基于可调谐激光诊断技术的GGH冷烟器泄漏监测系统研发与应用

基于可调谐激光诊断技术的GGH冷烟器泄漏监测系统研发与应用

鲍日明 ,吴升光 ,徐威 ,李强

浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司  312072

摘要：当前，在国家节能环保政策力度加大的大环境下，各燃煤火电企业都实现了超低排放，很多电厂进行了烟气消白技术改造。管式烟气冷却器泄漏引发的问题最为明显，本文对基于可调谐激光诊断技术的GGH冷烟器泄漏监测系统进行研究，期望能够对其完善提供参考。

关键词：可调谐激光诊断技术；GGH冷烟器；泄漏监测系统

1 引言

十四五期间，我国能源结构发生改变，节能降耗成效巨大。为了节能和环保的需要，管式烟气冷却器（GGH）在火电企业得到了广泛的应用，但是存在冷烟器泄漏的问题。对于烟冷器布置在电除尘前的机组，管式GGH开始泄漏时，由于泄漏量小很难及时发现，随着时间的延长，换热管排间泄漏点喷出的水雾不断将烟气中的飞灰打湿，飞灰不断在泄漏点周围附着，体积不断扩大，并且飞灰成分比较复杂，遇水会形成一定硬度的水泥化合物垢块，直至堵塞局部通道。堵塞模块无法通过清理恢复功能，只能对通道模块隔离，等待机会更换模块。期间烟道阻力增加，影响炉膛负压，严重时会影响机组出力，管式GGH整体换热效果下降并会受到腐蚀，影响周期长，故障处理时间长，经济损失大。如果能及时发现泄漏并隔离的话，只需要对泄漏模块隔离后进行换热管封堵即可，避免了上述的费用支出，综合效益非常可观，机组运行连续性提高，因此如何在早期发现烟气冷却器受热面轻微泄漏，并及时采取控制措施控制泄漏，防止故障扩大，不仅对妥善安排检修有重要意义，还具有非常可观的经济效益。

2 可调谐激光诊断技术

针对现有声波传感器和接触式烟气湿度监测仪等传统测量手段的局限性，发展一种可靠、有效的测量技术具有十分重要的现实意义。可调谐二极管激光吸收光谱技术作为一种新兴的光学诊断技术，具有定量准确、灵敏度高、快速响应等优点，是当前光谱学诊断领域的热点。可调谐激光诊断技术是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的气体检测方法。具体来说，半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收导致激光强度衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。吸收光谱技术进行烟道内湿度监测的主要优点：

（1）指纹吸收：每种气体均对应有特定的激光吸收波长，不存在交叉干扰，易于检测混合气体中的特定成分；

（2）检测气体种类广：不同气体有均有不同吸收波长，结合指纹吸收特性，理论上可覆盖当前所有气体组分-SO3/NOx/CO/CO2/H2O/CH4/K/Na等；

（3）实现完全非接触在线自动监测：激光与气体之间不存在接触式化学反应，不会影响待测气体的组分和形态；

（4）测量精度高，通过气体对特定波长的共振吸收进行浓度检测，ppm-ppb量级。对于被测量物质只需要选择合适的光谱波段，就可以测出相应的物质含量；

（5）测量距离远：远程非接触测量，保证测试人员安全；

（6）测量响应快：相比于其它方法（化学、电化学）的监测，响应时间大大缩短，可以达到毫秒量级；

（7）安全稳定：前端传感器采用全光学结构，传感端不易受到电磁辐射的干扰、不产生火花；

（8）系统运行费用低，安装方便，升级容易。

3 基于可调谐激光诊断技术的烟道换热器泄漏诊断方法

基于可调谐激光诊断技术的烟道换热器泄漏诊断方法其特征包括以下流程：烟气进入烟道入口，经烟气换热器回收余热后从烟道出口排出；在烟气换热器出口处安装一套基于可调谐激光诊断技术的气体浓度监测装置（包括激光发射端和激光接收端），可调谐激光诊断技术控制及自校准模块调制激光器1和激光器2使之输出对应波长1和波长2的激光，输出激光经2×6~8路的光纤耦合器集成分束，一束激光经水蒸气测量参考通道实现对激光波长的自动校准，其他分束激光经安装于烟道侧壁不同位置（入口、沿程、出口）的激光发射装置准直后，穿过烟道的透射激光被安装于烟道对侧的激光接收装置收集探测，同时将激光光强信号转化为电信号，并经同轴电缆传递到可调谐激光诊断技术数据处理模块实时分析，实现烟道不同位置处沿激光光程的烟气平均温度和水蒸气平均浓度的同步测量，通过分析烟道入口、沿程、出口处的烟气温度和水蒸气浓度的实时变化，在线诊断换热器是否发生泄漏故障并评估泄漏程度。

