光纤耦合器为2路输入、6-8路输出的光纤耦合器。
进一步的，所述激光发射装置安装于烟道侧壁不同位置(入口、沿程、出口)，其为激光 准直器、石英窗口、内外设计O型密封圈及吹扫气路的组合。
进一步的，所述激光接收装置安装于激光发射装置的烟道对侧，且与之一一对应，其为石 英窗口、聚焦透镜、滤波片、光电探测器和吹扫气路的组合。
进一步的，所述TDLAS数据处理模块由信号放大模块和数据处理模块组成，所述信号放大 模块的输出端与数据处理模块的输入端电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置双线波长扫描-直接吸收的TDLAS测量技术可同时实现烟气温度和水蒸 气浓度的同步测量，通过分析烟气在烟道入口、沿程、出口处的温度和水蒸气浓度的实时变化， 诊断省煤器是否发生泄漏故障并定量评估泄露程度。该方法比现有的基于声波传感器方法具有 更高的灵敏度，比基于接触式烟气湿度监测仪方法更灵敏、判据更直接准确(同时衡量烟气温 度和水蒸气浓度)、不易损坏，且填补了目前国内外对于烟道省煤器泄漏程度难以在线定量评 估的技术空白；
2、本发明通过设置采用2路输入、6～8路输出的光纤耦合器，采用分布式光纤技术，两 台激光器就可实现多光路测量，大幅降低系统成本，同时采用在线自校准技术，内置一路水蒸 气参考测量通道，实现系统自校准和故障检测，并且激光发射端和激光接收端均接有吹扫气路， 经过滤的洁净压缩空气实时吹扫探测窗口外壁，降低烟尘对测量窗口的污染。
附图说明
图1为本发明一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置整体结构示意图；
图2为本发明一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置的TDLAS原理示意图；
图3位本发明一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法和装置典型的双线波长扫描-直接 吸收的TDLAS系统的双线积分吸收率及吸收比随温度变化图。
图1-3中：1-烟道；2-激光器；3-光纤耦合器；4-激光发射装置；5-激光接收装置；6-TDLAS 数据处理模块；7-省煤器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实 施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法，包 括以下流程：
a、烟气进入烟道1入口，经省煤器7回收余热后从烟道1出口排出；
b、激光器2输出激光；
c、输出激光经光纤耦合器3集成分束，一束激光经水蒸气测量参考通道实现对激光波长 的自动校准，其他分束激光经安装于烟道1侧壁不同位置(入口、沿程、出口)的激光发射装 置4准直后，穿过烟道1的透射激光被安装于烟道1对侧的激光接收装置5收集探测，同时将 激光光强信号转化为电信号；
d、经同轴电缆传递到TDLAS数据处理模块6实时分析，实现烟道1不同位置处沿激光光 程的烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，通过分析烟道1入口、沿程、出口处的烟气 温度和水蒸气浓度的实时变化，在线诊断省煤器7是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。
一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，包括烟道1、省煤器7、TDLAS数据处理模块6， 所述烟道1的上端与下端分别安装有多组激光发射装置4和激光接收装置5，所述TDLAS数据 处理模块6的输入端与激光接收装置5安装在烟道1的外部，所述TDLAS数据处理模块6的输 入端与激光接收装置5的输入端电性连接。
所述烟道1为目前燃煤火力发电厂烟道1，所述烟道1横截面为矩形。
所述省煤器7为沸腾式或非沸腾式中任意一种；所述省煤器7的片管为螺旋翅片管或H 型翅片管，且所述省煤器7采用铸铁或钢管制成。
所述省煤器7的外部安装有TDLAS控制及自校准模块8，所述TDLAS控制及自校准模块8 包括信号调制模块、电流和温度控制模块、激光器2和水蒸气参考测量通道，所述信号调制模 块的输出端与电流、电流和温度控制模块的输入端电性连接，所述电流和温度控制模块的输出 端与激光器2的输入端电性连接，所述激光器2通过光纤耦合器3与激光发射器连接。
所述激光器2设置有两个，两个所述的激光器2的输出波长不同。
所述光纤耦合器3为2路输入、6-8路输出的光纤耦合器3。
所述激光发射装置4安装于烟道1侧壁不同位置(入口、沿程、出口)，其为激光准直器、 石英窗口、内外设计O型密封圈及吹扫气路的组合，激光光束经激光准直器优化准直，石英窗 口可防止烟气外泄保护内部结构安全；吹扫气路隔绝烟气中粉尘对石英窗口的污染。
所述激光接收装置5安装于激光发射装置4的烟道1对侧，且与之一一对应，其为石英窗 口、聚焦透镜、滤波片、光电探测器和吹扫气路的组合，聚焦透镜将光束收集并聚焦至光电探 测器；滤波片过滤烟道1内壁等辐射干扰；光电探测器带有吸收信息的激光信号转化为电信号； 吹扫气路隔绝烟气中粉尘对石英窗口的污染。
所述TDLAS数据处理模块6由信号放大模块和数据处理模块组成，所述信号放大模块的输 出端与数据处理模块的输入端电性连接，数据处理模块按照预设程序实时处理原始信号得到烟 气平均温度和水蒸气平均浓度，通过分析烟道1入口、沿程、出口处的烟气温度和水蒸气浓度 的实时变化定量诊断省煤器7是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。
工作原理：根据烟道1横截面尺寸、省煤器7运行工况及烟气参数(烟气温度、水蒸气浓 度)，开展吸收光谱理论计算，选择最佳的吸收线波长1、波长2，奠定高精度的双线波长扫描 -直接吸收的TDLAS系统设计的理论基础，理论推导过程如下：如图2所示，当一束频率为v 的激光通过流场，其出射光强It和入射光强I0满足比尔-兰伯特(Beer-Lambert)关系式：
(It/I0)v＝exp(-kv·L)\*MERGEFORMAT (1)
式中：kv为吸收系数，L为吸收长度。其中吸收系数kv是静压P，吸收组分摩尔浓度XH2O (这里以H2O作为研究组分)，吸收谱线线强度S(T)，线型函数φ(v)的函数：
式中：线型函数满足归一化条件，即∫φ(v)dv≡1。
式(2)中的压力、组分浓度是气流参数，而吸收线强度为吸收线的固有属性，它是温度 的函数，任意温度下的线强度可以由已知温度下的线强度计算得到：
