CN211205688U

CN211205688U - 基于tdlas的烟道省煤器泄漏检测装置

Info

Publication number: CN211205688U
Application number: CN201922401380.0U
Authority: CN
Inventors: 胡龙; 王章生; 张凯
Original assignee: Hangzhou Megson Measurement And Control Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Megson Measurement And Control Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2029-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，该检测装置包含：烟道、省煤器、激光发射装置和激光接收装置；激光发射装置包括第一激光器、第二激光器、光纤耦合器、若干发射器和激光调制器；激光接收装置包括若干接收器和用于连接至接收器以接收并分析从接收器发送过来的电信号以判断烟道中的烟气的温度和烟气中的水蒸气的浓度的信号处理器。提供的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置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。

Description

基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置。

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。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种可以解决上述问题的适用于调节二氧化碳浓度的空调系统。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，包含：

用于供烟气通过的烟道；

基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置还包含：

设置于烟道的一侧以用于向烟道发射耦合了两种波长的激光的激光发射装置；

设置于烟道的另一侧以用于接收并分析从激光发射装置发射的并经过烟道中的烟气后的激光的激光接收装置；

激光发射装置包括:

用于输出第一波长的激光的第一激光器；

用于输出第二波长的激光的第二激光器；

用于分别连接第一激光器和第二激光器以耦合第一激光器和第二激光器发射的激光并将耦合后的激光分束的光纤耦合器；

用于固定至烟道的一侧且连接至光纤耦合器并调节输送自光纤耦合器的耦合后的激光以发射到烟道中对烟道中的烟气进行检测的光纤耦合器；

用于固定至烟道的一侧且连接至光纤耦合器并调节输送自光纤耦合器的耦合后的激光以发射到烟道中对烟道中的烟气进行检测的若干发射器；

用于调节并控制第一激光器和第二激光器的激光调制器；

激光接收装置包括:

用于固定至烟道的另一侧以接收从发射器发射的激光并将接收到的激光信号转换成电信号的若干接收器；

用于连接至接收器以接收并分析从接收器发送过来的电信号以判断烟道中的烟气的温度和烟气中的水蒸气的浓度的信号处理器。

进一步地，激光发射装置还包括用于对激光波长的自动校准的水蒸气参考测量通道；

水蒸气参考测量通道一端连接至光纤耦合器以接收耦合后的激光且另一端连接至激光调制器。

进一步地，激光调制器包括信号调制器和电流及温度控制器；

信号调制器一端连接至第一激光器和第二激光器且另一端连接至信号调制器；

信号调制器的另一端连接至水蒸气参考测量通道。

进一步地，烟道的入口处设有发射器和接收器；

烟道的出口处设有发射器和接收器；

烟道的入口和所出口之间的部分设有若干发射器和若干接收器。

进一步地，信号处理器包含用于连接至接收器并将接收到的电信号进行放大处理的信号放大器和用于连接至信号放大器以分析经过信号放大器放大处理后的电信号的数据处理器。

进一步地，接收器和信号放大器通过同轴电缆连接。

进一步地，发射器包含：

发射器壳体；

设置于发射器壳体内以对从发射器壳体入射端入射的激光进行准直处理的激光准直器；

设置于发射器壳体内以封闭发射器的发射器石英窗口；

设置于发射器壳体的出射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对发射器石英窗口的污染的发射器吹扫气路；

接收器包含：

接收器壳体；

设置于接收器壳体内以对入射的激光进行滤波的滤波片；

设置于接收器壳体内以对过滤后的激光进行聚焦的聚焦透镜；

用于接收聚焦后的激光并产生电信号的光电探测器；

设置于接收器壳体内以封闭接收器的接收器石英窗口；

设置于接收器壳体的入射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对接收器石英窗口的污染的接收器吹扫气路。

进一步地，发射器还包含两个第一密封圈；

两个第一密封圈设置于发射器石英窗口的两侧；

接收器还包含两个第二密封圈；

两个第二密封圈设置于接收器石英窗口的两侧。

进一步地，烟道的截面为矩形。

进一步地，光纤耦合器将激光分束成6-8束。

本实用新型的有益之处在于基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置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，本实用新型的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置简单、数据可靠性高、适用于恶劣的工业环境，便于在燃煤电厂烟道中实现。

本实用新型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。

本实用新型的发射器和接收器均接有吹扫气路，经过滤的洁净压缩空气实时吹扫石英窗口外壁，降低烟尘对测量窗口的污染。

附图说明

图1是本实用新型的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置的示意图；

图2是本实用新型的激光发射装置的示意图；

图3是本实用新型的激光接收装置的示意图；

图4是本实用新型的发射器的示意图；

图5是本实用新型的接收器的示意图；

图6是本实用新型的激光测量烟气的原理示意图；

图7是本实用新型的波长扫描-直接吸收双线TDLAS系统积分吸收率及吸收比随温度变化图。

基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置100、烟道10省煤器20、激光发射装置30、第一激光器31、第二激光器32、光纤耦合器33、发射器34、发射器壳体341、激光准直器342、发射器石英窗口343、发射器吹扫气路344、激光调制器35、信号调制器351、电流及温度控制器352、水蒸气参考测量通道36、激光接收装置40、接收器41、接收器壳体411、滤波片412、聚焦透镜413、光电探测器414、接收器石英窗口415、接收器吹扫气路416、信号处理器42、信号放大器421、数据处理器422。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

