鍋爐爐管泄漏自動報警裝置改造方案

武俊杰

（陽城國際發電有限責任公司，山西 晉城 048102）

1 DHXL-Ⅲ型鍋爐爐管泄漏裝置描述

DHXL-Ⅲ型鍋爐爐管泄漏自動報警裝置是集鍋爐、聲學、電子、計算機、機械等多學科技術，通過增強型傳感器來獲取鍋爐內爐管泄漏的噪聲信號，在消除鍋爐運行的各種復雜噪聲干擾的基礎上，利用計算機技術，通過快速付里葉變換（FFT），進行聲譜分析，實現對鍋爐爐管泄漏的早期測報，并判斷出泄漏的區域位置及泄漏程度，使電站運行人員及時采取防護措施，防止事故擴大，縮短搶修時間，減少經濟損失。

裝置由兩部分組成，包括信號采集系統，監測系統。

裝置的系統框見圖1。

圖1 裝置的系統框圖

2 裝置主要技術的介紹

目前國內對泄漏檢測的裝置都是基于聲學原理，通過聲波傳感器采集爐內聲音，把聲音進行處理，判斷是否發生泄漏，再發出報警信號。但報警模型有兩種：①參數靜態設置，建立靜態泄漏模型，再與采集的信號進行比較，確定是否輸出報警信號；②參數靜態設置，建立泄漏動態模型，實現泄漏模型的動態識別與在線跟蹤技術，再確定是否輸出報警信號。下面比較說明第二種方式的優點——防止“誤報”“漏報”措施：解決由噴燃器和吹灰器等設備運行的背景噪聲，或運行負荷發生變化對泄漏源聲波信號的影響。

2.1 解決方案—采用爐管泄漏模型的動態識別

新一代爐管泄漏自動報警裝置采用了模型的動態識別與在線跟蹤技術，目前市場上大部分廠家生產的系統都是在建立好泄漏模型后采用靜態比較進行報警，即一旦硬件設備靈敏度調整后報警模型就已固定，如以后發生負荷有大的變化或由于長時間運行使得傳感器的靈敏度發生漂移，就會對準確報警帶來影響。新技術有效地排除了當燃燒不穩定時背景噪聲忽高忽低或負荷變化給準確報警帶來的影響，準確報警大大提高，誤報、漏報趨為0。

2.2 老技術

調整好傳感器的靈敏度后，在動態調試時固定“泄漏報警”的閥值。

圖2

2.2.1 當負荷變大

由于負荷大鍋爐送風機和引風機會處于滿負荷工作，使得煙氣流速加快，和爐內的各種擾動增強，導致爐內各種背景噪聲增強。由于爐內背景噪聲是百噪聲（200Hz～15 kHz）所以背景噪聲S曲線會整體沿X軸（能量）向上移，結果使得B增大，由于N是定值（閥值），此時A區會變小。在該情況下只要有其他的高頻信號干擾（A區會立即被填滿，因為A的權值主要集中在高頻區域）或附近有其他聲音就會容易產生誤報警。

2.2.2 當負荷變小

由于負荷小鍋爐送風機和引風機的工作滿負荷會變小，使得煙氣流速減慢，同時爐內的各種擾動變小，導致爐內各種背景噪聲減弱。由于爐內背景噪聲是百噪聲（200Hz～15 kHz），所以背景噪聲S曲線會整體沿X軸（能量）向下移，結果使得B減小，由于N是定值（閥值），此時A區會變大。在該情況下必須泄漏程度很大時才能把A區填滿，因為A的權值主要集中在高頻區域，即非常容易達到報警的閥值），此時系統會容易產生遲報警或漏報。

2.2.3 燃燒不穩定

相同道理，當燃燒不穩定時，B值會不停變化，會導致報警不準確。

2.3 新技術

調整好傳感器的靈敏度后，在動態調試時設定“泄漏報警”的相對閥值。

其中N=A+B表示“泄漏的閥值”，就是泄漏時200 Hz～6 kHz的能量權值。在新技術中系統動態調試是調整A區的值，在運行期間不再變動。即N、B為變量，A為常量，B表示正常運行時200Hz～6kHz的能量權值。泄漏主要集中在3kHz左右，即在3kHz左右能量最大。

