基于紅外光譜法研究電廠蒸汽泄漏的監(jiān)測(cè)

保定供電公司 張 碩 萬(wàn)捷木思 張英杰

引言

在利用熱能的生產(chǎn)系統(tǒng)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(fā)電設(shè)備的蒸汽溫度、壓力都很高，承壓設(shè)備所用的金屬材質(zhì)必須和所輸運(yùn)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(yùn)行。

我國(guó)利用高溫、高壓蒸汽的生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越多，作為安全生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)之一，對(duì)水蒸汽管道的定期檢修以及對(duì)水蒸汽泄露的預(yù)防與監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，制造管道和容器的材料長(zhǎng)期受到?jīng)_刷、磨損和腐蝕等因素的影響，會(huì)減薄而降低強(qiáng)度，金屬高溫高壓設(shè)備還可能會(huì)受溫度急劇變化而產(chǎn)生裂紋；這些微小的裂紋積累下來(lái)會(huì)發(fā)展成嚴(yán)重缺陷，形成安全隱患。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高溫、高壓管道的運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，本文提出了一種采用紅外光譜監(jiān)測(cè)管道蒸汽泄漏裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水蒸汽泄漏的監(jiān)測(cè)，確保生產(chǎn)安全。

1 技術(shù)原理

1.1 紅外光譜監(jiān)測(cè)

高溫、高壓蒸汽管道的損壞，主要由管道承受的溫度和應(yīng)力超限產(chǎn)生，而紅外光對(duì)這種溫度和應(yīng)力的變化極其敏感，使得紅外光譜技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制、環(huán)境等領(lǐng)域得到應(yīng)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(qū)，中紅外波段工作在3—13μm的“指紋區(qū)”，是氣體分子基帶吸收。隨著紅外激光技術(shù)的發(fā)展和新型中紅外相干光源技術(shù)的發(fā)展，在中紅外波段進(jìn)行氣體分子的超高靈敏檢測(cè)技術(shù)也有了進(jìn)步。

將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到監(jiān)測(cè)對(duì)象上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線會(huì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的物質(zhì)分子吸收，形成這一物質(zhì)自己獨(dú)特的紅外吸收光譜，采用與標(biāo)準(zhǔn)化合物的紅外光譜對(duì)比的方法來(lái)做分析鑒定。以波長(zhǎng)或波數(shù)為橫坐標(biāo)，以強(qiáng)度或其它隨波長(zhǎng)變化的性質(zhì)為縱坐標(biāo)所得到反應(yīng)紅外射線與物質(zhì)相互作用的光譜圖譜稱(chēng)為紅外光譜。物質(zhì)的紅外發(fā)射光譜主要決定于物質(zhì)的溫度和化學(xué)組成；對(duì)被物質(zhì)所吸收的紅外射線進(jìn)行分光，可得到紅外吸收光譜。監(jiān)測(cè)管道發(fā)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(qiáng)度變化差異很大，說(shuō)明測(cè)量對(duì)象發(fā)生變化。紅外光譜分析特性強(qiáng)，尤為對(duì)氣體敏感，并具有用量少、分析速度快、不破壞監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)儀器的小型化。

1.2 信息收發(fā)模塊

現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集，如何將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速送入計(jì)算機(jī)處理，是快速定位故障點(diǎn)的前提。隨著通信事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已建成覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，GSM中重要發(fā)展的GPRS網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)投入使用，所以，本文提出了在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中加入信息收發(fā)模塊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程回傳至手機(jī)或PC終端，使得系統(tǒng)更加靈活，并且降低成本。

在現(xiàn)場(chǎng)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的因蒸汽泄漏導(dǎo)致的溫度變化信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字化信號(hào)，利用單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程GPRS傳送至信息收發(fā)模塊。信息收發(fā)模塊對(duì)終端的發(fā)送方式、數(shù)據(jù)格式、接收終端進(jìn)行遠(yuǎn)端控制，從手機(jī)或PC上直接反應(yīng)采集到的監(jiān)測(cè)信息。

2 裝置介紹

對(duì)高溫、高壓管道采取主動(dòng)測(cè)量的方式，利用紅外光譜法監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握管道的運(yùn)行狀況，防止因設(shè)備的老化等缺陷引發(fā)故障的擴(kuò)大，確保安全生產(chǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種新型監(jiān)測(cè)裝置，由紅外激光發(fā)射盒、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)式監(jiān)控平臺(tái)三部分組合構(gòu)成，如圖1-5所示。

圖1 紅外光譜監(jiān)測(cè)蒸汽泄漏裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖2 紅外光譜監(jiān)測(cè)蒸汽泄漏裝置激光發(fā)射、接收和校準(zhǔn)示意圖

圖3 紅外激光發(fā)射盒部件結(jié)構(gòu)框圖

圖4 紅外激光發(fā)射盒 殼體示意圖

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備 殼體示意圖

在圖中，1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備、2移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)、3蒸汽管道、4紅外激光發(fā)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(fā)模塊、9電源、10PC機(jī)、11手機(jī)、12可視紅光、13不可視紅外激光、14電源、15紅外激光發(fā)射模塊、16半導(dǎo)體激光器；17不可視紅外激光發(fā)射窗口、18可視紅光發(fā)射窗口、19紅外激光發(fā)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備殼體。

