[0001] 本发明涉及工程监测领域，特别是涉及一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统及方法。

[0002] 火电厂锅炉炉膛在结构上由前、后、左、右四面水冷壁受热面管屏组成，水冷壁管内为流动的水或蒸汽，管外受锅炉炉膛内部火焰的热辐射，因此锅炉在运行过程中，水冷壁管屏会受热发生膨胀，当锅炉负荷发生变化时，水冷壁管屏会发生相对膨胀或收缩现象，尤其在深度调峰背景下，负荷的剧烈变动，炉膛的膨胀和收缩现象更加明显。因此，加强锅炉炉膛的膨胀监测是保障锅炉安全运行的有效手段之一。

[0003] 目前，锅炉炉膛膨胀监测普遍采用的是一种机械式坐标指示器，这种指示器由一根钢制指针和一块标有坐标网格的铁板构成，焊接在监测部位，通过指针在坐标网格上的示数变化来表示炉膛膨胀量。通过机械式坐标指示器对锅炉炉膛膨胀量进行监测往往存在以下问题，首先，依靠指针读数，测量精准度低；其次，坐标指示器架设的环境比较恶劣，容易损坏，有的坐标指示器架设位置不佳，每次测量都要技术人员亲临现场，不便于技术人员现场测量，测量过程还存在一定的安全风险；另外，测量数据比较分散，属于一种“断点式”的测量方式，不能反映炉膛的膨胀变化趋势。

[0033] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0034] 本实施例提供一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统，包括工作台104、激光测距模块100、角度测量模块103、第一靶105、第二靶106和控制装置111，所述工作台104、所述第一靶105和所述第二靶106用于布置于锅炉炉膛的水冷壁管屏112；

[0035] 所述激光测距模块100、所述角度测量模块103均设置于所述工作台104，所述激光测距模块100包括第一激光发射装置101和第二激光发射装置102，且所述第一激光发射装置101和所述第二激光发射装置102通过所述角度测量模块103连接且分别可转动，所述角度测量模块103用于测量所述第一激光发射装置101和所述第二激光发射装置102之间夹角，所述第一激光发射装置101用于发出光束并使光束入射至所述第一靶105以测量距离，所述第二激光发射装置102用于发出光束并使光束入射至所述第二靶106以测量距离；

[0036] 所述工作台104还设置有数据传输模块，所述数据传输模块用于将测得的距离数据和角度数据传输至所述控制装置111，所述控制装置111用于进行数据的存储和计算。

[0037] 第一激光发射装置101可转动使第一激光发射装置101发出的光束方向随之改变，第二激光发射装置102可转动使第二激光发射装置102发出的光束方向随之改变。第一激光发射装置101和第二激光发射装置102之间夹角可认为是第一激光发射装置101的出光方向和所述第二激光发射装置102的出光方向之间的夹角。

[0038] 将工作台104、第一靶105和第二靶106布置于锅炉炉膛的水冷壁管屏112，第一激光发射装置101发出光束，光束入射至第一靶105，可测量到第一靶105的距离；第二激光发射装置102发出光束，光束入射至第二靶106，可测量到第二靶106的距离。本实施例的锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统，能够实现锅炉炉膛膨胀量的在线、远程、精准、实时监测。

[0039] 示例性地可参考图1，图1为一实施例提供的一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统的工作台和激光测距模块的结构示意图，如图所示，激光测距模块100和角度测量模块103均设置于工作台104，第一激光发射装置101和第二激光发射装置102通过角度测量模块
103连接，第一激光发射装置101和第二激光发射装置102的转轴重合，两者分别能够以转轴转动。

[0040] 激光测距模块100可设置有激光源，可发出光束。在一些实施方式中，第一激光发射装置101设置有用于使激光源产生的光束发射出的光束孔110，第二激光发射装置102设置有用于使激光源产生的光束发射出的光束孔110。本系统基于光测量距离，实现监测锅炉水冷壁管屏的膨胀情况，与现有使用机械式坐标指示器相比能够提高对锅炉水冷壁膨胀监测的测量精准度。激光测距模块100的测量精度为0.1mm，能够保证测量精度。角度测量模块103的测量精度为0.05°，可以保证测量结果的精准度。

[0041] 本实施例中，对第一靶105、第二靶106的结构分别不做限定。在一些实施方式中，第一靶105包括第一靶柄109、第一靶板107和第一靶点108，第一靶柄109和第一靶板107连接，第一靶点108设置于第一靶板107上。第二靶可包括第二靶柄、第二靶板和第二靶点，第二靶柄和第二靶板连接，第二靶点设置于第二靶板上。设置于靶板上的靶点用于标定激光发射装置对准靶，使激光发射装置发出的光束入射至靶板上。靶可通过靶柄固定于水冷壁管屏112，比如固定于水冷壁管屏112的鳍片上。示例性地可参考图2，图2为一实施例提供的一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统的第一靶的结构示意图，如图所示，第一靶柄109和第一靶板107连接，第一靶点108设置于第一靶板107上。示例性地第一靶点108或者第二靶点可以是荧光斑点，其尺寸可以根据应用需求设置，比如圆径为10mm。

