火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

馮亦武 ,楊昆山 ,景剛呈

(1.華電電力科學(xué)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(duì)于火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道系統(tǒng)而言，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，管道設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行管理中的問題逐漸暴露出來，特別是對(duì)于運(yùn)行時(shí)間長的老舊機(jī)組來說，管道安全問題更為突出，一旦發(fā)生爆漏事故，后果不堪設(shè)想[1]。近年來機(jī)組頻繁調(diào)峰，運(yùn)行工況多變對(duì)高溫蒸汽管道系統(tǒng)可靠性也提出更加嚴(yán)格的要求。

如果管道系統(tǒng)沒有安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行人員對(duì)管道振動(dòng)與受力、支吊架受力與位移等狀況不了解，無法對(duì)管道及部件失效風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)進(jìn)行評(píng)估，安全隱患大，一旦發(fā)生事故會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)意義重大。

火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償及人工組橋三大部分。該領(lǐng)域研究的是包含金屬材料、電站熱力系統(tǒng)、熱工控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的多學(xué)科綜合技術(shù)體系，需要掌握各專業(yè)的理論基礎(chǔ)，清楚各自在系統(tǒng)中的作用，明確在系統(tǒng)分析中的邏輯關(guān)系，最終做出科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)，指導(dǎo)運(yùn)行與檢修[2-3]。

1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件方案

火力發(fā)電廠高溫蒸汽管道在線監(jiān)測(cè)，是在管道上關(guān)鍵位置布置適當(dāng)?shù)募铀俣葌鞲衅鳌⑽灰苽鞲衅?、力傳感器等，進(jìn)行管道振動(dòng)、位移與受力等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，評(píng)估管系力的分布及管道風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件包括管道外壁溫度傳感器、管道X向應(yīng)變傳感器、Y向應(yīng)變傳感器、剛性吊架應(yīng)變傳感器、彈簧支吊架位移傳感器、加速度傳感器。在關(guān)鍵部位安裝傳感器后，將數(shù)字信號(hào)傳送至控制器，最終連接到全廠DCS系統(tǒng)(集散控制系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽管道的在線監(jiān)測(cè)。管道狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(dòng)支架上，加速度和高溫應(yīng)力傳感器安裝于管道本體上。

注：σ表示應(yīng)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(xiàn)表示力傳感器。

1.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

由于管系狀態(tài)數(shù)據(jù)與傳感器的特性相關(guān)，也與檢測(cè)方法和安裝工藝有關(guān)，通過管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不能直接作為實(shí)際監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，需對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1)常規(guī)數(shù)據(jù)處理

常規(guī)數(shù)據(jù)處理包含去漂移、去毛刺、數(shù)據(jù)合理性判斷等。

應(yīng)變片類的傳感器輸出信號(hào)具有隨時(shí)間緩慢變化的特點(diǎn)，首先必須進(jìn)行去漂移處理。主要有兩種方式去消除漂移：一是去掉動(dòng)態(tài)均值方法，把時(shí)域數(shù)據(jù)分成很多段，逐步計(jì)算每段的均值，同時(shí)減掉此均值;二是高通濾波，因漂移信號(hào)本身的周期很長，那么對(duì)應(yīng)的頻率是很低的，濾波時(shí)設(shè)置低通濾波即可。

其次是去毛刺。因?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)受到干擾后會(huì)將噪聲引入真實(shí)的通道信號(hào)里，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很多細(xì)長的尖峰即毛刺信號(hào)，毛刺信號(hào)的斜率很高，可通過程序識(shí)別高斜率的方式，將其刪掉。

最后是進(jìn)行合理性判斷。金屬管材有1個(gè)彈性系數(shù)即楊式模量，監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變數(shù)據(jù)直接乘以彈性系數(shù)得到應(yīng)力值，然后將計(jì)算得到的應(yīng)力極值和材料的屈服極限進(jìn)行比較，如果是嚴(yán)重偏離合理范圍，且系統(tǒng)處于冷態(tài)或安全運(yùn)行狀態(tài)，可認(rèn)為是數(shù)據(jù)壞點(diǎn)，提醒并剔除[4]。