裝置的紅外激光發(fā)射盒（4）安裝在被檢測(cè)蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道對(duì)應(yīng)的另一端部安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1），在紅外激光發(fā)射盒（4）內(nèi)，安裝有一個(gè)紅外激光發(fā)射模塊（15），一個(gè)發(fā)射可見(jiàn)激光的半導(dǎo)體激光器（16）；所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）的部件及連接關(guān)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(jiān)測(cè)信號(hào)，顯示模塊（7）與中央處理器模塊（6）相接，同時(shí)顯示監(jiān)測(cè)到的處理信號(hào)，信息收發(fā)模塊（8）與中央處理器模塊（6）相接，并將收到的監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，裝置的電源（9）與中央處理器模塊（6）相接；移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)（2）安裝在遠(yuǎn)端監(jiān)控室，移動(dòng)式監(jiān)控平臺(tái)（2）接收信息收發(fā)模塊（8）發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的信號(hào)數(shù)據(jù)，并在終端PC機(jī)（10）或手機(jī)（11）上實(shí)時(shí)顯示。

紅外激光發(fā)射盒（4）和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）都有非金屬殼體，在殼體的一側(cè)各開(kāi)有兩個(gè)方孔和兩個(gè)圓孔，在殼體的底部裝有與金屬管道固定的強(qiáng)磁磁鐵。

3 實(shí)施方案

由圖1和圖2可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)裝置由紅外激光發(fā)射盒（4）、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）、移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)（2）三個(gè)部分組合構(gòu)成，裝置的每一個(gè)部分各成一體并安裝在不同地方，裝置的紅外激光發(fā)射盒（4）安裝在被檢測(cè)蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道（3）對(duì)應(yīng)的另一端部安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1），移動(dòng)式監(jiān)測(cè)平臺(tái)（2）置于遠(yuǎn)方監(jiān)控室內(nèi)；移動(dòng)式監(jiān)控平臺(tái)（2）接收信息收發(fā)器模塊（8）發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的信號(hào)數(shù)據(jù)，并在終端PC機(jī)（10）或手機(jī)（11）上實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)工況。

裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）的部件及連接關(guān)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(jiān)測(cè)信號(hào)，顯示模塊（7）與中央處理器模塊（6）相接，同時(shí)顯示監(jiān)測(cè)到的處理信號(hào)，信息收發(fā)模塊（8）與中央處理器模塊（6）相接，并將收到的監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，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(fā)器模塊（8）可選用TC35型模塊；電源（9）選擇為：當(dāng)安裝區(qū)域有220V電源時(shí)，可采用外接電源方式，也可采用高能電池供電，當(dāng)電量低于20%時(shí)，中央處理器模塊（6）控制信息收發(fā)器模塊（8）可向?qū)崟r(shí)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出電量不足提醒短信。

由圖3可見(jiàn)，在紅外激光發(fā)射盒（4）內(nèi)，安裝有一個(gè)紅外激光發(fā)射模塊（15），一個(gè)發(fā)射可見(jiàn)激光的半導(dǎo)體激光器（16），工作電源（14）分別與兩個(gè)模塊相接，工作電源（14）可選用高能電池，利用可見(jiàn)激光的半導(dǎo)體激光器（16）發(fā)射的可見(jiàn)光（12）來(lái)準(zhǔn)確調(diào)整紅外激光接收模塊（5）的安裝位置，紅外激光發(fā)射模塊（15）可選用中紅外波段的FU850AD5-C9不可見(jiàn)光激光頭點(diǎn)光源 ，可見(jiàn)激光的半導(dǎo)體激光器（16）可選用輸出波長(zhǎng)為635（nm）激光模組635NM紅光20mw點(diǎn)模組HL-635-20PD-1030。

由圖4和圖5可見(jiàn)，紅外激光發(fā)射盒（4）和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）都有非金屬殼體，在殼體上，與半導(dǎo)體激光器（16）和紅外激光發(fā)射模塊（15）相對(duì)應(yīng)部位開(kāi)有對(duì)外發(fā)射激光的方孔（17）、（18），紅外激光接收模塊（5）的相應(yīng)位置開(kāi)有方便接收激光的圓孔（20）、（21）。

紅外激光發(fā)射盒（4）和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（1）的殼體的底部設(shè)有與金屬管道吸合固定用的強(qiáng)磁鐵，優(yōu)選釹鐵硼永磁體，也可采用3M強(qiáng)力膠固定在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的管道上。

4 結(jié)論

1)采用在線監(jiān)測(cè)主動(dòng)測(cè)量的方式。收集管道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采集蒸汽的實(shí)際變化情況，呈現(xiàn)為紅外光譜變化反應(yīng)出來(lái)。

2)基于GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)回傳測(cè)量結(jié)果，通過(guò)現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和處理，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)方便實(shí)時(shí)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(cè)，有利于加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行的管道監(jiān)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(yè).基于GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用探討[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009,34(18).

[2]王有恒.火電廠主蒸汽管道壽命的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)估算[J].中國(guó)電力,2001,22(10).

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