基于红外光谱法研究电厂蒸汽泄漏的监测

保定供电公司 张 硕 万捷木思 张英杰

引言

在利用热能的生产系统中，大量使用着压力容器、压力管道和其它承压部件，特别是大型发电设备的蒸汽温度、压力都很高，承压设备所用的金属材质必须和所输运蒸汽的温度、压力相匹配，并且要求焊接良好，才能保证安全运行。

我国利用高温、高压蒸汽的生产企业越来越多，作为安全生产的必要环节之一，对水蒸汽管道的定期检修以及对水蒸汽泄露的预防与监测越来越重要，设备运行过程中，制造管道和容器的材料长期受到冲刷、磨损和腐蚀等因素的影响，会减薄而降低强度，金属高温高压设备还可能会受温度急剧变化而产生裂纹；这些微小的裂纹积累下来会发展成严重缺陷，形成安全隐患。为了实时监测高温、高压管道的运行工况，及时发现设备缺陷，本文提出了一种采用红外光谱监测管道蒸汽泄漏装置，实现对水蒸汽泄漏的监测，确保生产安全。

1 技术原理

1.1 红外光谱监测

高温、高压蒸汽管道的损坏，主要由管道承受的温度和应力超限产生，而红外光对这种温度和应力的变化极其敏感，使得红外光谱技术在工业过程控制、环境等领域得到应用。红外光谱一句波段分为近红外光谱和中红外光谱。近红外波段工作在0.78—2.6µm的近红外区，中红外波段工作在3—13µm的“指纹区”，是气体分子基带吸收。随着红外激光技术的发展和新型中红外相干光源技术的发展，在中红外波段进行气体分子的超高灵敏检测技术也有了进步。

将一束不同波长的红外射线照射到监测对象上，某些特定波长的红外射线会被监测对象的物质分子吸收，形成这一物质自己独特的红外吸收光谱，采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。以波长或波数为横坐标，以强度或其它随波长变化的性质为纵坐标所得到反应红外射线与物质相互作用的光谱图谱称为红外光谱。物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。监测管道发生蒸汽泄漏，水蒸气在不同压力下的红外光谱在不同峰位的峰强度变化差异很大，说明测量对象发生变化。红外光谱分析特性强，尤为对气体敏感，并具有用量少、分析速度快、不破坏监测对象的特点，易于实现仪器的小型化。

1.2 信息收发模块

现代监测技术的基础是数据采集，如何将现场监测数据准确快速送入计算机处理，是快速定位故障点的前提。随着通信事业的发展，我国已建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，GSM中重要发展的GPRS网络也已经投入使用，所以，本文提出了在整个监测系统中加入信息收发模块，将监测数据通过GPRS网络远程回传至手机或PC终端，使得系统更加灵活，并且降低成本。

在现场，将实时监测设备采集到的因蒸汽泄漏导致的温度变化信号，进行A/D转换，变成数字化信号，利用单片机进行远程GPRS传送至信息收发模块。信息收发模块对终端的发送方式、数据格式、接收终端进行远端控制，从手机或PC上直接反应采集到的监测信息。

2 装置介绍

对高温、高压管道采取主动测量的方式，利用红外光谱法监测，随时掌握管道的运行状况，防止因设备的老化等缺陷引发故障的扩大，确保安全生产。

本文设计了一种新型监测装置，由红外激光发射盒、实时监测设备、移动式监控平台三部分组合构成，如图1-5所示。

图1 红外光谱监测蒸汽泄漏装置结构框图

图2 红外光谱监测蒸汽泄漏装置激光发射、接收和校准示意图

图3 红外激光发射盒部件结构框图

图4 红外激光发射盒 壳体示意图

图5 实时监测设备 壳体示意图

在图中，1实时监测设备、2移动式监测平台、3蒸汽管道、4红外激光发射盒、5红外激光接收模块、6中央处理器模块、7显示模块、8信息收发模块、9电源、10PC机、11手机、12可视红光、13不可视红外激光、14电源、15红外激光发射模块、16半导体激光器；17不可视红外激光发射窗口、18可视红光发射窗口、19红外激光发射盒壳体；20不可视红外激光接收窗口、21可视红光接收窗口、22实时监测设备壳体。