如图1-5所示，一种基于TDLAS(Tunable diode laser absorptionspectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱)的烟道省煤器泄漏检测装置100，包含：烟道10、省煤器20、激光发射装置30和激光接收装置40。烟道10用于供烟气通过。省煤器20设置于烟道10中以吸收经过烟道10的烟气的热量，省煤器20既可以是沸腾式，也可以是非沸腾式，既可以采用螺旋翅片管也可以采用H型翅片管，既可以采用铸铁也可以采用钢管。激光发射装置30设置于烟道10的一侧以用于向烟道10发射耦合了两种波长的激光。激光接收装置40设置于烟道10的另一侧以用于接收并分析从激光发射装置30发射的并经过烟道10中的烟气后的激光。

其中激光发射装置30包括:第一激光器31、第二激光器32、光纤耦合器33、若干发射器34和激光调制器35。第一激光器31用于输出第一波长的激光。第二激光器32用于输出第二波长的激光。光纤耦合器33用于分别连接第一激光器31和第二激光器32以耦合第一激光器31和第二激光器32发射的激光并将耦合后的激光分束，优选的，光纤耦合器33采用2路输入、6～8路输出。若干发射器34用于固定至烟道10的一侧且连接至光纤耦合器33并调节输送自光纤耦合器33的耦合后的激光以发射到烟道10中对烟道10中的烟气进行检测。激光调制器35用于调节并控制第一激光器31和第二激光器32。上述中，第一激光器31、第二激光器32以及发射器通过光纤连接至光纤耦合器33。

激光接收装置40包括:若干接收器41和信号处理器42。若干接收器41用于固定至烟道10的另一侧以接收从发射器34发射的激光并将接收到的激光信号转换成电信号。信号处理器42用于连接至接收器41以接收并分析从接收器41发送过来的电信号以判断烟道10中的烟气的温度和烟气中的水蒸气的浓度。

作为一种具体的实施方式，激光发射装置30还包括:水蒸气参考测量通道36。水蒸气参考测量通道36用于一端连接至光纤耦合器33以接收耦合后的激光且另一端连接至激光调制器35以实现对激光波长的自动校准。

作为一种具体的实施方式，激光调制器35包括信号调制器351和电流及温度控制器352，通过信号调制器351和电流及温度控制器352共同协作调节第一激光器31和第二激光器32。具体而言，信号调制器351一端连接至第一激光器31和第二激光器32。信号调制器351的另一端连接至水蒸气参考测量通道36。

作为一种具体的实施方式，烟道10的入口处设有发射器34和接收器41。烟道10的出口处设有发射器34和接收器41。烟道10的入口和所出口之间的部分设有若干发射器34和若干接收器41。如此，可以采集到烟道10主要部分的烟气的状态。

作为一种具体的实施方式，信号处理器42包含：信号放大器421和数据处理器422。信号放大器421用于连接至接收器41并将接收到的电信号进行放大处理，提高信噪比，数据处理器422用于连接至信号放大器421以按照预设程序分析经过信号放大器421放大处理后的电信号得到烟气平均温度和水蒸气平均浓度，通过分析烟道10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20是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。

作为一种具体的实施方式，接收器41和信号放大器421通过同轴电缆连接。

作为一种具体的实施方式，发射器34包含：发射器壳体341、激光准直器342、发射器石英窗口343和发射器吹扫气路344。激光准直器342设置于发射器壳体341内以对从发射器壳体341入射端入射的激光进行准直处理。发射器石英窗口343设置于发射器壳体341内以封闭发射器34。发射器吹扫气路344设置于发射器壳体341的出射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对发射器石英窗口343的污染。

接收器41包含：接收器壳体411、滤波片412、聚焦透镜413、光电探测器414、接收器石英窗口415和接收器吹扫气路416。滤波片412设置于接收器壳体411内以对入射的激光进行滤波。聚焦透镜413设置于接收器壳体411内以对过滤后的激光进行聚焦。光电探测器414用于接收聚焦后的激光并产生电信号。接收器石英窗口415设置于接收器壳体411内以封闭接收器41。接收器吹扫气路416设置于接收器壳体411的入射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对接收器石英窗口415的污染。

进一步地，发射器34还包含两个第一密封圈，两个所述密封圈设置于发射器石英窗口343的两侧，接收器41还包含两个第二密封圈，两个第二密封圈设置于接收器石英窗口415的两侧。

