在线监测管式热交换器内部结构状态的方法及装置

技术领域

本发明属于热力发电技术领域，具体来说是一种利用声纹识别技术在线监测管式热交换器内部结构状态的方法。

背景技术

目前国内各类型的火力发电机组中，常见的热交换器结构有管式热交换器和板式热交换器两种。而其中管式热交换器由于其结构简单，成本低廉，换热效果优秀等原因而被广泛采用。管式热交换器的基本结构主要由热交换器外壳、换热管束和端盖组成，其中换热管多为直管式结构，材质为金属材料，如钛合金、不锈钢、铜等。管式热交换器的工作原理为换热工作的冷源介质和被换热的热源介质分别从换热管的内外侧流动，其热量通过金属换热管进行流动，最终实现热源介质被冷源介质冷却的目的。管式热交换器内部管式是其工作区域，也是其最容易发生结构损伤和故障的区域。常见的异常结构状态有两种：一是发生内部结垢，二是发生管壁损伤。

由于管式热交换器通常情况下是采用水作为换热介质，而由于水质变化、水中杂质沉积、微生物繁殖等原因，会导致管式热交换器发生碳酸盐硬垢堆积、泥沙垢沉积、微生物附着生长等结垢现象。由于管式热交换器内换热管的管壁较薄，其换热性能严重依赖与管材的导热性能，而管材一旦发生了结垢，一方面相当于管材的壁厚增加，会导致其热传导性能的下降，另一方面，由于污垢的热阻值远大于金属材料，其换热性能也会严重下降。因此，当换热管发生结垢后，其热交换能力将大大削弱，热交换器的效率也就随之下降，机组的节能降耗能力下降，经济性损失严重。

同理，由于水中可能会存在固体颗粒杂质，当杂质的硬度超过换热管材料硬度时，就可能会对管壁造成磨损，长期运行后会导致管壁厚度变薄甚至破损。若水的PH值发生变化也会导致管壁发生化学腐蚀现象，腐蚀严重时也会发生破损。若管壁破损，内外工质混合，会导致工质交叉污染，严重时必须立即停产抢修，会导致严重经济损失。

同时，由于管式热交换器内的工质不是绝对均匀流动的，内部杂质的分布也呈现某种随机性，无法准确判断具体的结垢或破损位置，无法提前做出准确判断，不利于检修处理。

目前国内各类型的火力发电机组对于管式热交换器内部结构状况的诊断有两种方法：

1、是通过机组运行过程中的热力系统参数进行计算和分析得到，即通过相关的在线测量元件采集数据，对热交换器的端差等技术指标进行分析计算，若计算结果偏离设计值过大就判断热交换器内部可能存在脏污，该方法的弊端是部分热交换器的在线测量元件数量较少或未安装，无法进行有效的在线分析，或者数据采集结果精确度较差，且可能存在其他干扰因素导致计算结果存在偏差，同时，该方法仅可对热交换器整体的热力性能做出判断，无法准确判断具体结垢或破损位置，不利于有针对性的做出检修措施。

2、停机后对热交换器的管式内部进行人工检查，判断其换热管是否发生了结垢。这种方法准确度高，但是缺点是只能在停机后进行，需要将内部工质排尽，同时人员可能需要进入密闭空间作业，存在安全隐患，而且部分大型管式热交换器如凝汽器的内部换热管数量极其巨大，同时尺寸庞大，逐个检查所需时间极长，无法在线对其状态进行判断，同样，该方法无法提前做出判断，不利于有针对性的做出检修措施。

另外，超声波在检测领域也有着广泛的应用，主要通过外置仪器产生的超声波对目标进行探测，原理是发出超声波，再接收返回的超声波，然后对返回的超声波和发出的超声波进行计算和判断。如申请号为202021756758.5公开的一种超声波管道无损探伤设备，固定架，所述固定架的两侧铰接有调节杆，所述调节杆上安装有超声波探头，且所述调节杆背离所述固架一端转动连接有支撑轮。该装置主要通过超声波探头对管道进行检测，实现原理为通过该装置发射的超声波到达目标管道，然后接受被管道返回的超声波，通过计算发出和接受的超声波从而确定管道的破损情况。该方法没有充分利用管道自身特性，检测计算量大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何利用声纹识别技术在线实时监测管式热交换器内部换热管的状态，并结合结果对状态进行判断。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