2)熱輸出修正

實(shí)際測(cè)得的應(yīng)變?yōu)闄C(jī)械載荷與熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果，同時(shí)應(yīng)變片本身也會(huì)由于溫度的變化引起熱輸出偏差，因此在在線監(jiān)測(cè)前，需對(duì)同一類型的同一批次的應(yīng)變片進(jìn)行熱輸出測(cè)定，將工作環(huán)境溫度下的熱輸出值作為1個(gè)修正值，修正傳感器實(shí)際檢測(cè)結(jié)果[5]。

3)靈敏度系數(shù)與彈性模量修正

應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)是隨溫度變化的，因此，對(duì)應(yīng)變片在不同溫度下的靈敏系數(shù)變化引起的誤差必須進(jìn)行修正。另外，金屬部件材料的彈性模量隨溫度的升高會(huì)逐漸降低，具體數(shù)據(jù)可在相應(yīng)的手冊(cè)中查詢[6]。這兩類修正往往被忽略，造成應(yīng)變片檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性大打折扣，使得應(yīng)變片給人一種測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確、不可信的誤覺。

1.3 溫度補(bǔ)償及人工組橋技術(shù)

電阻應(yīng)變片在不同溫度下電阻值不同，如果不采用補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)得結(jié)果將大大偏離實(shí)際值，因此應(yīng)變片須為帶溫度自補(bǔ)償?shù)膹?fù)合應(yīng)變片[7]?？紤]到導(dǎo)線電阻對(duì)橋路的影響，每一個(gè)應(yīng)變片均應(yīng)采用三線制應(yīng)變片，使得初始橋路平衡。單個(gè)應(yīng)變片接線原理如圖2所示。

圖2 三線制應(yīng)變片接線圖

人工組橋技術(shù)，即是將每一個(gè)應(yīng)變片與應(yīng)力測(cè)試儀作為1個(gè)獨(dú)立測(cè)量單元，得到視應(yīng)變，然后將3個(gè)不同位置的應(yīng)變片的視應(yīng)變列為一組，虛擬為1個(gè)全橋電路，采取人工計(jì)算組橋方式，進(jìn)行應(yīng)力分析，可計(jì)算出管道軸向力N[8-10]。

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

2 技術(shù)應(yīng)用

某火電廠2號(hào)機(jī)組為254 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組,機(jī)組型號(hào)為1×1SGT5-2000E(V94.2)，采用的是SGT5-2000E(V94.2)型燃機(jī)、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(yùn)行工況發(fā)生了變化，并且機(jī)組頻繁參與調(diào)峰，機(jī)組運(yùn)行工況相對(duì)于設(shè)計(jì)工況偏離較大，且支吊架異常數(shù)量較多。因此，需要對(duì)該廠機(jī)組進(jìn)行主蒸汽管道狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jù)管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，該項(xiàng)目改造方案如下。

1) 拉力傳感器12只，型號(hào)為FSA-35KN，最大許用應(yīng)力50 kN，帶2 m四芯屏蔽電纜，工作環(huán)境-10～55 ℃。

2) 位移傳感器4只。CDS05型號(hào)2只，測(cè)量范圍小于等于127 mm，工作環(huán)境-40～200 ℃；CDS10型號(hào)2只，測(cè)量范圍小于等于254 mm，工作環(huán)境-40～200 ℃。

3) 加速度傳感器2只，型號(hào)為786LF-250，加速度峰值20 g。

4) 高溫應(yīng)變片8片，帶溫度補(bǔ)償和橋式適配器的高溫應(yīng)變傳感器，型號(hào)為KHCS-10-120-G12-11 C2MFV,工作環(huán)境-196～750 ℃。

