楊柳青熱電鍋爐爐管泄漏監測系統應用分析

趙娜

(天津華能楊柳青熱電有限責任公司，天津 300380)

0 引言

火電廠鍋爐管道內傳送的介質一般為高溫、高壓流體，在機組運行過程中，管道承受各種輻射換熱和對流換熱，工作環境極其惡劣。爐管泄漏常常會導致機組非計劃性停運，是影響發電機組可用率的關鍵。爐管泄漏的特點是具有隱蔽性，且早期發展緩慢，不會造成破壞，持續時間為數日或數周；但當泄漏發展到中期或末期則會具有嚴重的破壞性，微小的泄漏即會破壞相連的其他管道，若發現不及時則會危及整個爐內管道。這就需要在爐管泄漏的早期及時檢測到泄漏點，避免損失擴大。

傳統檢測鍋爐爐管泄漏的方法是工作人員在運行現場巡視監聽，或通過負荷變化、補給水量變化、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度等參數指示的異常進行分析判斷[1-2]。但是由于大型鍋爐管道數量極多且分布復雜，加上管道內氣體流動、火焰燃燒等，傳統方法已經很難發現爐管早期泄漏，即使發現也存在較大的滯后。

爐管泄漏檢測技術的基本原理是通過傳感器對管道泄漏所產生的噪聲進行采集，通過對噪聲強度和頻率的分析來區別泄漏噪聲源與背景噪聲源。基于該原理的鍋爐爐管監測系統能夠實時監測爐管泄漏情況，長期持續地對所有受熱面管道進行監測，通過對監測到的噪聲信號進行頻譜分析來判斷泄漏位置和泄漏程度，確保運行人員能夠及時發現泄漏情況并采取有效措施，避免由于發現不及時導致的經濟損失，縮短搶修時間，以達到實現狀態檢修的目的。

近年來，由于火電廠鍋爐爐管泄漏所導致的事故已嚴重影響機組安全、經濟運行，因此，對鍋爐爐管泄漏進行早期監測具有重要意義。

1 機組概況

天津華能楊柳青熱電有限責任公司(以下簡稱楊柳青熱電)三期安裝2臺300 MW燃煤發電機組。鍋爐是BLK-1025型亞臨界、液態排渣、一次中間再熱、帶100%飛灰復燃裝置、雙燃燒室、本生式直流鍋爐。2臺機組均未安裝任何有效監視爐膛爐管泄漏的報警裝置。2017年，楊柳青熱電利用臨修機會在2臺機組上加裝了GEEBLA型鍋爐爐管泄漏監測裝置。

2 爐管泄漏原因分析

爐管泄漏的原因主要包括磨損、過熱超溫、腐蝕疲勞、焊接質量問題、吹灰效果不理想以及運行環境影響等。

2.1 磨損

由磨損導致的泄漏主要存在于省煤器、低溫過熱器、低溫再熱器的尾部，它們的共同點是煙溫較低。燃燒器噴火嘴附近的水冷壁彎頭附近同樣是泄漏多發點。磨損多由飛灰沖刷造成，尤其是當燃煤中摻燒了劣質煤種后，飛灰中未燃盡的燃料顆粒會嚴重沖擊爐管內壁。若煙氣中含有腐蝕性成分，內壁磨損則會加劇。

2.2 過熱超溫

過熱現象常常是由于燃燒方式不當致使燃燒器噴燃嘴直接加熱管壁受熱面，或管內汽水循環變差等導致的管內局部溫度過高，多發于過熱器和再熱器管壁。當局部溫度大于管材的臨界溫度時，管材強度將會迅速下降，極易導致爆管。

2.3 腐蝕疲勞

鍋爐低溫部位省煤器和再熱器產生的煙氣進行熱交換，普遍會遇到露點腐蝕[3]。露點腐蝕常發于空氣預熱器(以下簡稱空預器)、省煤器等受熱面，當管壁受到腐蝕而變薄甚至穿孔時，就會因為不能承受蒸汽壓力而爆管。同時，脫鹽水的pH值一般控制在9，如果水質pH值偏低，即H+含量增大，因H+是典型的陰極去極化劑，也會使鋼鐵產生析氫腐蝕。

2.4 焊接質量問題

氣孔、裂紋、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透都會導致焊接部位產生殘余應力而降低焊接接頭的力學性能，為鍋爐爆管帶來隱患。

2.5 吹灰效果不理想

吹灰不及時或吹灰效果不好都會導致管壁積灰。積灰中常存在催化劑等成分，這些成分附著在管壁上可能會導致露點腐蝕。

2.6 運行環境影響

機組啟停過程中，升降負荷率過快及火焰中心調整不當，也會加重爐管和焊縫的疲勞程度，導致其力學性能下降，增加爆管幾率。

3 爐管泄漏監測系統組成及原理

3.1 系統組成

鍋爐爐管泄漏監測系統包括信號采集系統、信號處理監視系統和除灰系統，由聲波傳導管和增強型聲波傳感器組成的信號采集系統對噪聲和泄漏信號進行采集，再由信號處理監視系統進行判斷和處理，最后將處理后的信號傳至分散控制系統(DCS)和廠級監控信息系統(SIS)。其系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成示意

