专利名称：电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在线监测电站锅炉承压部件热膨胀量的装置，属锅炉技术领域。
背景技术：
电站锅炉承压部件温度升高后会膨胀，为了不使膨胀受阻，在承压部件内产生过大的热应力，通常对承压部件采取各种各样的热膨胀补偿措施。一种常用的补偿方式是将承压部件一端固定，另一端受热后可以自由膨胀，汽包和水冷壁管等部件常采用这种补偿方式。为此，电站锅炉本体均采用全悬吊结构，使锅炉本体的每个部分能够比较充分地热膨 胀，大大减小了由于热膨胀受阻而产生的热应力。锅炉在启动和停炉过程中，汽包壁内的温度场和传热条件不断变化。当汽包内温度变化时，汽包筒体存在内外壁温差、上下壁温差和纵向温差，使得汽包本体因外在约束及内部各部分之间的约束，不能自由膨胀而产生热应力。锅炉水冷壁上端固定在汽包上，由于水冷壁弯曲较小膨胀量较大，本身补偿膨胀的能力较小，故下端是可以自由膨胀的。水冷壁向下的膨胀量可事先根据温度和材质及高度计算出来。如果升火过程中水冷壁向下的膨胀值与设计不符，可能是向下膨胀受阻或水冷壁受热不均，应设法消除，否则会在水冷壁管内产生过大的热应力。集箱内工质温度不均匀常会导致集箱沿轴向两端的膨胀不均匀，从而产生一定的热应力，严重时会使集箱变形或受热面管子损坏。另外，某些管子或集箱在通过砖衬或护板时膨胀受阻，或者被导架、支吊架及其它杂物阻碍，也会导致膨胀不均匀。针对上述锅炉运行中承压部件的热膨胀问题，电厂普遍采用在锅炉本体特定位置安装膨胀指示器的方法来记录相应位置在各个膨胀方向上的膨胀量，然后用于分析设备热应力产生的原因，判断各种管道、集箱和容器受热膨胀时是否受阻，分布是否均匀，是否按要求膨胀。所用膨胀指示器均为接触式机械指示器，其原理是用一块金属面板刻画上尺寸线，然后用带尖的圆钢作为指针与之配合，面板和指针套筒一个固定在设备上，另一个固定在锅炉平台上，设备受热膨胀产生位移后，指针会沿套筒轴向移动一段距离，根据指针杆上的刻度读取沿指针和套筒轴向的位移量；与此同时，指针的头部会在面板上移动位置，根据面板上的二维刻度读取与指针轴向相垂直平面上两个垂直方向上的位移量，从而获得设备的三向膨胀量。然而这类膨胀指示器冷态时面板与指针存在很长距离，无法准确对零，如果面板与指针的距离不够大，热态时面板又很容易被指针划伤。而且由于膨胀指示器安装位置多处于温度较高的环境(锅炉本体上部可达40 50°C )，现场运行人员只能定期观察记录各个膨胀指示器指示的膨胀数据，用这些代表性数据进行锅炉管道整体应力分析，判断各种管道、集箱和容器受热膨胀时是否受阻，分布是否均匀，是否按要求膨胀。因此这类膨胀指示器无法在承压部件膨胀量偏离设计值较大时及时、准确地反馈信息，因而也就无法避免因设备膨胀不畅而导致的各种安全事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种运行可靠、监测结果准确的电站承压部件热膨胀量在线监测装置。本发明所述问题是以下述技术方案实现的
一种电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，由数据采集模块、计算机和安装在电站锅炉承压部件不同监测点的多个三向膨胀量检测单元组成，每个三向膨胀量检测单元由方体金属面板和三个非接触式位移传感器组成，所述方体金属面板固定在承压部件上；所述三个非接触式位移传感器固定在锅炉平台上，它们的感应端分别与方体金属面板的三个相互正交的平面相对应，非接触式位移传感器的信号输出端分别接数据采集模块的不同输入通道；所述数据采集模块通过通讯接口与计算机连接。上述电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，所述非接触式位移传感器为激光 位移传感器、超声波位移传感器或电感式位移传感器。上述电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，所述承压部件监测点位于前后水冷壁下集箱两侧测点、下部水冷壁左右侧墙前后部测点、中部水冷壁左右侧墙前后部测点、折焰角后左右侧墙后部测点、尾部烟道主蒸汽出口集箱两侧测点、再热器出口集箱两侧测点、再热器入口集箱两侧测点、省煤器入口集箱右侧测点、尾部左右侧包墙前后部测点及炉顶大包左右侧墙前后部测点。本发明采用非接触式位移传感器测量承压部件各监测点的三向热膨胀位移，不存在磨损问题，大大提高了测量装置的可靠性。本装置实现了对锅炉各承压部件特定位置的三向热膨胀量的实时监测，能够在承压部件膨胀量偏离设计值较大时及时反馈信息，有效避免因膨胀不畅而造成的各种安全事故的发生。使用本装置对锅炉承压部件进行监测时，工作人员无需到温度较高的环境中读取监测数据，操作非常方便。此外，通过提取热膨胀位移信号的频率域特征参数，本发明还可分析热膨胀位移量是否存在波动及其波动的幅度和频率，从而判断承压部件是否有振动发生及振动的剧烈程度。
