火力發電廠高溫蒸汽管道在線監測技術研究與應用

馮亦武 ,楊昆山 ,景剛呈

(1.華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030； 2.華電(北京)熱電有限公司，北京 100039)

0 引 言

對于火力發電廠高溫蒸汽管道系統而言，隨著運行時間的增加，管道設計、制造、安裝及運行管理中的問題逐漸暴露出來，特別是對于運行時間長的老舊機組來說，管道安全問題更為突出，一旦發生爆漏事故，后果不堪設想[1]。近年來機組頻繁調峰，運行工況多變對高溫蒸汽管道系統可靠性也提出更加嚴格的要求。

如果管道系統沒有安裝在線監測系統，運行人員對管道振動與受力、支吊架受力與位移等狀況不了解，無法對管道及部件失效風險及時進行評估，安全隱患大，一旦發生事故會帶來極大的經濟損失。因此，對于火力發電廠高溫蒸汽管道進行狀態監測意義重大。

火力發電廠高溫蒸汽管道在線監測技術，主要包含數據采集、數據處理、溫度補償及人工組橋三大部分。該領域研究的是包含金屬材料、電站熱力系統、熱工控制系統以及計算機信息處理技術的多學科綜合技術體系，需要掌握各專業的理論基礎，清楚各自在系統中的作用，明確在系統分析中的邏輯關系，最終做出科學合理的風險評估與預測，指導運行與檢修[2-3]。

1 在線監測技術分析

1.1 監測系統硬件方案

火力發電廠高溫蒸汽管道在線監測，是在管道上關鍵位置布置適當的加速度傳感器、位移傳感器、力傳感器等，進行管道振動、位移與受力等參數的實時采集，評估管系力的分布及管道風險狀態。該監測系統硬件包括管道外壁溫度傳感器、管道X向應變傳感器、Y向應變傳感器、剛性吊架應變傳感器、彈簧支吊架位移傳感器、加速度傳感器。在關鍵部位安裝傳感器后，將數字信號傳送至控制器，最終連接到全廠DCS系統(集散控制系統)，實現高溫蒸汽管道的在線監測。管道狀態在線監測系統如圖1所示。其中，力傳感器安裝于吊架上，位移傳感器安裝于滑動支架上，加速度和高溫應力傳感器安裝于管道本體上。

注：σ表示應力傳感器，T表示溫度傳感器，S表示位移傳感器，a表示加速度傳感器，p表示壓力傳感器，F表示力傳感器。

1.2 數據處理技術

由于管系狀態數據與傳感器的特性相關，也與檢測方法和安裝工藝有關，通過管道狀態監測系統采集的數據不能直接作為實際監測參數數據。因此，需對監測數據進行處理。

1)常規數據處理

常規數據處理包含去漂移、去毛刺、數據合理性判斷等。

應變片類的傳感器輸出信號具有隨時間緩慢變化的特點，首先必須進行去漂移處理。主要有兩種方式去消除漂移：一是去掉動態均值方法，把時域數據分成很多段，逐步計算每段的均值，同時減掉此均值;二是高通濾波，因漂移信號本身的周期很長，那么對應的頻率是很低的，濾波時設置低通濾波即可。

其次是去毛刺。因為傳感器信號受到干擾后會將噪聲引入真實的通道信號里，監測數據會出現很多細長的尖峰即毛刺信號，毛刺信號的斜率很高，可通過程序識別高斜率的方式，將其刪掉。

最后是進行合理性判斷。金屬管材有1個彈性系數即楊式模量，監測到的應變數據直接乘以彈性系數得到應力值，然后將計算得到的應力極值和材料的屈服極限進行比較，如果是嚴重偏離合理范圍，且系統處于冷態或安全運行狀態，可認為是數據壞點，提醒并剔除[4]。

2)熱輸出修正

實際測得的應變為機械載荷與熱應力共同作用的結果，同時應變片本身也會由于溫度的變化引起熱輸出偏差，因此在在線監測前，需對同一類型的同一批次的應變片進行熱輸出測定，將工作環境溫度下的熱輸出值作為1個修正值，修正傳感器實際檢測結果[5]。

3)靈敏度系數與彈性模量修正

應變片的靈敏度系數是隨溫度變化的，因此，對應變片在不同溫度下的靈敏系數變化引起的誤差必須進行修正。另外，金屬部件材料的彈性模量隨溫度的升高會逐漸降低，具體數據可在相應的手冊中查詢[6]。這兩類修正往往被忽略，造成應變片檢測結果準確性大打折扣，使得應變片給人一種測量結果不準確、不可信的誤覺。

1.3 溫度補償及人工組橋技術

電阻應變片在不同溫度下電阻值不同，如果不采用補償技術，測得結果將大大偏離實際值，因此應變片須為帶溫度自補償的復合應變片[7]。考慮到導線電阻對橋路的影響，每一個應變片均應采用三線制應變片，使得初始橋路平衡。單個應變片接線原理如圖2所示。

圖2 三線制應變片接線圖

人工組橋技術，即是將每一個應變片與應力測試儀作為1個獨立測量單元，得到視應變，然后將3個不同位置的應變片的視應變列為一組，虛擬為1個全橋電路，采取人工計算組橋方式，進行應力分析，可計算出管道軸向力N[8-10]。