2.3.1 當負荷變大

當負荷變大，鍋爐送風機和引風機會處于近滿負荷工作，使得煙氣流速加快，和爐內的各種擾動增強，導致爐內各種背景噪聲增強。由于爐內背景噪聲是百噪聲（200Hz～15 kHz），所以背景噪聲S曲線會整體沿X軸（能量）向上移，結果使得B增大，在該情況下如有其他的高頻信號干擾或附近有其他聲音，A區也不會立即被填滿，因為A為常量，A區的大小沒有改變，又N是變量（閥值），N曲線會整體沿X軸（能量）向上移，所以N的值會相應變大即系統自己抬高報警閥值，從而不會產生誤報警。

2.3.2 當負荷變小

當負荷變小鍋爐送風機和引風機的工作滿負荷也會變小，使得煙氣流速減慢，同時爐內的各種擾動變小，導致爐內各種背景噪聲減弱。由于爐內背景噪聲是百噪聲（200Hz～15 kHz），所以背景噪聲S曲線會整體沿X軸（能量）向下移，結果使得B區減小，由于在新技術中A區是定值（常量），此時N曲線會整體沿X軸（能量）向下移，所以N值會相應變小（報警閥值降低）。此時系統就不會產生遲報警或漏報。

2.3.3 燃燒不穩定

相同道理，當燃燒不穩定時，B值會不停變化，同時N報警閥值也會不停地做相應調整，所以不會導致報警不準確。

3 系統原理介紹

3.1 系統信號傳輸原理

信號采集（傳感器）→信號傳輸（信號電纜）→A/D轉換→頻譜分析→在線建立與泄漏動態→動態模型與靜態比較→泄漏報警與DCS通訊。

3.2 系統配置

設備主要構成清單：①傳導管：DHXL-III型氣源吹掃，數量24根；②傳感器：DHXL-III型，數量24套；③監測系統：DHXL-III/32型，數量1套；配置：研華原裝工控主機，彩色顯示器，彩色打印機；④電纜：六芯、阻燃、屏蔽、單芯截面積1mm2（按照實際需要）；⑤配件：φ12金屬軟管、角鐵、鋼元、管接頭、轉接端子等1套；⑥工控機與操作員站CRT的連接件1套。

3.3 系統結構

鍋爐爐管泄漏自動報警裝置由2部分組成：信號采集處理系統和監測報警系統。

3.3.1 信號采集處理系統

信號采集系統包括：聲波傳導管、聲波傳感器、傳輸電纜。

聲波傳導管（32根）

傳導管固定在鍋爐爐壁上，用來提供信號通道，使傳感器與爐內連通，保證真實采集鍋爐爐管泄漏所產生的聲頻信號。它包括金屬管、絕緣體、球閥、45°角三通和電動除灰機構等構件，整體密封。

傳感器是用來接收爐膛內的聲頻信號，當鍋爐正常工作時，所接收的信號為背景噪聲，其頻率主要集中在低頻段，而且聲音強度較弱，當鍋爐爐管發生泄漏時，泄漏聲不僅使爐膛噪聲強度明顯加強，而且其頻率主要集中在中高頻段,傳感器能將鍋爐爐內噪聲的強度、頻譜等真實情況靈敏地轉換成電流信號,傳輸給遠在集控室的監測系統。傳感器固定安裝在傳導管尾部上，每個傳感器包括一個一體化聲納傳感器件和一個自測試噪聲發生器件，封裝在塑料殼中。傳感器的檢測范圍受增益旋鈕控制，一般在10～15m的半球空間。增益值隨測點背景噪聲變化而變化。