下面结合附图对本发明进一步说明。图I是热膨胀量激光位移检测示意 图2是热膨胀量超声波位移检测示意 图3是热膨胀量电感式位移检测示意 图4是电站锅炉承压部件热膨胀位移测点布置 图5是图4的左视 图6是尾部烟道集箱俯视 图7是尾部包墙膨胀图。图中各标号为1_1、X方向激光位移传感器；1_2、y方向激光位移传感器；1_3、z方向激光位移传感器；2-1、X方向超声波位移传感器；2-2、y方向超声波位移传感器；2-3、z方向超声波位移传感器；3-1、X方向电感式位移传感器；3-2、y方向电感式位移传感器；3-3、z方向电感式位移传感器；4、方体金属面板；5、传感器输出信号线；6、数据米集模块；7、计算机；8、燃烧器；9、省煤器入口集箱；10、再热器入口集箱；11、再热器出口集箱；12、主蒸汽出口集箱；13、尾部左侧包墙；14、尾部右侧包墙；A、前、后水冷壁下集箱两侧测点；B、下部水冷壁左右侧墙前后部测点；C、中部水冷壁左右侧墙前后部测点；D、折焰角后左右侧墙后部测点；E、炉顶大包左右侧墙前后部测点；F、尾部烟道主蒸汽出口集箱两侧测点；G、再热器出口集箱两侧测点、再热器入口集箱两侧测点；1、省煤器入口集箱右侧测点；J、尾部左右侧包墙前后部测点。
具体实施例方式本发明利用现代信号测量技术，测量电站锅炉各承压部件特定位置的三向热膨胀位移信号，以进行锅炉管道整体应力分析，判断各承压部件受热膨胀时是否受阻，分布是否均匀，是否按要求膨胀，预判、避免设备因膨胀不畅产生附加应力超限而拉裂管墙等安全事故的发生；利用现代信号处理方法，提取各承压部件特定位置三向热膨胀位移信号的特征参数，判断各承压部件热膨胀位移量是否存在波动及其波动的幅度和频率，从而判断承压部件是否有振动发生及振动的剧烈程度。具体方法是在电站锅炉各承压部件特定位置布置三向热膨胀位移测点，即在承压部件壁面焊接方体金属面板，在承压部件附近锅炉平台上安装用于测量竖直、前后、左右三个方向上与对应金属面板间距离的位移传感器(激光位移传感器、超声波位移传感器或电感式位移传感器)，将测得的特定方向上传感器感应端与 对应金属面板间距离的变化量转换成电信号，再将电信号送到数据采集模块进行信号的AD转换，最后存储至计算机中。图4 图7为热膨胀位移测点布置图。以某600MW超临界直流锅炉为例，由炉前方向看过去，炉膛和后烟道左右对称，炉膛前、后墙及后烟道前、后墙的膨胀中心设置在锅炉对称中心线，水冷壁侧墙膨胀中心设置在距炉膛后墙中心线1204mm处，前、后水冷壁下集箱向下膨胀量设计值为356. 9mm ;其承压部件热膨胀量在线监测测点布置于前、后水冷壁下集箱两侧；下部水冷壁左右侧墙前后部；中部水冷壁左右侧墙前后部；折焰角后左右侧墙后部；炉顶大包左右侧墙前后部；尾部烟道主蒸汽出口集箱两侧；再热器出口集箱两侧；再热器入口集箱两侧；省煤器入口集箱右侧；尾部左右侧包墙前后部。图I为热膨胀量激光位移检测示意图。所示方体金属面板4的背面焊接于某锅炉承压部件特定位置的壁面上，X方向激光位移传感器1-1、y方向激光位移传感器1-2、Z方向激光位移传感器1-3均安装于承压部件该位置附近的锅炉平台上，传感器发射光被聚焦到相应被测金属面板上，反射光被内部镜片收集，投射到CMOS阵列上，通过三角函数计算阵列上的光点位置得到各自在X、I、z方向上距对应金属面板的距离(安装时使激光位移传感器在锅炉满负荷下与对应金属面板仍存在一定距离)，继而根据锅炉启动前所测得各自在X、y、z方向上与对应金属面板间的距离得到该承压部件该位置在X、I、z方向上热膨胀量。将测得的x、y、z方向上传感器与对应金属面板间距离的变化量转换成电信号，再将电信号送到数据采集模块进行信号的AD转换，最后存储至计算机中，便可实时监测该承压部件该位置在X、I、z方向上热膨胀量。图2为热膨胀量超声波位移检测示意图。所示方体金属面板4的背面焊接于某锅炉承压部件特定位置的壁面上，X方向超声波位移传感器2-1、y方向超声波位移传感器
2-2、z方向超声波位移传感器2-3均安装于承压部件该位置附近的锅炉平台上，传感器内部处理单元对超声换能器加以电压激励，受激后以脉冲形式发出超声波，然后超声换能器转入接受状态，处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，确定收到信号为所发出的超声波回声后，测量超声波行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2得到各自在X、y、z方向上距反射超声波的对应金属面板的距离(安装时使超声波位移传感器在锅炉满负荷下与对应金属面板仍存在一定距离)，继而根据锅炉启动前所测得各自在x、y、z方向上与对应金属面板间的距离得到该承压部件该位置在X、I、z方向上热膨胀量。将测得的X、y、z方向上传感器与对应金属面板间距离的变化量转换成电信号，再将电信号送到数据采集模块进行信号的AD转换，最后存储至计算机中，便可实时监测该承压部件该位置在X、I、z方向上热膨胀量。图3为热膨胀量电感式位移检测示意图。所示方体金属面板4的背面焊接于某锅炉承压部件特定位置的壁面上，X方向电感式位移传感器3-1、y方向电感式位移传感器