4 基于可调谐激光诊断技术的GGH冷烟器泄漏监测系统设计

现场设备示意图2所示，发射端通过单模光纤接收集成控制器发出的激光信号，经过烟道吸收后，接收端接受吸收光谱信号并通过同轴电缆将接受信号传输至控制及数据处理系统，最终经前端数据处理显示吸收波形图。

图2 基于可调谐激光诊断技术的微泄漏监测现场设备示意图

管式换热器内因有一定积灰，因此换热器系统设计时一般配有蒸汽吹灰装置，并定期进行蒸汽吹灰。基于研究内容，将激光器、激光控制器、数据板卡等设备集成至控制箱内，将工业测试用发射端及接收端对应安装至工业现场烟道两侧，并布置光路及相关控制线缆，调试光路及整体测试。确保系统正常后开始进行工业测试。

通过长时间不间断测试得出的原始数据，如图3所示，图3中下半部为原始信号，红色圆圈中小凹坑为吸收信号，该部分能量被水分子吸收；图中上半部分为提取的水蒸气浓度信号，在测试时非常稳定。

图3 基于可调谐激光诊断技术的微泄漏监测软件显示原始数据

通过对有效原始数据的提取，进行数据分析，得出水蒸气浓度，如图4所示，该次测试时间周期较长，主要是经历了系统吹灰，从吹灰刚结束一直持续大概70min左右，吹灰过程中，由于粉尘量急剧增加，导致干扰程度翻倍，直接影响了测量的信噪比，但是从吹灰结束，光强信号恢复后能发现水蒸气浓度测量还是很敏感的，有一个明显的下降，此外，在吹灰后短时间内会导致信噪比下降，如图中的尖峰，但20min之后基本就比较稳定了。这相对于系统检漏的判断是完全足够的。

图4 基于可调谐激光诊断技术的微泄漏监测数据分析

5核心技术研发

1）诊断光路的合理布置

诊断光路的合理布置是建设可调谐激光诊断技术 系统极其关键的一环，特别是在电厂烟道这种较为恶劣的工业环境下，如何克服烟道变形、机械振动、电磁干扰等众多干扰因素，建设可靠、稳固、高准直度的测量光路，对于 可调谐激光诊断技术 系统能否实现吸收测量以及提高测量精度至关重要。

2）抗粉尘技术

烟道的高粉尘环境不仅会导致激光强度的大幅衰减，同时也大大降低了有效吸收信号的信噪比，增加了信号分析的难度，对可调谐激光诊断技术技术能否保证可靠测量防热精度提出了很大的挑战，因此能否使可调谐激光诊断技术技术克服高粉尘的影响同样非常重要。

3）吸收谱线的选择

烟道内工况复杂，烟气成分繁杂，如何从众多收谱线中选择孤立、高灵敏度的吸收谱线，是本项目的关键。

4）弱信噪比下有效吸收信号提取及分析技术

考虑到高粉尘的测量环境，如何从弱信噪比的原始数据中提取有效吸收信号，直接决定了可调谐激光诊断技术系统能够实现吸收测量并保证测量精度。

5）针对复杂工况、大测量范围的动态增益技术

由于国内电厂锅炉使用的煤种繁多且经常变化，以及锅炉运行时经常使用烟道吹灰等除灰措施，导致烟道工况复杂多变，要求可调谐激光诊断技术系统具备动态增益技术，使之在不同工况环境下实现自动调谐，达到最佳测量效果。

6）在线标定技术

反演计算模型具有自适应在线标定功能。

参考文献：

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[3]郑思源.蒸汽泄漏监测系统设计[J].控制工程,2022(06):21-23.

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