作为一种具体的实施方式，烟道10的截面为矩形。

具体而言，基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测方法为：通过激光调制器35调制第一激光器31发射第一波长激光和调制第二激光器32发射第二波长激光。通过光纤耦合器33对第一激光器31和第二激光器32发射的激光进行耦合并分束至若干发射器34。发射器34将接收到的耦合后的激光进行调节并发射至烟道10中。接收器41接收穿过烟道10后的激光并将其转换成电信号发送至信号处理器42。信号处理器42分析转换后的电信号以得到烟道10中的烟气的温度和烟气中的水蒸气的浓度。

作为一种具体的实施方式，基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测方法还包括以下步骤：将光纤耦合器33耦合后的激光发送至水蒸气参考测量通道36以实时校准第一激光器31和第二激光器32发射的激光的波长。

在本实用新型中，根据烟道10横截面尺寸、省煤器20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6所示，当一束频率为v的激光通过流场，其出射光强I_t和入射光强I₀满足比尔-兰伯特(Beer-Lambert)关系式：

(I_t/I₀)_v＝exp(-k_v·L) (1)

式中：k_v为吸收系数，L为吸收长度。其中吸收系数k_v是静压P，吸收组分摩尔浓度X_H2O(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PX_H2O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7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。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，包含：

用于供烟气通过的烟道；

其特征在于，所述基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置还包含：

设置于所述烟道的一侧以用于向所述烟道发射耦合了两种波长的激光的激光发射装置；

设置于所述烟道的另一侧以用于接收并分析从所述激光发射装置发射的并经过所述烟道中的烟气后的激光的激光接收装置；

所述激光发射装置包括:

用于输出第一波长的激光的第一激光器；

用于输出第二波长的激光的第二激光器；

用于分别连接所述第一激光器和所述第二激光器以耦合所述第一激光器和所述第二激光器发射的激光并将耦合后的激光分束的光纤耦合器；

用于固定至所述烟道的一侧且连接至所述光纤耦合器并调节输送自所述光纤耦合器的耦合后的激光以发射到所述烟道中对所述烟道中的烟气进行检测的光纤耦合器；

用于固定至所述烟道的一侧且连接至所述光纤耦合器并调节输送自所述光纤耦合器的耦合后的激光以发射到所述烟道中对所述烟道中的烟气进行检测的若干发射器；

用于调节并控制所述第一激光器和所述第二激光器的激光调制器；

所述激光接收装置包括:

用于固定至所述烟道的另一侧以接收从所述发射器发射的激光并将接收到的激光信号转换成电信号的若干接收器；

用于连接至所述接收器以接收并分析从所述接收器发送过来的电信号以判断所述烟道中的烟气的温度和烟气中的水蒸气的浓度的信号处理器。

2.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述激光发射装置还包括用于对激光波长的自动校准的水蒸气参考测量通道；

所述水蒸气参考测量通道一端连接至所述光纤耦合器以接收耦合后的激光且另一端连接至所述激光调制器。

3.根据权利要求2所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述激光调制器包括信号调制器和电流及温度控制器；

所述信号调制器一端连接至所述第一激光器和所述第二激光器且另一端连接至所述信号调制器；

所述信号调制器的另一端连接至所述水蒸气参考测量通道。

4.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述烟道的入口处设有所述发射器和所述接收器；

所述烟道的出口处设有所述发射器和所述接收器；

所述烟道的入口和所出口之间的部分设有若干所述发射器和若干所述接收器。

5.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述信号处理器包含用于连接至所述接收器并将接收到的电信号进行放大处理的信号放大器和用于连接至所述信号放大器以分析经过所述信号放大器放大处理后的电信号的数据处理器。

6.根据权利要求5所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述接收器和所述信号放大器通过同轴电缆连接。

7.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述发射器包含：

发射器壳体；

设置于所述发射器壳体内以对从所述发射器壳体入射端入射的激光进行准直处理的激光准直器；

设置于所述发射器壳体内以封闭所述发射器的发射器石英窗口；

设置于所述发射器壳体的出射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对所述发射器石英窗口的污染的发射器吹扫气路；

所述接收器包含：

接收器壳体；

设置于所述接收器壳体内以对入射的激光进行滤波的滤波片；

设置于所述接收器壳体内以对过滤后的激光进行聚焦的聚焦透镜；

用于接收聚焦后的激光并产生电信号的光电探测器；

设置于所述接收器壳体内以封闭所述接收器的接收器石英窗口；

设置于所述接收器壳体的入射端以产生气流从而避免烟气中的粉尘对所述接收器石英窗口的污染的接收器吹扫气路。

8.根据权利要求7所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述发射器还包含两个第一密封圈；

两个所述第一密封圈设置于所述发射器石英窗口的两侧；

所述接收器还包含两个第二密封圈；

两个所述第二密封圈设置于所述接收器石英窗口的两侧。

9.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述烟道的截面为矩形。

10.根据权利要求1所述的基于TDLAS的烟道省煤器泄漏检测装置，其特征在于，

所述光纤耦合器将激光分束成6-8束。