【摘要】：火電機組汽水系統(tǒng)關(guān)鍵部件液位測量是鍋爐運行監(jiān)控的重要指標,關(guān)系到整個機組的穩(wěn)定運行,例如:除氧器、凝汽器、高壓加熱器、低壓加熱器、汽包(汽水分離器和儲水箱)等的液位。由于負荷、燃燒工況、給水壓力等變化引起各關(guān)鍵部件中液位發(fā)生頻繁波動,威脅機組安全運行;由于火電機組主蒸汽、再熱蒸汽溫度的不斷提高,鍋爐高溫受熱面氧化膜厚度迅速增大。在熱應力或者生長應力的作用下,氧化膜發(fā)生剝落。導致管道阻塞并且對汽輪機葉片造成沖蝕,大大增加了機組強迫停機率,嚴重影響機組的可靠性甚至危及運行的安全。在低壓加熱器和高壓加熱器等部位,由于流動加速腐蝕作用導致管壁厚度逐漸減薄,最終導致設(shè)備和管道失效破壞。因此,火電機組汽水系統(tǒng)運行的安全性直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全,是發(fā)電企業(yè)最為關(guān)心的首要問題。超聲導波無損檢測技術(shù)彌補了火電機組汽水系統(tǒng)部件設(shè)備液位監(jiān)測和壁厚監(jiān)測現(xiàn)有技術(shù)的不足�；诔墒斓某晫Рo損監(jiān)測技術(shù),本文建立了火電機組汽水系統(tǒng)安全性監(jiān)測系統(tǒng)框架,并且分析了超聲導波在火電機組汽水系統(tǒng)中所面臨的問題和挑戰(zhàn)。除此之外,本文開展了超聲導波法在電站汽水系統(tǒng)液位測量和壁厚監(jiān)測中的研究,主要研究內(nèi)容:(1)理論研究:本章分別研究了自由邊界平板結(jié)構(gòu)、管道結(jié)構(gòu)和單側(cè)覆水平板結(jié)構(gòu)中超聲導波的基礎(chǔ)理論,例如頻散關(guān)系和模態(tài)結(jié)構(gòu)的求解。當管道結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑遠大于其壁厚時,自由邊界平板結(jié)構(gòu)的反對稱模態(tài)A0和對稱模態(tài)S0分別類似于管道結(jié)構(gòu)的L(0,1)和L(0,2)模態(tài)。覆水平板中導波模態(tài)較自由平板多了一種quasi-Scholte模態(tài)。其次,通過數(shù)值法和實驗研究了水對波導結(jié)構(gòu)中超聲導波傳播規(guī)律的影響。在低頻區(qū),A0模態(tài)存在于自由平板中,而quasi-Scholte模態(tài)只存在于覆水平板中。(2)基于超聲導波的液位監(jiān)測研究:本章利用二維傅里葉變換(2-D Fourier transform,2-D FT)對掃描式激光測振儀(Scanning Laser Doppler Vibrometer,SLDV)采集到信號進行頻率-波數(shù)域分析,研究了 quasi-Scholte模態(tài)在平板結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)中傳播特性。其次,設(shè)計了基于目標波信號飛行時間的液位表征方法。第三,通過數(shù)值法研究了液位測量方法中激發(fā)頻率選擇優(yōu)化,從模態(tài)噪音和檢測波形識別性兩方面優(yōu)化了測量方法中的導波激發(fā)頻率。超聲導波激發(fā)頻厚積選擇范圍為250kHz ·mm-40kHz· mm。第四,研究了傳統(tǒng)壓電晶片傳感器對液位監(jiān)測應用適用性。第五,設(shè)計研發(fā)了適合液位測量的單一方向上quasi-Scholte 模態(tài)激發(fā)的電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT),其設(shè)計優(yōu)化參數(shù):線圈折間距D等于超聲導波波長κwave、線圈的曲折數(shù)為5、線寬為0.9 mm和導線長度為30 mm。最后,研究了基于Wigner-Ville分布的液位特征信號時頻分析方法,開發(fā)了基于超聲導波的封閉容器內(nèi)液位測量系統(tǒng)。液位實驗測量數(shù)據(jù)線性擬合系數(shù)與理論預測值非常接近,誤差僅為2.9%。(3)基于導波桿的高溫部件壁厚監(jiān)測研究:本章研究了導波桿中傳播的不同模態(tài)在被測對象表面產(chǎn)生不同的應力載荷分布。其次,借助有限元法研究了矩形橫截面導波桿中SH0模態(tài)導波的傳播規(guī)律。當導波桿橫截面取1mmX 15 mm,激發(fā)中心頻率2 MHz時,能夠獲得較高信噪比的波信號。第三,借助有限元法研究了矩形橫截面導波桿中溫度場分布,并通過熱電偶測溫實驗來驗證了導波桿散熱情況。第四,研究并比較了導波桿變體,并對導波桿與被測部件間耦合進行了實驗研究。第五,利用所設(shè)計的導波桿干耦合裝置在常溫狀態(tài)下對部件試塊進行了厚度監(jiān)測實驗。最后,對導波桿在高溫環(huán)境下壁厚監(jiān)測應用進行了實驗研究。室溫(25℃)時,壁厚測量值與實際厚度相差0.016mm;高溫被測部件壁厚測量(25℃-700℃)時,根據(jù)反射波時間差和橫波速度計算的壁厚范圍為9.6289mm-10.1041mm,誤差范圍為0.16%-3.7%,速度測量值與擬合曲線所的速度值誤差范圍0.1%-2.5%。本文將超聲導波法應用到汽水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備部件液位測量和壁厚監(jiān)測,為建立火電機組汽水系統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。未來,對于火電機組汽水系統(tǒng),成功地建立安全性監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)在線監(jiān)測汽水系統(tǒng)安全性,保障電站的安全運行。
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM621
【圖文】：