利用声纹识别技术在线实时监测管式热交换器内部换热管的结构状态的方法，在管式热交换器使用之初，在管式热交换器上搭建声纹采集装置，利用声纹采集装置对每根换热管(6)的声纹信息进行采集，包括以下步骤：

步骤1.采集管式热交换器内部目标换热管(6)在原始状态下的声纹特征参数，并对每根换热管(6)与其声纹特征参数进行标记；

步骤2.在线对目标换热管(6)进行声纹特征参数采集；

步骤3.将在线状态下采集到的声纹特征参数与原始记录的声纹特征参数进行比对；

步骤4.根据比对结果，对换热管(6)的结构状态进行分析和判断。

本发明通过检测目标自身状态变化而带来的频率变化对目标的状态进行判断。本发明通过换热管自身受外力击打后发出的声音频率作为检测标准，通过比较当前声音频率与原始声音频率的差异，从而判断换热管内部是否磨损或结垢等现象。判断过程简单，计算量极小，无需设计复杂程序，设备维护成本低，易操作。进一步的，所述步骤1中采集换热管(6)原始声纹特征参数后，利用网格法对换热管(6)和对应声纹特征参数进行标记。通过自动控制，无需人员进入密闭空间，安全可靠。

进一步的，所述声纹信息来自于换热管(6)受敲击后产生的自振频率。

进一步的，所述换热管(6)的受敲击位置为管外壁或管内壁。

本发明还对应的提供了应用于上述方法中的管式换热器内部状态在线监测装置，包括起振器、声纹收集器、轨道总成、控制器；所述轨道总成布置在换热器内，起振器和声纹收集器固定在轨道总成上，起振器和声纹收集器的移动路径覆盖换热器的管口端面；所述控制器分别与起振器、声纹收集器、轨道总成的的驱动单元通信连接。

进一步的，所述轨道总成包括第一轨道(1)、第二轨道(2)、第一滑块(10)、第二滑块(20)；所述第一轨道(1)沿换热器外壳3内壁一圈布置，第二轨道(2)的两端通过两块第一滑块(10)与第一轨道(1)滑动固定，第二滑块(20)滑动固定在第二轨道(2)上，所述起振器和声纹收集器与第二滑块(20)固定。

进一步的，所述声纹收集器包括采集部(51)和喇叭收集部(52)；采集部(51)和喇叭收集部(52)的小口径端固定，喇叭收集部(52)的大口径端朝向换热管(6)；所述起振器固定在第二滑块(20)上或固定在喇叭收集部(52)内。

进一步的，所述起振器包括激振器(41)、锤柄(42)、激振锤(43)；所述激振器(41)与第二滑块(20)或喇叭收集部(52)内壁固定，锤柄(42)为电动伸缩杆，一端与激振器(41)固定，另一端与激振锤(43)固定。

进一步的，在所述喇叭收集部(52)内横向设置有横杆(53)，所述激振器(41)固定在所述横杆(53)上。

进一步的，所述激振锤(43)的尺寸小于换热管(6)的管径或小于相邻换热管(6)之间的间隙。

本发明的优点在于：

本发明通过换热管自身受外力击打后发出的声音频率作为检测标准，通过比较当前声音频率与原始声音频率的差异，从而判断换热管内部是否磨损或结垢等现象。判断过程简单，计算量极小，无需设计复杂程序，设备维护成本低，易操作。本发明通过检测目标自身状态变化而带来的频率变化对目标的状态进行判断。通过自动控制，无需人员进入密闭空间，安全可靠。

配套的，本发明还提供一种自动化监测装置，主要涉及击打装置和声纹收集装置，采用在换热器内部安装十字轨道，实现击打装置的运动轨迹覆盖换热器的全端面，能够对每一个换热管进行击打，检测全面。尤其是采用伸缩式的锤柄，可实现激振锤在运动到目标换热管处是下降到设定高度对换热管进行击打，结构设计简单合理。

