基于紅外光譜法研究電廠蒸汽泄漏的監測

保定供電公司 張 碩 萬捷木思 張英杰

引言

在利用熱能的生產系統中，大量使用著壓力容器、壓力管道和其它承壓部件，特別是大型發電設備的蒸汽溫度、壓力都很高，承壓設備所用的金屬材質必須和所輸運蒸汽的溫度、壓力相匹配，并且要求焊接良好，才能保證安全運行。

我國利用高溫、高壓蒸汽的生產企業越來越多，作為安全生產的必要環節之一，對水蒸汽管道的定期檢修以及對水蒸汽泄露的預防與監測越來越重要，設備運行過程中，制造管道和容器的材料長期受到沖刷、磨損和腐蝕等因素的影響，會減薄而降低強度，金屬高溫高壓設備還可能會受溫度急劇變化而產生裂紋；這些微小的裂紋積累下來會發展成嚴重缺陷，形成安全隱患。為了實時監測高溫、高壓管道的運行工況，及時發現設備缺陷，本文提出了一種采用紅外光譜監測管道蒸汽泄漏裝置，實現對水蒸汽泄漏的監測，確保生產安全。

1 技術原理

1.1 紅外光譜監測

高溫、高壓蒸汽管道的損壞，主要由管道承受的溫度和應力超限產生，而紅外光對這種溫度和應力的變化極其敏感，使得紅外光譜技術在工業過程控制、環境等領域得到應用。紅外光譜一句波段分為近紅外光譜和中紅外光譜。近紅外波段工作在0.78—2.6μm的近紅外區，中紅外波段工作在3—13μm的“指紋區”，是氣體分子基帶吸收。隨著紅外激光技術的發展和新型中紅外相干光源技術的發展，在中紅外波段進行氣體分子的超高靈敏檢測技術也有了進步。

將一束不同波長的紅外射線照射到監測對象上，某些特定波長的紅外射線會被監測對象的物質分子吸收，形成這一物質自己獨特的紅外吸收光譜，采用與標準化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定。以波長或波數為橫坐標，以強度或其它隨波長變化的性質為縱坐標所得到反應紅外射線與物質相互作用的光譜圖譜稱為紅外光譜。物質的紅外發射光譜主要決定于物質的溫度和化學組成；對被物質所吸收的紅外射線進行分光，可得到紅外吸收光譜。監測管道發生蒸汽泄漏，水蒸氣在不同壓力下的紅外光譜在不同峰位的峰強度變化差異很大，說明測量對象發生變化。紅外光譜分析特性強，尤為對氣體敏感，并具有用量少、分析速度快、不破壞監測對象的特點，易于實現儀器的小型化。

1.2 信息收發模塊

現代監測技術的基礎是數據采集，如何將現場監測數據準確快速送入計算機處理，是快速定位故障點的前提。隨著通信事業的發展，我國已建成覆蓋全國的GSM數字蜂窩移動通信網，GSM中重要發展的GPRS網絡也已經投入使用，所以，本文提出了在整個監測系統中加入信息收發模塊，將監測數據通過GPRS網絡遠程回傳至手機或PC終端，使得系統更加靈活，并且降低成本。

在現場，將實時監測設備采集到的因蒸汽泄漏導致的溫度變化信號，進行A/D轉換，變成數字化信號，利用單片機進行遠程GPRS傳送至信息收發模塊。信息收發模塊對終端的發送方式、數據格式、接收終端進行遠端控制，從手機或PC上直接反應采集到的監測信息。

2 裝置介紹

對高溫、高壓管道采取主動測量的方式，利用紅外光譜法監測，隨時掌握管道的運行狀況，防止因設備的老化等缺陷引發故障的擴大，確保安全生產。

本文設計了一種新型監測裝置，由紅外激光發射盒、實時監測設備、移動式監控平臺三部分組合構成，如圖1-5所示。

圖1 紅外光譜監測蒸汽泄漏裝置結構框圖

圖2 紅外光譜監測蒸汽泄漏裝置激光發射、接收和校準示意圖

圖3 紅外激光發射盒部件結構框圖

圖4 紅外激光發射盒 殼體示意圖

圖5 實時監測設備 殼體示意圖

在圖中，1實時監測設備、2移動式監測平臺、3蒸汽管道、4紅外激光發射盒、5紅外激光接收模塊、6中央處理器模塊、7顯示模塊、8信息收發模塊、9電源、10PC機、11手機、12可視紅光、13不可視紅外激光、14電源、15紅外激光發射模塊、16半導體激光器；17不可視紅外激光發射窗口、18可視紅光發射窗口、19紅外激光發射盒殼體；20不可視紅外激光接收窗口、21可視紅光接收窗口、22實時監測設備殼體。