装置的红外激光发射盒（4）安装在被检测蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道对应的另一端部安装实时监测设备（1），在红外激光发射盒（4）内，安装有一个红外激光发射模块（15），一个发射可见激光的半导体激光器（16）；所述实时监测设备（1）的部件及连接关系为：红外激光接收模块（5）与中央处理器模块（6）相接并传送监测信号，显示模块（7）与中央处理器模块（6）相接，同时显示监测到的处理信号，信息收发模块（8）与中央处理器模块（6）相接，并将收到的监测信号通过GPRS网络发送到互联网，装置的电源（9）与中央处理器模块（6）相接；移动式监测平台（2）安装在远端监控室，移动式监控平台（2）接收信息收发模块（8）发送到互联网的信号数据，并在终端PC机（10）或手机（11）上实时显示。

红外激光发射盒（4）和实时监测设备（1）都有非金属壳体，在壳体的一侧各开有两个方孔和两个圆孔，在壳体的底部装有与金属管道固定的强磁磁铁。

3 实施方案

由图1和图2可见，监测装置由红外激光发射盒（4）、实时监测设备（1）、移动式监测平台（2）三个部分组合构成，装置的每一个部分各成一体并安装在不同地方，装置的红外激光发射盒（4）安装在被检测蒸汽管道（3）端部，在蒸汽管道（3）对应的另一端部安装实时监测设备（1），移动式监测平台（2）置于远方监控室内；移动式监控平台（2）接收信息收发器模块（8）发送到互联网的信号数据，并在终端PC机（10）或手机（11）上实时显示现场工况。

装置实时监测设备（1）的部件及连接关系为：红外激光接收模块（5）与中央处理器模块（6）相接并传送监测信号，显示模块（7）与中央处理器模块（6）相接，同时显示监测到的处理信号，信息收发模块（8）与中央处理器模块（6）相接，并将收到的监测信号通过GPRS网络发送到互联网，装置的电源（9）与中央处理器模块（6）相接；装置的中央处理器模块（6）可选用ARM控制核心 MK60DN512型模块，显示模块（7）可选用RH320240，信息收发器模块（8）可选用TC35型模块；电源（9）选择为：当安装区域有220V电源时，可采用外接电源方式，也可采用高能电池供电，当电量低于20%时，中央处理器模块（6）控制信息收发器模块（8）可向实时监控平台发出电量不足提醒短信。

由图3可见，在红外激光发射盒（4）内，安装有一个红外激光发射模块（15），一个发射可见激光的半导体激光器（16），工作电源（14）分别与两个模块相接，工作电源（14）可选用高能电池，利用可见激光的半导体激光器（16）发射的可见光（12）来准确调整红外激光接收模块（5）的安装位置，红外激光发射模块（15）可选用中红外波段的FU850AD5-C9不可见光激光头点光源 ，可见激光的半导体激光器（16）可选用输出波长为635（nm）激光模组635NM红光20mw点模组HL-635-20PD-1030。

由图4和图5可见，红外激光发射盒（4）和实时监测设备（1）都有非金属壳体，在壳体上，与半导体激光器（16）和红外激光发射模块（15）相对应部位开有对外发射激光的方孔（17）、（18），红外激光接收模块（5）的相应位置开有方便接收激光的圆孔（20）、（21）。

红外激光发射盒（4）和实时监测设备（1）的壳体的底部设有与金属管道吸合固定用的强磁铁，优选钕铁硼永磁体，也可采用3M强力胶固定在实时监测的管道上。

4 结论

1)采用在线监测主动测量的方式。收集管道的实时数据，采集蒸汽的实际变化情况，呈现为红外光谱变化反应出来。

2)基于GPRS的无线数据采集与传输系统回传测量结果，通过现有的GPRS网络来进行远程监测数据的实时采集、显示和处理，存储数据的同时方便实时判断和处理。

3)装置能指示蒸汽泄漏的管道部位，定量给出泄漏量，可减少外破检测，有利于加强对运行的管道监管力度，从而最大限度增加管道的寿命。

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