将起振器整体集成在声纹收集器的喇叭收集部内，即能够减小设备的整体结构，有能最大程度的收集声纹信息。由于声纹收集器离发声点近，声音的传递速度快，损失小，检测准确度高，而且可以在水下或者其他密闭空间产生。

附图说明

图1为本发明实施例中换热管A1的多次声纹特征参数采集结果拟合图；

图2为本发明实施例中管式换热器为圆形结构的端面结构示意图；

图3为本发明实施例中管式换热器为方形结构的端面结构示意图；

图4为本发明实施例中起振器与声纹收集器的集成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

每个物体都存在一个固有频率。固有频率与外界激励没有关系，是结构的一种固有属性。不管外界有没有对结构进行激励，结构的固有频率都是存在的，只是当外界有激励时，结构是按固有频率产生振动响应的。

固有频率计算公式定义如下：f_n＝1/2π√(k/m)，单位为赫兹Hz。其中k是物体的刚度，m是物体质量，而刚度是物体材料的特性，在其结构和材料未发生变化时其刚度维持不变。而热交换器内部换热管在正常运行时其结构和材料均维持不变。因此，换热管的固有频率仅和换热管的质量变化有关。

同时，由于换热管正常工作时是浸没与水中，振动在水中会以声波特征呈现。同时，因为水的密度大于空气密度，所以声波在水中的传播速度比空气中要大。因此在水中对声波的采集速度非常快，适合对大量目标进行高速采集。

由于声纹是振动频率的体现，而每根换热管本身的振动频率是固定的，因此，当换热管的质量发生了变化时，其固有频率一定会发生变化，同时，其声纹特征也会随之变化。

例如，当某根换热管内发生了结垢时，其材质、结构等均未发生变化，但是由于污垢的附着，导致该换热管的质量增加了，此时根据公式f_n＝1/2π√(k/m)可以判断，其固有频率f_n会减小，声纹特征也会随之减小。

当某根换热管内发生了磨损时，其材质、结构等均未发生变化，但是由于管材的损伤，导致该换热管的质量减小了，此时根据公式f_n＝1/2π√(k/m)可以判断，其固有频率f_n会增大，声纹特征也会随之增大。

基于以上原理，本实施例提供一种利用声纹识别技术在线实时监测管式热交换器内部换热管的结构状态的方法，包括以下步骤：

步骤一：采集管式热交换器内部目标换热管在原始状态下的声纹特征参数，并利用网格法对异常声纹的换热管进行标记；具体为：

首先，通过事先在管式热交换器的换热管上搭建好的声纹采集装置，在原始状态下对每根换热管的声纹特征进行采集，获取原始的声纹资料并编号记录。如某凝汽器A，其内部有大量换热管，假设其换热管总数为n，通过网格法对全部换热管编号，同时记录每根换热管所对应的声纹特征。如编号为A1的换热管，其原始声纹特征参数为f_n0。

步骤二：在线对目标换热管进行声纹特征参数的采集；具体为：

在设备运行某个时间段后，对所有换热管的声纹特征进行在线采集。采集方法与原始状态下的采集方法相同，获取运行后的设备声纹状态，并依据原始的编号记录。如某凝汽器A，通过同样的采集方法和网格编号，对全部换热管运行某个时间段t

步骤三：将后期在线状态下采集到的声纹特征参数，与原始记录的声纹特征参数进行比对；比对凝汽器A内全部换热管的声纹特征参数，如换热管A1的原始声纹特征参数f

(1)f

(2)f

(3)f

步骤四：根据比对结果，对换热管的结构状态进行分析和判断，同时可以通过多次记录，分析换热管状态变化趋势。

根据多次记录和标记的趋势，对目标换热管的结构状态进行判断和分析

(1)f

(2)f

(3)f

结合以上结论，通过多次对比结果，可以绘制出凝汽器A换热管A1的在线状态变化趋势。如图1所示，假设换热管A1的多次声纹特征参数采集结果为情况2，经过拟合后生成变化趋势图如图1。图1中A点为f_n0，从图中可以看出换热管A的声纹特征参数的变化趋势从A点开始在逐渐增大，即可判断换热管A1内部随着运行时间的推移逐渐发生了磨损或腐蚀现象；从图中可以看出，在D点处声纹特征参数变化速率明显增大，即可判断此时换热管A1内的磨损或腐蚀现象突然加剧；从图中可以看出，从G点处开始，声纹特征参数没有明显变化，则说明此时换热管A1内的磨损或腐蚀现象趋于稳定，无新增磨损或腐蚀现象。同理，可对凝汽器A内全部换热管进行结果拟合并作出趋势判断。