穩(wěn)態(tài)下測(cè)量取值，期間燃機(jī)功率為166.32 MW，汽輪機(jī)功率為81.55 MW,主蒸汽壓力7.62 MPa,主蒸汽溫度為523.9 ℃，機(jī)組為純凝基本負(fù)荷工況。

根據(jù)長時(shí)間監(jiān)測(cè)，穩(wěn)態(tài)時(shí)載荷及位移數(shù)值均較設(shè)計(jì)值偏大，管系振動(dòng)值未超標(biāo)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1和表2。

表1 試驗(yàn)工況下拉力測(cè)量值Table 1 Stress measurement value under test condition

表2 試驗(yàn)工況下位移測(cè)量值Table 2 Displacement measurement value under test condition

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)201、221實(shí)際載荷偏大，206實(shí)際載荷偏小，位移值均偏小，振動(dòng)符合要求。針對(duì)載荷偏差的狀況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，整改后載荷數(shù)據(jù)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(cè)吊架吊桿與鋼梁內(nèi)壁干涉。調(diào)整方案：動(dòng)火更換吊點(diǎn)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(diào)整方案：拆除保溫，松開管夾，向上移動(dòng)600 mm，滿足熱態(tài)時(shí)限位作用。

3)高壓主汽管道206恒力吊架行程上極限。調(diào)整方案：調(diào)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(jī)后偏斜。調(diào)整方案：動(dòng)火拆除吊架根部，按照設(shè)計(jì)圖紙(F321S-J0502-28)的預(yù)偏裝值進(jìn)行安裝焊接。

除了對(duì)振動(dòng)、受力、位移、溫度和壓力等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之外，此研究原計(jì)劃根據(jù)管材內(nèi)部應(yīng)力的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)跟蹤表面應(yīng)力值是否符合設(shè)計(jì)工況，進(jìn)行管材內(nèi)部應(yīng)力絕對(duì)值的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。應(yīng)用CAESAR II軟件模擬該電廠主汽管材最大一、二次應(yīng)力的變化狀況如圖4所示。

圖4 最大一、二次應(yīng)力變化曲線圖

實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于受應(yīng)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(shù)之差的影響，傳感器溫漂大，且無法分離出有效應(yīng)變值，升溫過程中的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法真實(shí)反映絕對(duì)應(yīng)力值，不適于開展管材內(nèi)部應(yīng)力絕對(duì)值動(dòng)態(tài)跟蹤。但是，待溫度穩(wěn)定為524 ℃以后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的數(shù)量級(jí)比較穩(wěn)定，可以利用應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，即進(jìn)行相對(duì)值風(fēng)險(xiǎn)分析。最終試驗(yàn)方案調(diào)整為，當(dāng)溫度超過500 ℃后，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)力的相對(duì)變化值，分析變化值曲線圖，當(dāng)相對(duì)變化值超過允許極限時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)管材內(nèi)部應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的判斷。

經(jīng)研究，管系支吊架受力、位移、振動(dòng)、溫度、熱膨脹等可實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測(cè)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，還可以采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行管材內(nèi)部應(yīng)力安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 語

管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，核心在于研究管系受力關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，制定高溫應(yīng)變、振動(dòng)、位移等測(cè)量工藝以及數(shù)據(jù)處理方法。具體實(shí)施上，首先，依據(jù)管道物理參數(shù)、支吊架設(shè)計(jì)載荷、設(shè)計(jì)工況下介質(zhì)參數(shù)等，建立管道計(jì)算模型，采用受力仿真技術(shù)得到設(shè)計(jì)工況下的載荷分布；其次，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到各狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)值；最后，通過實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬數(shù)值的對(duì)比研究，判斷管系的風(fēng)險(xiǎn)狀況。建議結(jié)合機(jī)組大小修金屬檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括無損檢測(cè)和理化檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析管道風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，科學(xué)指導(dǎo)檢修，將會(huì)大大降低檢修費(fèi)用，防范安全事故的發(fā)生。