裝置的紅外激光發射盒（4）安裝在被檢測蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道對應的另一端部安裝實時監測設備（1），在紅外激光發射盒（4）內，安裝有一個紅外激光發射模塊（15），一個發射可見激光的半導體激光器（16）；所述實時監測設備（1）的部件及連接關系為：紅外激光接收模塊（5）與中央處理器模塊（6）相接并傳送監測信號，顯示模塊（7）與中央處理器模塊（6）相接，同時顯示監測到的處理信號，信息收發模塊（8）與中央處理器模塊（6）相接，并將收到的監測信號通過GPRS網絡發送到互聯網，裝置的電源（9）與中央處理器模塊（6）相接；移動式監測平臺（2）安裝在遠端監控室，移動式監控平臺（2）接收信息收發模塊（8）發送到互聯網的信號數據，并在終端PC機（10）或手機（11）上實時顯示。

紅外激光發射盒（4）和實時監測設備（1）都有非金屬殼體，在殼體的一側各開有兩個方孔和兩個圓孔，在殼體的底部裝有與金屬管道固定的強磁磁鐵。

3 實施方案

由圖1和圖2可見，監測裝置由紅外激光發射盒（4）、實時監測設備（1）、移動式監測平臺（2）三個部分組合構成，裝置的每一個部分各成一體并安裝在不同地方，裝置的紅外激光發射盒（4）安裝在被檢測蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道（3）對應的另一端部安裝實時監測設備（1），移動式監測平臺（2）置于遠方監控室內；移動式監控平臺（2）接收信息收發器模塊（8）發送到互聯網的信號數據，并在終端PC機（10）或手機（11）上實時顯示現場工況。

裝置實時監測設備（1）的部件及連接關系為：紅外激光接收模塊（5）與中央處理器模塊（6）相接并傳送監測信號，顯示模塊（7）與中央處理器模塊（6）相接，同時顯示監測到的處理信號，信息收發模塊（8）與中央處理器模塊（6）相接，并將收到的監測信號通過GPRS網絡發送到互聯網，裝置的電源（9）與中央處理器模塊（6）相接；裝置的中央處理器模塊（6）可選用ARM控制核心 MK60DN512型模塊，顯示模塊（7）可選用RH320240，信息收發器模塊（8）可選用TC35型模塊；電源（9）選擇為：當安裝區域有220V電源時，可采用外接電源方式，也可采用高能電池供電，當電量低于20%時，中央處理器模塊（6）控制信息收發器模塊（8）可向實時監控平臺發出電量不足提醒短信。

由圖3可見，在紅外激光發射盒（4）內，安裝有一個紅外激光發射模塊（15），一個發射可見激光的半導體激光器（16），工作電源（14）分別與兩個模塊相接，工作電源（14）可選用高能電池，利用可見激光的半導體激光器（16）發射的可見光（12）來準確調整紅外激光接收模塊（5）的安裝位置，紅外激光發射模塊（15）可選用中紅外波段的FU850AD5-C9不可見光激光頭點光源 ，可見激光的半導體激光器（16）可選用輸出波長為635（nm）激光模組635NM紅光20mw點模組HL-635-20PD-1030。

由圖4和圖5可見，紅外激光發射盒（4）和實時監測設備（1）都有非金屬殼體，在殼體上，與半導體激光器（16）和紅外激光發射模塊（15）相對應部位開有對外發射激光的方孔（17）、（18），紅外激光接收模塊（5）的相應位置開有方便接收激光的圓孔（20）、（21）。

紅外激光發射盒（4）和實時監測設備（1）的殼體的底部設有與金屬管道吸合固定用的強磁鐵，優選釹鐵硼永磁體，也可采用3M強力膠固定在實時監測的管道上。

4 結論

1)采用在線監測主動測量的方式。收集管道的實時數據，采集蒸汽的實際變化情況，呈現為紅外光譜變化反應出來。

2)基于GPRS的無線數據采集與傳輸系統回傳測量結果，通過現有的GPRS網絡來進行遠程監測數據的實時采集、顯示和處理，存儲數據的同時方便實時判斷和處理。

3)裝置能指示蒸汽泄漏的管道部位，定量給出泄漏量，可減少外破檢測，有利于加強對運行的管道監管力度，從而最大限度增加管道的壽命。

[1]張杰,胡世安,龍子業.基于GPRS的無線數據傳輸系統及其應用探討[J].電子測量與儀器學報,2009,34(18).

[2]王有恒.火電廠主蒸汽管道壽命的在線監測和實時估算[J].中國電力,2001,22(10).

[3]闕瑞峰,劉文清,張玉鈞,等.可調諧半導體激光吸收光譜法測量環境空氣重的甲烷含量[J].物理學報,2005(4).