因此，可以通过对声纹特征参数的趋势判断，对管式热交换器内部不同区域的换热管的结垢或破损状况进行统计和归类，好处是：

1、通过在线状态的监视，可以准确判断发生了结垢或破损的换热管位置，同时可以确定故障类型为结垢或破损，利于检修人员提前做出有针对性的处理措施，有效规划检修计划，大大缩短了停机时间，提高了工作效率。结合其他参数，可以实现对管式热交换器内部换热管状态的在线监测，同时结合其他数据，极大方便了技术人员分析换热管发生结垢或破损的原因。

2、通过长期的状态监视，可以对管式热交换器的热力性能进行有效监控，并做出有效的运行调整手段，有效提升了机组的节能降耗水平，增强了机组的经济性运行能力。

3、及时监测换热管的损伤状态，可有效避免由于换热管的破损而导致的安全事故。

针对上述方法，本实施例还提供一种管式换热器内部状态在线监测装置，包括起振器、声纹收集器、轨道总成、控制器；控制器分别与起振器、声纹收集器、轨道总成的的驱动单元通信连接。

本实施例中，如图2、图3所示(图2和图3中换热管6应布满整个外壳内，为了便于体现其他结构，图中仅示出部分换热管)，轨道总成包括第一轨道1、第二轨道2、第一滑块10、第二滑块20；第一轨道1沿换热器外壳3内壁一圈布置，第二轨道2的两端通过两块第一滑块10与第一轨道1滑动固定，第二滑块20滑动固定在第二轨道2上，起振器和声纹收集器与第二滑块20固定。当热交换器为圆形时，第一轨道1为圆形，如图2所示，第二轨道2沿第一轨道1的直径方向布置，第二轨道2的的两端分别通过两个第一滑块10固定在第一轨道1上。当热交换器为方形时，如图3所示，第一轨道1为方形，第二轨道2沿第一轨道1的长度或者宽度方向布置，第二轨道2的两端分别同两个第一滑块10滑动固定在第一轨道1相对的两条边上。通过第二轨道2在第一轨道1上滑动配合第二滑块20在第二轨道2上滑动，形成十字轨道，可使起振器好声纹收集器的运动路径覆盖整个热交换器的端面。

本实施例中，如图4所示，声纹收集器包括采集部51和喇叭收集部52；采集部51和喇叭收集部52的小口径端固定，喇叭收集部52的大口径端朝向换热管6。起振器包括激振器41、锤柄42、激振锤43；激振器41与第二滑块20或喇叭收集部52内壁固定，锤柄42为电动伸缩杆，一端与激振器41固定，另一端与激振锤43固定。

若起振器固定在喇叭收集部52内时，可以在喇叭收集部52内横向设置一横杆53，作为激振器41的固定基座。

激振锤43的尺寸小于换热管6的管径或小于相邻换热管6之间的间隙。

本实施例中，激振器41与横杆53之间的固定方式、声纹采集部与第二滑块的固定方式可采用如卡接、螺栓连接等可拆卸方式连接，便于维修和更换。

本实施例的工作原理为：

将管式换热器的整个端面通过网格方法进行划分并进行编号，每个网格对应一根换热管6，事先编辑好控制程序，能够使控制第二滑块20带动起振器运动到每个网格处。需要采集目标换热管6的声纹信息时，控制器控制第一滑块10、第二滑块20配合运动，将起振器送至目标换热管6的端面，然后控制激振器41的锤柄42伸长至目标换热管6外或管内，然后控制锤柄42摆动，带动激振锤43敲击目标换热管6的管壁，使目标换热管6发出声音。此时，声纹收集器收集声纹信息，并发送给控制器，控制器将声纹信息发送给处理器进行与该目标换热管6的原始声纹特征进行比对，并输出结果，根据结果即可判断目标换热管6的内部情况。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。