傳輸電纜負責把傳感器的信號傳輸到機柜或工控機附近。

3.3.2 監測報警系統（1套）

監測系統放于集控室內，它采用國際標準機箱（19inch寬），分為中心處理單元及顯示報警單元，安裝組合在機柜中。

3.3.2.1 中心處理單元

（1）利用多通道高速A/D采集卡，將一體化聲納傳感器傳輸過來的電流信號進行采樣，轉換成數字量信號，通過總線送至主處理板，進行付里葉快速變換（FFT），得出實時頻譜棒形圖及趨勢圖，建立動態泄漏模型，跟蹤頻譜棒圖及趨勢圖的變化，針對泄漏特有的靜態頻譜模式，經判別后進行泄漏報警。同時具有歷史追憶功能，用于報警后數據分析。另外對測點處背景噪聲的數據進行處理，用于傳導管堵灰判斷。

（2）通過監聽切換卡，用于監聽測點處的實時背景噪聲。

（3）通過開關量輸入繼電器輸出卡，與吹灰盤聯鎖，監視吹灰器工作是否正常；用于裝置自檢，判斷系統工作是否正常；用于無源節點輸出，與集控室光字牌連接，用于報警提示。

（4）中心處理單元有聲音監聽揚聲器、軟驅、調試鍵盤接口、電源開關等，用于功能操作及顯示。

（5）通過DCS接口模塊和調制解調器實現數據的通訊。

3.3.2.2 顯示報警單元

作為中心處理單元的數據分析后顯示功能界面，它們是實時數據、歷史數據、堵灰指示、監聽畫面、遠程診斷及系統配置等。

（1）通過軟件界面的爐膛模擬圖可判斷出泄漏的區域位置。當出現某測點附近爐管泄漏時，該點將會出紅顯示，經延時處理后，輸出開關量信號至光字牌報警。

（2）在堵灰指示畫面中，指出每一根聲波傳導管的積灰情況。當出現堵灰時，提醒維護人員進行相應維護。

（3）通過軟件界面的棒圖，可看出通道的能量大小。它反映通道的有效聲強值。

（4）通過頻譜圖可看出通道能量的頻率分布，得出頻譜曲線與已知數學模式進行比較，進行泄漏判別。

（5）通過監聽畫面實時監聽爐內噪聲。

（6）通過系統配置畫面設置每一個通道的增益值，并可以消除系統時間誤差。

3.4 系統的主要功能

3.4.1 爐管泄漏報警顯示

通過固定安裝在鍋爐爐膛水冷壁、水平煙道、尾部豎井及鍋爐大包內的探頭，將鍋爐爐管泄漏的聲音信號轉化成電信號，經前置放大和信號處理后（前置放大和信號處理功能已集成在增強型傳感器中），在置于電子設備間內的顯示報警機柜的彩色顯示器上顯示泄漏情況及泄漏報警。

3.4.2 實現對鍋爐爐管泄漏的早期報警

自爐管（水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器）發生砂眼、裂紋始，裝置逐級報警并伴隨光字牌報警；自動檢測泄漏過程中，“棒圖”顯示的顏色分別表示：異常、輕度泄漏、中度泄漏、嚴重泄漏。

3.4.3 確定鍋爐爐管泄漏的區域位置

通過泄漏點附近分布的“測點”所反映的泄漏程度并結合各“測點”先后報警順序綜合判斷泄漏區域位置，分辨率≤4m的隔離范圍。

判斷鍋爐爐管泄漏的泄漏程度和發展趨勢（程度分為四個等級：異常、輕度泄漏、中度泄漏、嚴重泄漏，可根據甲方要求直觀反映不同時間段，不同測點的變化趨勢）。

坐標50%處表示泄漏報警線，當曲線值小于40%時，表示正常，40%～50%表示該通道實時信號出現異常，需關注其發展趨勢，50%～60%表示該通道發生輕度泄漏，60%～70%表示該通道發生中度泄漏，超過70%時表示該通發生嚴重泄漏。