3.1.1 信號采集系統

信號采集系統由聲波傳導管和增強型聲波傳感器組成，安裝于鍋爐本體上。采集過程中，噪聲信號首先通過聲波傳導管，然后由增強型聲波傳感器進行采集，并進行聲電轉換。

(1)聲波傳導管。聲波傳導管以一定的角度安裝于鍋爐外壁，為噪聲信號提供傳輸通道，對噪聲信號進行采集。它由金屬導管、維護球閥、45°三通、傳感器接口、堵頭及氣源接口組成。機組運行過程中需要對聲波傳導管進行定期吹灰，防止管內積灰。聲波傳導管示意圖如圖2所示。

圖2 聲波傳導管示意

(2)增強型聲波傳感器。增強型聲波傳感器的功能是采集聲波導管傳來的噪聲信號，它位于聲波傳導管的末尾，將噪聲的強度和頻譜轉化為電流信號傳至電子間的信號處理機柜，它囊括了信號放大、信號濾波、聲頻采集和自檢等多種功能。本次選用的增強型一體化聲波傳感器自帶前置放大器，且其內部設有清灰裝置，防護等級高達IP65，不會由于進水、腐蝕等而影響其正常功能。增強型數字聲波傳感器示意圖如圖3所示。

圖3 增強型數字傳感器示意

3.1.2 信號處理監視系統

信號處理監視系統包括中心處理單元和顯示報警單元，每臺鍋爐各1套，控制機柜安裝在6機組電子間。該機柜內包含電源、接線端子排、主機、顯示器等。

中心處理單元又由監聽采樣卡、高性能數據采集卡、開關量輸入繼電器輸出卡和顯示報警單元組成。

(1)監聽采樣卡。監聽采樣卡的功能是將聲波傳感器傳送來的電流信號轉換成電壓信號送至高性能數據采集卡。再將電壓信號轉換成聲頻信號實現對爐內噪音的監聽。

(2)高性能數據采集卡。高性能數據采集卡將監聽采樣卡傳來的信號模數轉換后進行快速傅里葉變換，對實時頻譜進行顯示。系統內存有爐管泄漏時的特定頻譜，通過與之對比即能對泄漏情況進行判斷并報警。

(3)開關量輸入繼電器輸出卡。開關量輸入繼電器輸出卡能夠實現泄漏報警、傳感器自檢、吹灰抑制以及對清灰電磁閥進行控制等功能。

3.1.3 除灰系統

除灰系統可以實現在聲波導管堵灰時的自動除灰，避免了由于堵灰而檢測不到爐管泄漏的情況。每一路聲波導管均配置了除灰系統，除灰氣源為廠內的主壓縮空氣氣源。除灰功能通過控制電磁閥的導通來實現，一般情況下，每4～8個測點配備1個電磁閥。

3.2 爐管泄漏聲學原理

鍋爐在正常運行情況下，燃料燃燒、煙氣流動、灰粒無規則撞擊爐膛內壁、吹灰器投入等因素等都會在鍋爐內部產生較強的噪聲，這種聲音基本上都是低頻噪聲，而當鍋爐爐管發生泄漏時，噪聲頻譜結構中會有高頻噪聲信號成分存在。泄漏噪聲頻率會隨著泄漏截面的擴大而減小，泄漏噪聲強度則會隨著泄漏界面的擴大而增強，通過對增強型聲波傳感器采集信號的快速傅里葉變換結果進行頻譜分析，即可根據頻譜的分布情況對爐管的泄漏情況進行判斷。

4 爐管泄漏監測系統的應用

4.1 安裝情況

傳感器的數量和安裝位置是根據鍋爐形式、出力大小以及系統的不同需求進行選擇和確定的。楊柳青熱電#5，#6鍋爐各安裝爐管泄漏裝置取樣探頭28個，沿鍋爐四周均勻安裝，分別布置于鍋爐2層、4層、6層、7層、9層半、11層、13層。安裝時將該位置處保溫打開，與機務確定鰭片開口處，使用角磨機或氣焊在鰭片上開口，開口完畢后機務人員驗收檢查是否對主管材有損傷，并在驗收無損傷后進行取樣探頭焊接工作。焊接完畢，機務人員再次檢查焊接工作是否對主管材有損傷，檢查無問題后恢復保溫。