１．２．１火電機組汽水系統(tǒng)逡逑近幾年，我國不斷地更新火電機組容量，超超臨界火電機組在全國機組容逡逑量占比己達到３６．２％１｜６：｜＇圖１－２展示了國內(nèi)亞臨界、超臨界、超超臨界機組逡逑容量占比。目前，我國己成為世界上火電裝機容量最大、火電機組參數(shù)最高、逡逑火電機組平均燃煤煤耗最低的國家［｜８＿２０］。逡逑鍋爐汽包／汽水分離器水位對維持鍋爐和汽機安全運行至關(guān)重要。水位過高逡逑或者過低都會導致汽水品質(zhì)的惡化。過高時不利于汽包／汽水分離器的正常運行，逡逑導致出口蒸汽水分過多導致大量水垢沉積在過熱器管壁，嚴重可能導致過熱器逡逑損壞。而水位過低，會破壞汽水循環(huán)過程，嚴重影響水冷壁的安全運行［６１。在逡逑除氧器中，若水中溶解氧氣，就會使與水接觸的金屬被腐蝕，同時在熱交換器逡逑中若有氣體聚集，將會使得熱阻增加，降低設(shè)備的傳熱效果。除氧器中液位過逡逑高發(fā)生溢水現(xiàn)象，并伴隨著熱量耗散，降低機組經(jīng)濟性；過低時易產(chǎn)生汽化現(xiàn)逡逑象

ＭＦＣ）Ｐ３；７４］、斜入射傳感器１７５］、光纖傳感器空氣耦合傳感器和掃描逡逑式激光測振儀（Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｌａｓｅｒ邋Ｄｏｐｐｌｅｒ邋Ｖｉｂｒｏｍｅｔｅｒ，邋ＳＬＤＶ）丨８１】，如圖邋３－２２、圖逡逑３－２６和圖１－４所示。逡逑ＰＺＴ和ＰＷＡＳ都是基于壓電效應和逆壓電效應工作機理來實現(xiàn)超聲導波的逡逑激發(fā)和接收，但是ＰＺＴ是基于離面應力的耦合；而ＰＷＡＳ是基于面內(nèi)應變耦合逡逑［３５邋６８＼如圖３－２２所示。ＥＭＡＴ利用電磁效應將電能轉(zhuǎn)化為振動能，按轉(zhuǎn)化原逡逑理可分為洛侖磁力效應和磁致伸縮效應兩種。ＥＭＡＴ作為非接觸式換能器，具逡逑有應用于電站高溫環(huán)境的潛力［６９：７（）１，如圖３－２６所示。梳狀傳感器對激發(fā)的導逡逑波波長和導波模態(tài)具有選擇性［７｜；７２１，如圖１－４邋Ｕ）所示。ＭＦＣ適合彎曲的被逡逑測部件中超聲導波的測量ｔ７３：７４］，如圖１－４邋（ｂ）所示。斜入射傳感器可以依據(jù)逡逑Ｓｎｅｌｌ定律調(diào)整楔狀物的角度，在被測部件中超聲導波獲得不同模態(tài)的導波１７５１，逡逑如圖１－４邋（ｃ）所示。光纖傳感器可以植入復合材料內(nèi)部

【參考文獻】

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本文編號：2718864