[0042] 通过数据传输模块将测得的距离数据和角度数据传输至控制装置111。数据传输模块可以设置于工作台104内部。控制装置111进行数据的存储和计算，以实现对水冷壁管屏选定区域膨胀量的在线监测。控制装置111可以是计算机，控制装置111也就是电脑端。

[0043] 示例性地可参考图3，图3为一实施例提供的一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统的应用展示示意图，如图所示，第一激光发射装置101和第二激光发射装置102随工作台104布置于相应位置，第一靶105、第二靶106分别布置于不同位置，激光测距模块100测得的距离数据和角度测量模块103测得的角度数据可以传输至控制装置111。可通过焊接将工作台104固定于水冷壁管屏112上相应位置，可通过焊接分别将第一靶105、第二靶106固定于水冷壁管屏112上相应位置。

[0044] 本实施例还提供一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测方法，应用以上任一项实施方式所述的锅炉炉膛膨胀监测的智能监测系统，包括以下步骤：

[0045] 步骤S1：在锅炉炉膛的水冷壁管屏112上一侧布置工作台104，在所述水冷壁管屏112上另一侧选定上方位置和下方位置，将第一靶105、第二靶106分别布置于所述上方位置、所述下方位置；

[0046] 步骤S2：在锅炉运行的第一时刻t0，开启激光测距模块100的第一激光发射装置101和第二激光发射装置102，并分别调节所述第一激光发射装置101、所述第二激光发射装置102转动，使所述第一激光发射装置101发出的光束入射至所述第一靶105，所述第二激光发射装置102发出的光束入射至所述第二靶106；

[0047] 步骤S3：由所述激光测距模块100分别测量获得至所述第一靶105、所述第二靶106的距离，分别记为a、b；

[0048] 步骤S4：由所述角度测量模块103测量所述激光测距模块100的所述第一激光发射装置101和所述第二激光发射装置102之间夹角，记为α；

[0049] 步骤S5：根据以下公式(1)获得所述第一靶105和所述第二靶106的距离，记为d，则d表示所述锅炉炉膛的水冷壁管屏112的垂直距离：

[0050]

[0051] 步骤S6：根据以下公式(2)获得所述激光测距模块100至所述第一靶105和所述第二靶106连线的垂直距离，记为h，则h表示所述锅炉炉膛的水冷壁管屏112的水平距离：

[0052]

[0053] 步骤S7：在锅炉运行的第二时刻t重复上述步骤S2～S6，获得在锅炉运行的第二时刻t所述锅炉炉膛的水冷壁管屏112的垂直距离和水平距离，分别记为d′和h′；

[0054] 步骤S8：相比于第一时刻t0，在第二时刻t时所述锅炉炉膛的水冷壁管屏112的膨胀位移分别为△d和△h，有：△d＝d′‑d，△h＝h′‑h。

[0055] 选定锅炉炉膛的水冷壁管屏112，可以将工作台104布置在选定的水冷壁管屏112一侧鳍片上，在水冷壁管屏112另一侧鳍片上选定上、下两个位置，分别将第一靶105、第二靶106布置于上方位置、下方位置。

[0056] 可以通过控制装置111控制开启第一激光发射装置101和第二激光发射装置102，具体可以通过控制装置111控制开启激光测距模块100的第一激光发射装置101和第二激光发射装置102的激光源，来开启第一激光发射装置101和第二激光发射装置102。可以通过控制装置111分别控制第一激光发射装置101转动和第二激光发射装置102转动。激光测距模块100测得的距离数据以及角度测量模块103测得的角度数据，可以通过工作台104的数据传输模块传输至控制装置111，由控制装置111进行数据的存储和计算。

[0057] 可结合参考图3和图4，图4为一实施例提供的一种锅炉炉膛膨胀监测的智能监测方法的原理示意图，激光测距模块100中的激光源可以记为C点，第一靶105、第二靶106可分别记为A点、B点，则A、B、C三点构成一个三角形，即△ABC。第一激光发射装置101发出的光束打在第一靶105上，可以视作△ABC的AC边，那么第一激光发射装置101至第一靶105的距离即为AC边的边长，记为a；同样，第二激光发射装置102发出的光束打在第二靶106上，可以视作△ABC的BC边，那么第二激光发射装置102至第二靶106的距离即为BC边的边长，记为b，同时，连接代表第一靶105的A点和代表第二靶106的B点，即为△ABC的AB边，则AB边的边长可以表示第一靶105和第二靶106之间的距离，记为d。

