CN201811795U - 一种用于高温高压容器内转动部件的表面温度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高温高压容器内转动部件的表面温度检测装置，涉及一种温度检测技术。本实用新型的结构是：在压力容器缸壁(80)上连接有红外视窗及密封接口组件(10)，红外视窗及密封接口组件(10)、红外高温光纤(20)、红外测温模块(30)、信号电缆(70)和计算机(40)前后依次连接；红外视窗及密封接口组件(10)通过红外辐射光路(60)和旋转体(50)在空间上相对。本实用新型能够较准确地测量处于较宽中高温范围250℃～750℃内物体表面温度；能够测量高温高压容器内旋转物体的表面温度；能够较大程度上消除长时间运行后，被测物体表面性状变化导致的发射率改变对红外测温的影响。

Description

一种用于高温高压容器内转动部件的表面温度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种温度检测技术，尤其涉及一种用于高温高压(如超临界水蒸气介质)容器内转动部件的表面温度检测装置。具体讲是一种可应用于超临界汽轮机汽缸内转子表面温度的在线检测装置，该系统能够在缸内高达22.2～33MPa压力及250～750℃温度较宽范围内超临界参数水蒸气条件下可靠工作，在线监测缸内转子温度，也可用于其它类似工作要求下的容器内转动物体表面温度检测。

背景技术

电力工业的持续、快速和健康发展是我国社会经济发展的基础和保障；与此同时，国内在能源和环境等方面的压力对火电技术增效、减排提出了越来越高的要求。采用超临界发电技术是国际、国内提高煤电机组发电效率、降低污染物排放的主要方向之一。超临界机组的投产对降低我国火力发电的基础煤耗水平起到了至关重要的作用，然而由于超临界机组的运行参数高、动态特性强，对机组的安全性要求比常规机组也要高很多。

一直以来，由于汽轮机组工作参数极高(压力超过10MPa，温度超过400℃)，常规技术不能满足人们对汽轮机缸内部件工作情况状况监测的需求。汽轮机组缸内核心部件汽轮机转子由于处于超临界水蒸气环境，且随工况改变发生较大幅度的温度变化，对该部件的热应力、热疲劳造成很大影响。掌握超临界发电机组缸内核心部件的重要参数(如温度分布)是对其进行安全性监测与评价的前提和基础。

对处于汽缸内高温高压蒸汽环境下的部件而言(包括汽轮机转子)，目前尚未见有利用视窗方式进行在线检测技术的文献报导及实际应用。特别是当需要对采用了冷却技术，并且具备高转速和振动特性的转子部件而言，对其温度场进行在线监控，其重要性不言而喻。

国外汽机设备制造商常常在汽轮机组中用温度探针方式对部件附近的蒸汽温度进行测量，近似替代部件表面温度。如美国西屋电气公司1988年的国际专利技术，该技术至今尚未见有重大改进；德国西门子公司于1997年以神经网络技术结合蒸汽温度检测的思路申请了汽轮机转子叶片温度预测等专利，上述专利均未采用视窗结构。

目前航空涡轮发动机已有较为成熟的基于视窗结构和红外辐射测温原理，发动机高温转动部件壁温的长期在线测量。但是航空发动机工作压力参数远低于超临界水蒸气工作参数，且温度参数较高非常利于用比色红外辐射方式进行温度测量；而对于包括汽轮机设备在内的较宽中温工作范围内，例如从250℃到700℃的温度范围，对于双波段比色测温方式而言温度太低，对于单波段红外测温方式而言受发射率影响较大，同时汽轮机转子表面长期运行后会产生较明显的变化，采用红外测温方式准确测温存在较大难度。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种用于高温高压(如超临界参数水蒸气介质)容器内转动部件的表面温度检测装置。该系统能够在容器内压力高达22.2～35MPa及250～700℃温度范围内可靠工作，通过红外辐射的方式在线监测容器内转动部件表面的温度信息，也可用于其他类似工作要求下的探测仪器技术领域。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型包括检测对象压力容器缸壁及在其内的旋转体；

设置有红外视窗及密封接口组件、红外高温光纤、红外测温模块、计算机系统和信号电缆；

在压力容器缸壁上连接有红外视窗及密封接口组件，红外视窗及密封接口组件、红外高温光纤、红外测温模块、信号电缆和计算机前后依次连接；

红外视窗及密封接口组件通过红外辐射光路和旋转体在空间上相对。

工作原理：

压力容器缸壁内的旋转体不断释放红外热辐射，处于红外辐射光路60范围内的物体所释放的热辐射能将通过红外视窗及密封接口组件，进而在红外高温光纤内传播到达红外测温模块，红外测温模块将红外辐射能信号转换为计算机可以识别的电信号，通过信号电缆以RS232接口提供给计算机，再通过计算机内的软件进行显示和设置。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①能够较准确地测量处于较宽中高温范围250℃～750℃内物体表面温度；