4.2 運行情況

楊柳青熱電爐管泄漏監測自動報警裝置于2017年10月23日#5，#6鍋爐臨修時組織安裝施工，2017年12月21日鍋爐點火穩定運行后靜態調試完畢，48 h熱態調試運行后交付楊柳青熱電作為監測設備投入正常使用。熱態調試的重點是對泄漏值和堵灰值進行設定。泄漏值的設定關系到系統運行的準確性，設定過低會加重誤報的風險，設定過高則可能導致漏報，因此，泄漏值的設定需要根據機組的實際運行情況來進行。經過調試，楊柳青熱電將1～4通道的泄漏值設定為40(位于鍋爐2層)，將5～28通道的泄漏值設定為25(位于鍋爐4層、6層、7層、9層半、11層、13層)。另外，堵灰值的設定也會對日后聲波導管堵灰情況的判定造成影響。堵灰值由檢修人員分別依據各通道平均值(能量值連續10次的平均)進行設定。

4.3 實現功能

4.3.1 爐管泄漏實時監測和早期報警

他的研究團隊在試驗田收獲了所謂的“訓練種群”：500棵被選單株可反映一個總數為2500棵的種群（它們的基因組測序已經完成）。通過遺傳數據與實際表型特征結合起來，安德森可以更好地預測哪些植物將有最好的抗病能力，以及哪些遺傳序列會賦予這種表型特征。

自爐管產生細微的沙眼和裂紋開始，檢測裝置即可根據泄漏情況逐級報警。圖4為全部測點的實時信號顯示，縱坐標中50%的位置為泄漏報警的報警紅線，當任意通道的實時棒狀圖超過報警紅線時，棒狀圖變為紅色，提示該通道超出泄漏報警范圍；當棒狀圖高度位于40%～50%之間時，顯示黃色，提示通道異常。鍋爐吹灰會屏蔽泄漏報警信號，但各通道的信號均能正常地采集和顯示，杜絕了因吹灰而導致的誤報，同時也可對吹灰器的工作狀態進行監視。

4.3.2 判定泄漏區域位置

圖5為機組泄漏狀態及測點分布圖，泄漏程度可由圖中測點顏色來表示。通過泄漏點附近的測點顏色和先后報警順序可以將泄漏區域鎖定在較小的范圍內。

4.3.3 顯示泄漏聲音頻譜

選擇“實時頻譜”可查看該通道的頻譜分布，顯示頻段為1～15 kHz。通過對頻譜進行分析來區分泄漏噪聲、吹灰噪聲和環境噪聲等。

4.3.4 跟蹤泄漏趨勢

可根據各通道的泄漏趨勢分析爐管泄漏的情況。系統數據庫可存儲大量歷史數據，記錄時長為1年以上。

4.3.5 實時監聽爐內噪聲

通過“監聽”按鍵選擇相應通道對爐內聲音進行監聽，可根據需要進行錄音。

4.3.6 與DCS通信

該系統通過硬線連接實現與DCS之間的通信，并在上位機畫面進行顯示。

4.3.7 系統自檢測試

通過自檢測試功能判斷各通道運行是否正常。

圖4 實時能量棒圖

圖5 泄漏狀態及測點分布圖

4.3.8 波導管堵灰判別并自動清灰

實時監測聲波導管堵灰情況，可選擇手動和自動2種方式對其進行清灰。自動方式下需根據具體工況設定時間間隔。聲波導管具有堵灰報警功能，提示運行人員對嚴重的堵灰情況進行人工清灰。

4.3.9 其他功能

系統失電時，清灰機構能夠迅速保位，用來控制壓縮空氣的清灰電磁閥也能夠自動復位。

4.4 鍋爐爐管泄漏檢測裝置的關鍵技術

4.4.1 選擇高質量傳感器并正確設置靈敏度

爐管泄漏檢測裝置的傳感器安裝于鍋爐本體，高溫、寒冷、日曬雨淋等惡劣的現場環境極易使得其內部敏感元件受到腐蝕。為了保證測量的準確性，應該對傳感器的型號進行正確選取。本次選用的增強型聲波傳感器靈敏度高達25 mV/Pa，可檢測范圍為半徑 4～12 m半球空間，能夠在-60～+300 ℃的溫度范圍內連續運行30 000 h以上。

4.4.2 系統整體可靠性

系統的整體可靠性取決于系統結構的規范性，規范的結構會使得設備的維護更加便捷，使設備的故障率大大降低。本廠采用的爐管泄漏監測系統具有規范的體系結構，杜絕了容易發生故障的中間環節，由就地探頭直接進入電子間監控機柜內，更加便于調試和維護。

4.4.3 正確安裝探頭并做好隔離

探頭的安裝位置和安裝方式會極大地影響泄漏事件判定的準確性。安裝位置不當會導致泄漏事件漏報或誤報，安裝時不注意對傳感器的信號電纜進行屏蔽也會造成信號干擾，給系統檢測的準確性帶來影響。

5 結論

爐管泄漏監測系統的應用能夠實時監測爐膛內管路運行情況，避免了傳統檢測方法造成的誤聽、漏報現象，為保障機組的安全、經濟運行提供了必要的保證。同時，能夠在監測畫面中實時監視吹灰器的投入和運行工況，極大地減少了因吹灰器故障所導致的受熱面管道損壞，提高了設備的運行性能和可維護性。