[0058] 角度测量模块103可以测量获得第一激光发射装置101和第二激光发射装置102之间夹角，记为α，即∠ACB＝α。根据三角形余弦定理，可以求得AB边的边长d，有：

[0059]

[0060] 若第一靶105和第二靶106连线与水冷壁管平行，计算得到的距离d可认为是水冷壁管屏112在垂直方向的距离。

[0061] 进一步地，在△ABC中过C点做与AB边垂直的线段CO，O点为与AB边的交点，则△ABC的AB边的高CO，长度记为h，可表示激光测距模块100的激光源至第一靶105和第二靶106连线的垂直距离。高CO将△ABC分成两个直角三角形，分别为直角△AOC和直角△BOC，设BO边的边长为x，则AO边的边长为d‑x，根据直角三角形的勾股定理可以求得高CO的长度h，有：

[0062]

[0063] 若第一靶105和第二靶106所在直线与水冷壁管平行，计算得到的距离h可认为是水冷壁管屏112在水平方向的距离即水平距离。

[0064] 下面以应用本实施例的智能监测系统及方法对某电厂锅炉水冷壁管屏进行启停过程中的膨胀监测为例进行详细说明，可参考图5，具体方法步骤如下：

[0065] 步骤1：以锅炉炉膛前墙的水冷壁管屏112为待测对象，选定待检测区域，通过焊接将工作台104固定安装在水冷壁管屏112选定区域一侧鳍片上；在选定区域的另一侧鳍片上选定上、下两个位置，通过焊接将第一靶105的靶柄、第二靶106的靶柄安装固定，且第一靶105的靶板、第二靶106的靶板保持与水冷壁管平行。

[0066] 步骤2：机组停机时，通过控制装置111打开激光测距模块100的第一激光发射装置101和第二激光发射装置102的激光源，并调节转动，使两束激光分别落在第一靶105的靶点上、第二靶106的靶点上。

[0067] 步骤3：通过激光测距模块100分别测量激光源至两个靶点的距离，分别记为a、b，且：a＝14007.21mm，b＝14543.61mm。通过工作台104的数据传输模块将距离数据传输至控制装置111。

[0068] 步骤4：通过角度测量模块103测量第一激光发射装置101和第二激光发射装置102之间的夹角，记为α，且α＝15.45°。通过工作台104的数据传输模块将角度数据传输至控制装置111。

[0069] 步骤5：控制装置111对上述测量数据进行计算和存储，根据三角形余弦定理可以求得水冷壁管屏112上、下靶点的垂直距离，记为d，且有：

[0070]

[0071] 将测量结果a、b及α代入上式，求得d＝3872.46mm。

[0072] 步骤6：通过控制装置111对上述测量数据进行计算和存储，根据直角三角形的勾股定理可以求得水冷壁管屏112的水平距离，记为h，且有：

[0073]

[0074] 同样，将测量结果a、b及α代入上式，求得h＝14014.15mm。

[0075] 步骤7：机组点火启动且稳定运行后，重复上述步骤2～3，通过激光测距模块100分别测量得到激光源至两个靶点的距离，分别记为a'、b'，且a'＝14179.28mm，b'＝14621.71mm；重复上述步骤4，通过角度测量模块103测量得到第一激光发射装置101和第二激光发射装置102之间的夹角，记为α′，且α′＝15.60°。重复上述步骤5，可以求得锅炉启动后炉膛水冷壁管屏112的垂直距离和水平距离，分别记为d′和h′，且有：

[0076]

[0077] 同样，将测量结果a′、b′及α′代入上式，求得d′＝3933.24mm，h′＝14175.05mm。

[0078] 步骤8：锅炉启停期间，锅炉炉膛的水冷壁管屏112的膨胀位移分别为△d和△h，且有：△d＝d′‑d，△h＝h′‑h。

[0079] 同样，将上述计算结果d、d′、h和h′代入上式，求得△d＝60.78mm，△h＝160.90mm，即表示锅炉启停过程中，锅炉前墙水冷壁管屏112在垂直方向上的膨胀量为60.78mm，在水平方向上的膨胀量为160.90mm。

[0080] 至此，通过本实施例中的智能监测系统及方法，完成了对该电厂锅炉炉膛前墙水冷壁管屏在锅炉启停过程中的膨胀监测，当然地，按照本实施例，可以将监测系统安装在锅炉炉膛的后墙及侧墙水冷壁管屏的选定区域上，实现对整个炉膛的膨胀监测。

[0081] 以上对本发明所提供的锅炉炉膛膨胀监测的智能监测装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。