3.4.4 在線監聽鍋爐背景噪聲

（1）可任意選擇監聽某測點對應的爐內聲音，并提供錄音接口。

（2）同時顯示各測點所“聽到”的爐內聲音的頻譜圖，顯示譜段為1～15 kHz。它將明顯地反映爐管泄漏與蒸氣吹灰及聲波吹灰聲音的頻譜特征。

3.4.5 裝置自檢系統

按TEST鍵，系統顯示判斷各通道運行是否正常。

3.4.6 檢測吹灰器運行工況

鍋爐吹灰時，閉鎖泄漏報警。當鍋爐吹灰時，系統接受節點后會閉鎖泄漏報警輸出，但不影響各個通道的信號采集和顯示，這樣不但可以閉鎖因鍋爐吹灰引起誤發報警而且還可以有效檢測吹灰器工作是否正常。同時頻譜分布圖可以明顯地反映蒸氣吹灰及聲波吹灰聲音的頻譜特征。

檢測吹灰系統投運情況。系統能自動檢查：①吹灰器氣源壓力；②吹灰器是否旋轉吹掃；系統能自動判斷：吹灰器是否卡澀。

3.4.7 傳導管堵灰判別

（1）對波導管的堵灰判別。波導管是否暢通直接關系到系統的可靠性，系統軟件設計了對波導管運行工況的實時檢測，并在堵灰畫面中顯示正常狀態（藍色）和堵灰狀態 （紅色）。這也是對清灰除焦效果的自動判定。

（2）當波導管嚴重堵灰時，系統將發出硬件報警，提醒運行人員及時對波導管清灰除焦或必要時的人工機械清灰。

（3）對波導管的清灰除焦方式可選擇手動/自動，投自動時根據鍋爐的燃燒工況選擇設定時間間隔，不管傳導管是否堵灰系統都會定期實現對波導管清灰除焦。如在設定的時間間隔內發生傳導管堵灰系統會及時啟動吹灰系統對相應的傳導管進行除灰。

3.5 項目實施后系統可以顯示的內容

主畫面及主菜單；單通道實時趨勢圖；單通道實時頻譜圖；全通道實時棒狀圖；鍋爐及測點分布圖；單通道歷史頻譜圖；單通道歷史趨勢圖；全通道聲譜棒圖；泄漏報警追憶記錄；傳感器布點模擬圖；泄漏發展趨勢圖；堵灰指示畫面；監聽選擇畫面；系統設置畫面。

系統檢測在屏幕上應對以下內容的狀態用不同的顏色加以區別：系統故障藍色；基礎背景噪聲區綠色；聲音出現異常黃色；出現泄漏區紅色。

4 設備的相關性能指標、效果

4.1 裝置指標

（1）可檢測1～2mm的微小泄漏，比通常方法提前2～3天報警。

（2）泄漏故障的隔離范圍在半徑為4m的半球范圍內。

（3）裝置的誤報率趨于零，裝置的漏報率趨于零（在信號傳輸正常狀態下）。

（4）裝置可連續運行30 000 h以上。

4.2 設備指標

（1）傳感器——靈敏度：>25mV/Pa；輸出電流：0～6mA（AC）；檢測范圍：半徑≤15m半球空間；工作溫度：-25～+105℃；防水防塵標準IP65耐腐蝕性PH≥4；安裝方式：螺紋連接。

（2）監測系統—16～48路輸入通道；PiV866CPU+256M內存+80G硬盤+3.5寸軟驅；工業級專用電源及開關電源；32位隔離高速A/D卡，采樣頻率100 kHz；歷史追憶時間：12個月。

5 實現的功能

（1）爐管泄漏早期報警；實時顯示爐管泄漏區域位置。

（2）跟蹤泄漏發展趨勢；顯示泄漏頻譜；記錄泄漏歷史趨勢。

（3）實時監聽爐內噪聲；輔助監視吹灰器運行工況。

（4）系統自檢測試；傳導管堵灰判別。

（5）傳導管具備機械、電動及汽源吹掃清灰方式之一。

6 結束語

陽城電廠安裝了鍋爐爐管泄漏自動報警裝置以后，能夠及時發現鍋爐泄漏點，大大提高了鍋爐的安全性。