②能够测量高温高压容器内旋转物体的表面温度；

③能够较大程度上消除长时间运行后，被测物体表面性状变化导致的发射率改变对红外测温的影响。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是红外视窗及密封接口组件的结构示意图；

图3是红外高温光纤与视窗接口的结构示意图；

图4是红外测温传感器的结构示意图；

图5是计算机软件的工作原理图；

图6是计算机软件的工作流程图。

其中：

10-视窗及密封接口组件，

11-视窗玻璃，      12-保护套筒，   13-膨胀石墨密封圈，

14-螺栓，          15-金属密封圈， 16-视窗接口组件，

17-光压盖组件，    18-软质垫环；

20-红外高温光纤，

21-光纤透镜，      22-光纤接口；

30-红外测温模块，

31-长波段单色传感器，32-短波段比色传感器，33-信号调理板；

40-计算机，

41-跟踪判断程序块；

50-旋转体；

60-红外辐射光路；

70-信号电缆；

80-压力容器缸壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1，本实用新型包括检测对象压力容器缸壁80及在其内的旋转体50；

设置有红外视窗及密封接口组件10、红外高温光纤20、红外测温模块30、计算机40和信号电缆70；

在压力容器缸壁80上连接有红外视窗及密封接口组件10，红外视窗及密封接口组件10、红外高温光纤20、红外测温模块30、信号电缆70和计算机40前后依次连接；

红外视窗及密封接口组件10通过红外辐射光路60和旋转体50在空间上相对。

二、功能块

1、红外视窗及密封接口组件10

如图2，红外视窗及密封接口组件10包括视窗玻璃11、视窗玻璃保护套筒12、膨胀石墨密封圈13、螺栓14、金属密封圈15、视窗接口组件16、光纤接口及密封件压盖组件17和软质垫环18；

视窗接口组件16的上端面通过螺栓14与光纤接口及密封件压盖组件17连接；视窗接口组件16的下端面通过螺栓14和金属密封圈15与压力容器缸壁80连接；

在视窗接口组件16的中间向内依次设置有膨胀石墨密封圈13、软质垫环18、视窗玻璃保护套筒12和视窗玻璃11。

其工作原理是：

压力容器缸壁80与视窗接口组件16通过金属密封圈15相连接，可以保证强度和密封性能要求；视窗玻璃11中段由膨胀石墨密封圈13密封，上段有光纤接口及密封件压盖组件17压紧，下段由软质垫环18与压力容器缸壁80相隔；视窗玻璃11上段、下段均为圆柱体，中段为圆台体；视窗玻璃11下段外有不锈钢材质的视窗玻璃保护套筒12对其进行保护作用，增加抗振刚度；视窗玻璃11与光纤接口及密封件压盖组件17所形成的空腔由膨胀石墨密封圈13填充，在高压下向上移动，圆台体挤压膨胀石墨填料产生密封效果；软质垫环18的作用在于防止视窗玻璃11向下移动时与容器壁相碰撞导致碎裂；光纤接口及密封件压盖组件17同时也有与高温红外光纤相连的接口。

其零部件的结构和功能是：

(1)视窗玻璃11

视窗玻璃11是一种石英玻璃棒，上段、下段均为圆柱体，中段为圆台体。

用于传导热辐射能量。

其选用材料一股包括红外石英玻璃或蓝宝石等，是一种既能透光、透红外辐射能也具备一定热强度的视窗材料。

(2)视窗玻璃保护套筒12

视窗玻璃保护套筒12是一种和视窗玻璃11形状适配的不锈钢套筒，保护视窗玻璃11。

(3)膨胀石墨密封圈13

膨胀石墨密封圈13是一种和视窗玻璃保护套筒12上部形状适配的膨胀石墨筒状，起密封作用。

(4)螺栓14

螺栓14是一种常用标准件，起固定作用。

(5)金属密封圈15

金属密封圈15是一种常用标准件，起密封作用。

(6)视窗接口组件16

视窗接口组件16是一种金属圆筒，其上、下端面的圆周边缘均向外延伸一圈法兰环。

其功能是视窗部件的腔体和接口。

(7)压盖组件17

压盖组件17是一种中段为法兰结构、上下各有内外径不一致的圆筒状结构的部件。

其功能是起光纤接口及密封作用。

(8)软质垫环18

软质垫环18是一种常用件，起减震作用。

2、红外高温光纤20

如图3，红外高温光纤20的输入端设置有接口22，在接口22内设置有透镜组21。

在压盖组件17的上方具有内圆柱面的结构，其直径与红外高温光纤20下端的接口22相配合；接口22内具有一透镜组21，通过透镜组21可以将视窗传递过来的辐射能入射到红外高温光纤20的光纤束内，同时也决定了图1中光路60的形状和尺寸。