具體計算式如下：

ε1=-εM+εN+εt

ε2=-μεN+εt

ε3=εM+εN+εt

εdsn=ε1+ε3-2ε2

式中：ε1為管道正下方應變，量綱1；ε2、ε4為管道頂部周向應變，量綱1；ε3為管道正上方應變，量綱1；εM為彎矩引起的應變，量綱1；εN為軸向力引起的應變，量綱1；εt為溫度引起的應變，量綱1；μ為泊松比，量綱1；εdsn為軸向力綜合應變，量綱1；N為管道所受軸向力，N；E為彈性模量，MPa。

2 技術應用

某火電廠2號機組為254 MW燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組,機組型號為1×1SGT5-2000E(V94.2)，采用的是SGT5-2000E(V94.2)型燃機、Q1976/543.8-242(52.9)-8(0.69)/521(213)型余熱鍋爐。供熱改造后，主蒸汽管道運行工況發生了變化，并且機組頻繁參與調峰，機組運行工況相對于設計工況偏離較大，且支吊架異常數量較多。因此，需要對該廠機組進行主蒸汽管道狀態的在線監測與風險評估。

該電廠主蒸汽管道及支吊架布置圖如圖3所示。

圖3 主蒸汽管道布置圖

根據管道在線監測技術，該項目改造方案如下。

1) 拉力傳感器12只，型號為FSA-35KN，最大許用應力50 kN，帶2 m四芯屏蔽電纜，工作環境-10～55 ℃。

2) 位移傳感器4只。CDS05型號2只，測量范圍小于等于127 mm，工作環境-40～200 ℃；CDS10型號2只，測量范圍小于等于254 mm，工作環境-40～200 ℃。

3) 加速度傳感器2只，型號為786LF-250，加速度峰值20 g。

4) 高溫應變片8片，帶溫度補償和橋式適配器的高溫應變傳感器，型號為KHCS-10-120-G12-11 C2MFV,工作環境-196～750 ℃。

穩態下測量取值，期間燃機功率為166.32 MW，汽輪機功率為81.55 MW,主蒸汽壓力7.62 MPa,主蒸汽溫度為523.9 ℃，機組為純凝基本負荷工況。

根據長時間監測，穩態時載荷及位移數值均較設計值偏大，管系振動值未超標。監測結果見表1和表2。

表1 試驗工況下拉力測量值Table 1 Stress measurement value under test condition

表2 試驗工況下位移測量值Table 2 Displacement measurement value under test condition

通過監測數據發現201、221實際載荷偏大，206實際載荷偏小，位移值均偏小，振動符合要求。針對載荷偏差的狀況，經現場檢查，整改后載荷數據符合要求，具體措施如下。

1)高壓主汽管道201立管雙彈簧吊架左側吊架吊桿與鋼梁內壁干涉。調整方案：動火更換吊點橫梁，增大槽鋼間距，滿足管道熱位移。

2)高壓主汽管道204限位支架與固定裝置脫開失效。調整方案：拆除保溫，松開管夾，向上移動600 mm，滿足熱態時限位作用。

3)高壓主汽管道206恒力吊架行程上極限。調整方案：調整花籃螺母收緊行程至行程指針指示上5%位置。

4)高壓主汽旁路管道221雙剛性吊架管部向機后偏斜。調整方案：動火拆除吊架根部，按照設計圖紙(F321S-J0502-28)的預偏裝值進行安裝焊接。

除了對振動、受力、位移、溫度和壓力等參數實時監測之外，此研究原計劃根據管材內部應力的在線監測數據，動態跟蹤表面應力值是否符合設計工況，進行管材內部應力絕對值的風險預測。應用CAESAR II軟件模擬該電廠主汽管材最大一、二次應力的變化狀況如圖4所示。

圖4 最大一、二次應力變化曲線圖

實際監測時發現，由于受應變片柵絲材料阻值溫度特性以及柵絲與管道線性膨脹系數之差的影響，傳感器溫漂大，且無法分離出有效應變值，升溫過程中的應變監測數據無法真實反映絕對應力值，不適于開展管材內部應力絕對值動態跟蹤。但是，待溫度穩定為524 ℃以后，監測數據變化的數量級比較穩定，可以利用應力實時監測數據進行趨勢分析，即進行相對值風險分析。最終試驗方案調整為，當溫度超過500 ℃后，動態監測應力的相對變化值，分析變化值曲線圖，當相對變化值超過允許極限時進行報警，從而實現管材內部應力風險的判斷。

經研究，管系支吊架受力、位移、振動、溫度、熱膨脹等可實現長期在線監測并進行風險預測，還可以采用現場監測技術進行管材內部應力安全風險評價。

3 結 語

管道狀態監測技術，核心在于研究管系受力關鍵節點，制定高溫應變、振動、位移等測量工藝以及數據處理方法。具體實施上，首先，依據管道物理參數、支吊架設計載荷、設計工況下介質參數等，建立管道計算模型，采用受力仿真技術得到設計工況下的載荷分布；其次，通過在線監測系統得到各狀態參數的實時值；最后，通過實測結果和模擬數值的對比研究，判斷管系的風險狀況。建議結合機組大小修金屬檢測數據，包括無損檢測和理化檢驗數據，綜合分析管道風險狀態，科學指導檢修，將會大大降低檢修費用，防范安全事故的發生。