3-2、z方向电感式位移传感器3-3均安装于承压部件该位置附近的锅炉平台上，传感器接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属面板接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完 成无接触检测各自在X、I、z方向上距对应金属面板距离的目的(安装时使电感式位移传感器在锅炉满负荷下与对应金属面板仍存在一定距离)，继而根据锅炉启动前所测得各自在X、I、z方向上与对应金属面板间的距离得到该承压部件该位置在X、I、z方向上热膨胀量。将测得的x、y、z方向上传感器与对应金属面板间距离的变化量转换成电信号，再将电信号送到数据采集模块进行信号的AD转换，最后存储至计算机中，便可实时监测该承压部件该位置在x、y、z方向上热膨胀量。信号处理方法采用小波分析、Wigner谱分析实现位移信号的局部化时频分析，得到不同频率段位移信号随时间的变化趋势以及不同时刻位移量波动幅度的频率域分布，结合时域标准差，评估不同频率段的位移量波动幅度，结合局部频峰加权平均频率
来分析位移信号的频率特征；利用AR模型谱估计法对不同位移信号进行功率谱估计，
获得信号的位移能量频率域分布，结合能量加权平均频率天来评估位移量波动频率的整体性变化。相关定义如下
_ M-IIM-A
/t= ΣΑ (O Λ (O / Σ4ι (1),
a-O/ i-0
式中/d(0 , Λ(0分别为局部时刻的主频和相对应的幅值大小，分子对应于局部时刻
主频幅度能量的频率加权之和，用幅值能量之和作为分母进行幅值归一化，以保证}^和位移信号的时域强度无关。λ= ^2 ο/ο) Zza2U),
J-O/ J-O
式中/U), ^{j)分别为频域内局部频率和局部频率对应的幅值，分子对应于局部频
率幅值能量的频率加权之和，用幅值能量之和作为分母以进行幅值归一化，以保证天和位移信号的频域强度无关。
权利要求
1.一种电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，其特征在于，它由数据采集模块(6)、计算机(7)和安装在电站锅炉承压部件不同监测点的多个三向膨胀量检测单元组成，每个三向膨胀量检测单元由方体金属面板(4)和三个非接触式位移传感器组成，所述方体金属面板(4)固定在承压部件上；所述三个非接触式位移传感器固定在锅炉平台上，它们的感应端分别与方体金属面板(4)的三个相互正交的平面相对应，非接触式位移传感器的信号输出端分别接数据采集模块(6)的不同输入通道；所述数据采集模块(6)通过通讯接口与计算机(7)连接。
2.根据权利要求I所述电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，其特征在于，所述非接触式位移传感器为激光位移传感器、超声波位移传感器或电感式位移传感器。
3.根据权利要求I或2所述电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，其特征在于，所述承压部件监测点位于前后水冷壁下集箱两侧测点、下部水冷壁左右侧墙前后部测点、中部水冷壁左右侧墙前后部测点、折焰角后左右侧墙后部测点、尾部烟道主蒸汽出口集箱两侦_点、再热器出口集箱两侧测点、再热器入口集箱两侧测点、省煤器入口集箱右侧测点、尾部左右侧包墙前后部测点及炉顶大包左右侧墙前后部测点。
全文摘要
一种电站锅炉承压部件热膨胀量在线监测装置，它由数据采集模块、计算机和安装在电站锅炉承压部件不同监测点的多个三向膨胀量检测单元组成，每个三向膨胀量检测单元由方体金属面板和三个非接触式位移传感器组成，所述方体金属面板固定在承压部件上；所述三个非接触式位移传感器固定在锅炉平台上，它们的感应端分别与方体金属面板的三个相互正交的平面相对应，非接触式位移传感器的信号输出端分别接数据采集模块的不同输入通道；所述数据采集模块通过通讯接口与计算机连接。本发明实现了对锅炉各承压部件特定位置的三向热膨胀量的实时监测，具有运行可靠、监测结果准确、操作方便等优点。
文档编号G01B21/32GK102706317SQ20121020737
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者姜华伟, 陈鸿伟 申请人:华北电力大学(保定)