式中：E″为吸收跃迁的低能级能量，h为普朗克常数，c为光速，k是波尔兹曼常数，Q(T) 是配分函数，它反映了在所处温度T(K)下，在对应吸收低能级上的粒子数占总粒子数的比 值。
由式(2)和式(3)可知，吸收系数是压力和温度的函数，如果使用波长扫描-直接吸收 的双线TDLAS测量技术，通过同时测量得到两条吸收波长的积分吸收率，列出两个方程即可得 到吸收组分分压和温度T这两个未知数。两条吸收线的积分吸收比R仅仅是温度的函数：
图3为典型的波长扫描-直接吸收双线TDLAS系统积分吸收率及吸收比随温度变化示意图。 左图为数据处理后获得的两条吸收线的真实吸收线型，对其积分后即为积分吸收率，右图为结 合HITRAN数据库参数计算得到的两线强度比的归一化数据。由于R是T的单值函数，根据测 定两条吸收线的吸收率，换算得到两线的积分吸收比之后，通过与图中的计算值比较即可得到 待测气体温度。
由积分吸收比R定出气体温度之后，可将温度代入式(5)，即可得到气体的组分分压，即 实现温度和组分浓度的同时测量。
TDLAS控制及自校准模块8调制激光器2，使其周期性扫描输出对应波长1和波长2的激 光，且波长扫描范围完全覆盖波长1和波长2的吸收线型。输出激光经光纤耦合器3集成分束， 且分束输出激光均为为波长1和波长2激光的耦合，一束激光经水蒸气测量参考通道实现对激 光波长的自动校准，其他分束激光经安装于烟道侧壁不同位置(入口、沿程、出口)的激光发 射装置4准直后，穿过烟道的透射激光并被安装于烟道对侧的激光接收装置5收集探测，激光 光强衰减信号经同轴电缆传递到TDLAS数据处理模块6实时分析，最终实现烟道不同位置处沿 激光光程的烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，通过分析烟道入口、沿程、出口处的 烟气温度和水蒸气浓度的实时变化，在线诊断省煤器是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操 作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实 际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包 含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没 有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不 脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发 明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的方法，其特征在于：包括以下流程：
a、烟气进入烟道(1)入口，经省煤器(7)回收余热后从烟道(1)出口排出；
b、激光器(2)输出激光；
c、输出激光经光纤耦合器(3)集成分束，一束激光经水蒸气测量参考通道实现对激光波长的自动校准，其他分束激光经安装于烟道(1)侧壁不同位置(入口、沿程、出口)的激光发射装置(4)准直后，穿过烟道(1)的透射激光被安装于烟道(1)对侧的激光接收装置(5)收集探测，同时将激光光强信号转化为电信号；
d、经同轴电缆传递到TDLAS数据处理模块(6)实时分析，实现烟道(1)不同位置处沿激光光程的烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，通过分析烟道(1)入口、沿程、出口处的烟气温度和水蒸气浓度的实时变化，在线诊断省煤器(7)是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。
2.一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：包括烟道(1)、省煤器(7)、TDLAS数据处理模块(6)，所述烟道(1)的上端与下端分别安装有多组激光发射装置(4)和激光接收装置(5)，所述TDLAS数据处理模块(6)的输入端与激光接收装置(5)安装在烟道(1)的外部，所述TDLAS数据处理模块(6)的输入端与激光接收装置(5)的输入端电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述烟道(1)为目前燃煤火力发电厂烟道(1)，所述烟道(1)横截面为矩形。
4.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述省煤器(7)为沸腾式或非沸腾式中任意一种；所述省煤器(7)的片管为螺旋翅片管或H型翅片管，且所述省煤器(7)采用铸铁或钢管制成。
5.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述省煤器(7)的外部安装有TDLAS控制及自校准模块(8)，所述TDLAS控制及自校准模块(8)包括信号调制模块、电流和温度控制模块、激光器(2)和水蒸气参考测量通道，所述信号调制模块的输出端与电流、电流和温度控制模块的输入端电性连接，所述电流和温度控制模块的输出端与激光器(2)的输入端电性连接，所述激光器(2)通过光纤耦合器(3)与激光发射器连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述激光器(2)设置有两个，两个所述的激光器(2)的输出波长不同。
7.根据权利要求5所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述光纤耦合器(3)为2路输入、6-8路输出的光纤耦合器(3)。
8.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述激光发射装置(4)安装于烟道(1)侧壁不同位置(入口、沿程、出口)，其为激光准直器、石英窗口、内外设计O型密封圈及吹扫气路的组合。
9.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述激光接收装置(5)安装于激光发射装置(4)的烟道(1)对侧，且与之一一对应，其为石英窗口、聚焦透镜、滤波片、光电探测器和吹扫气路的组合。
10.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS的省煤器泄漏诊断的装置，其特征在于：所述TDLAS数据处理模块(6)由信号放大模块和数据处理模块组成，所述信号放大模块的输出端与数据处理模块的输入端电性连接。
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