基于超声导波的火电机组汽水系统安全性研究及应用

摘要

火电机组汽水系统关键部件液位测量是锅炉运行监控的重要指标，关系到整个机组的稳定运行，例如:除氧器、凝汽器、高压加热器、低压加热器、汽包（汽水分离器和储水箱）等的液位。由于负荷、燃烧工况、给水压力等变化引起各关键部件中液位发生频繁波动，威胁机组安全运行;由于火电机组主蒸汽、再热蒸汽温度的不断提高，锅炉高温受热面氧化膜厚度迅速增大。在热应力或者生长应力的作用下，氧化膜发生剥落。导致管道阻塞并且对汽轮机叶片造成冲蚀，大大增加了机组强迫停机率，严重影响机组的可靠性甚至危及运行的安全。在低压加热器和高压加热器等部位，由于流动加速腐蚀作用导致管壁厚度逐渐减薄，最终导致设备和管道失效破坏。因此，火电机组汽水系统运行的安全性直接关系到整个电力系统的安全，是发电企业最为关心的首要问题。
　　超声导波无损检测技术弥补了火电机组汽水系统部件设备液位监测和壁厚监测现有技术的不足。基于成熟的超声导波无损监测技术，本文建立了火电机组汽水系统安全性监测系统框架，并且分析了超声导波在火电机组汽水系统中所面临的问题和挑战。除此之外，本文开展了超声导波法在电站汽水系统液位测量和壁厚监测中的研究，主要研究内容:
　　(1)理论研究:本章分别研究了自由边界平板结构、管道结构和单侧覆水平板结构中超声导波的基础理论，例如频散关系和模态结构的求解。当管道结构的内径远大于其壁厚时，自由边界平板结构的反对称模态A0和对称模态S0分别类似于管道结构的L(0，1)和L(0，2)模态。覆水平板中导波模态较自由平板多了一种quasi-Scholte模态。其次，通过数值法和实验研究了水对波导结构中超声导波传播规律的影响。在低频区，A0模态存在于自由平板中，而quasi-Scholte模态只存在于覆水平板中。
　　(2)基于超声导波的液位监测研究:本章利用二维傅里叶变换（2-D Fourier transform，2-D FT）对扫描式激光测振仪(Scanning Laser Doppler Vibrometer，SLDV)采集到信号进行频率-波数域分析，研究了quasi-Scholte模态在平板结构和管道结构中传播特性。其次，设计了基于目标波信号飞行时间的液位表征方法。第三，通过数值法研究了液位测量方法中激发频率选择优化，从模态噪音和检测波形识别性两方面优化了测量方法中的导波激发频率。超声导波激发频厚积选择范围为250kHz·mm-400kHz·mm。第四，研究了传统压电晶片传感器对液位监测应用适用性。第五，设计研发了适合液位测量的单一方向上quasi-Scholte模态激发的电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)，其设计优化参数:线圈折间距D等于超声导波波长λwave、线圈的曲折数为5、线宽为0.9mm和导线长度为30mm。最后，研究了基于Wigner-Ville分布的液位特征信号时频分析方法，开发了基于超声导波的封闭容器内液位测量系统。液位实验测量数据线性拟合系数与理论预测值非常接近，误差仅为2.9％。
　　(3)基于导波杆的高温部件壁厚监测研究:本章研究了导波杆中传播的不同模态在被测对象表面产生不同的应力载荷分布。其次，借助有限元法研究了矩形横截面导波杆中SH0模态导波的传播规律。当导波杆横截面取1mm×15mm，激发中心频率2MHz时，能够获得较高信噪比的波信号。第三，借助有限元法研究了矩形横截面导波杆中温度场分布，并通过热电偶测温实验来验证了导波杆散热情况。第四，研究并比较了导波杆变体，并对导波杆与被测部件间耦合进行了实验研究。第五，利用所设计的导波杆干耦合装置在常温状态下对部件试块进行了厚度监测实验。最后，对导波杆在高温环境下壁厚监测应用进行了实验研究。室温(25℃)时，壁厚测量值与实际厚度相差0.016mm;高温被测部件壁厚测量(25℃-700℃)时，根据反射波时间差和横波速度计算的壁厚范围为9.6289mm-10.1041mm，误差范围为0.16％-3.7％，速度测量值与拟合曲线所的速度值误差范围0.1％-2.5％。
　　本文将超声导波法应用到汽水系统关键设备部件液位测量和壁厚监测，为建立火电机组汽水系统安全监测系统奠定了基础。未来，对于火电机组汽水系统，成功地建立安全性监测系统，实现在线监测汽水系统安全性，保障电站的安全运行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 火电机组汽水系统

1．2．2 超声导波无损检测技术

1．3 火电机组汽水系统安全性监测技术研究问题和挑战

1．4 本论文的研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 超声导波的基础理论研究

2．1 板状结构中超声导波传播特性

2．1．1 自由平板中的Lamb波

2．1．2 大径厚比管道结构中纵向模态导波

2．2 单侧覆水板状结构中quasi-Scholte波传播特性

2．3 板状结构中超声导波有限元模型及实验验证

2．3．1 板状结构中超声导波的有限元模型

2．3．2 有限元模型的实验验证

2．4 本章小结

第3章 基于超声导波的液位监测研究

3．1．1 液体对平板结构中超声导波传播的影响分析

3．1．2 液体对管道结构中超声导波传播的影响分析

3．1．3 基于飞行时间的液位测量原理

3．2 液位测量方法中超声导波频率优化选择研究

3．2．1 激发频率对quasi-Scholte模态噪音的影响分析

3．2．2 激发频率对测量信号可识别性的影响分析

3．3 适用于液位测量的EMAT换能器研发

3．3．1 基于压电晶片的quasi-Scholte模态激发

3．3．2 基于EMAT换能器的quasi-Scholte模态激发

3．4 基于时频分析的液位特征提取方法研究

3．5 本章小结

第4章 基于导波杆的高温部件壁厚监测研究

4．1 高温部件壁厚监测原理

4．2 矩形横截面导波杆中的超声导波

4．3 矩形横截面导波杆中温度场

4．4 高温部件监测实验研究

4．4．1 导波杆与高温部件耦合方式

4．4．2 常温下钢板壁厚测量实验

4．4．3 高温钢板壁厚测量实验

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介