3、红外测温传感器30

如图4，红外测温传感器30包括相互并联的长波段单色传感器31和短波段比色传感器32。

1)长波段单色传感器31是一种近红外(0.7～1.1μm)红外探测器；

选用砷镓铟(InGaAs)型红外探测器或硫化铅(PbS)探测器。

2)短波段比色传感器32是一种短波红外(1～3μm)红外探测器。

选用硅光电二极管型(Si)红外探测器。

红外测温传感器30的工作原理是：

由红外高温光纤20传输来的红外辐射能在红外测温传感器30内一分为二，分别进入长波段单色传感器31和短波段比色传感器32；长波段单色传感器31依据发射率参数最终输出温度示值，短波段比色传感器32依据发射率比参数最终输出温度示值；两个传感器所输出的温度值及参数均可通过信号电缆70和RS232与计算机40相连，并通过计算机40内的软件进行显示和设置。

4、计算机40

计算机40包括硬件配置及其软件。

1)计算机40的硬件配置是常用的486级以上CPU主板、显卡、通用RS232接口、显示器和键盘鼠标等输入设备。

2)计算机40的软件是跟踪判断程序块。

如图5，跟踪判断程序块41包括信号采集、逻辑判断、设置、输出等。

跟踪判断程序块41可以通过RS232接口采集单色、比色温度信号。若比色温度＞500℃，则输出此温度作为最终值，同时判断单色温度信号；若单色温度信号显示与比色温度显示不一致，则修正发射率参数，使其最终与比色温度显示一致，并更新此发射率参数；若单色温度＜500℃，比色温度显示错误，则输出单色温度作为最终值；发射率比参数由系统安装时根据特定试验结果确定，一股不宜改动。

如图6，跟踪判断程序块41的工作流程包括下列步骤：

开始0；

①读取单色测温T1及比色测温T2，单色发射率ε1——1；

②判断是否T1＜500℃，T2＜500℃——2，是则进入步骤④，否则进入步骤③；

③判断T1与T2之差的绝对值是否小于0.5，即是否abs(T1-T2)＜0.5——3，是则经过ε1＝ε1-0.01——5后跳转到步骤①，否则经过ε1＝ε1+0.01——6后跳转到步骤①；

④输出T1——4；

结束7。

5、红外辐射光路60

红外辐射光路60是一种虚拟光路。

7、信号电缆70

信号电缆70是一种常用件，传送信号。

Claims (3)

1.一种用于高温高压容器内转动部件的表面温度检测装置，包括检测对象压力容器缸壁(80)及在其内的旋转体(50)；

其特征在于：

设置有红外视窗及密封接口组件(10)、红外高温光纤(20)、红外测温模块(30)、计算机(40)和信号电缆（70）；

在压力容器缸壁(80)上连接有红外视窗及密封接口组件(10)，红外视窗及密封接口组件(10)、红外高温光纤(20)、红外测温模块(30)、信号电缆(70)和计算机(40)前后依次连接；

红外视窗及密封接口组件(10)通过红外辐射光路(60)和旋转体(50)在空间上相对。

2.按权利要求1所述的检测装置，其特征在于：

所述的红外视窗及密封接口组件(10)包括视窗玻璃(11)、视窗玻璃保护套筒(12)、膨胀石墨密封圈(13)、螺栓(14)、金属密封圈(15)、视窗接口组件(16)、光纤接口及密封件压盖组件(17)和软质垫环(18)；

视窗接口组件(16)的上端面通过螺栓(14)与光纤接口及密封件压盖组件(17)连接；视窗接口组件(16)的下端面通过螺栓(14)和金属密封圈(15)与压力容器缸壁(80)连接；

在视窗接口组件(16)的中间向内依次设置有膨胀石墨密封圈(13)、软质垫环(18)、视窗玻璃保护套筒(12)和视窗玻璃(11)。

3.按权利要求1所述的检测装置，其特征在于：

所述的红外测温传感器(30)包括相互并联的长波段单色传感器(31)和短波段比色传感器(32)；

长波段单色传感器(31)是一种近红外的红外探测器；

短波段比色传感器(32)是一种短波红外的红外探测器。 

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