在热电联产（CHP）工厂使用的大型悬挂式蒸汽锅炉中，悬挂系统（由一系列结构吊杆组成）中的张力分布对于保持设备的运行安全起着关键作用[1]、[2]、[3]。准确了解这些吊杆中的张力有几个重要原因。首先，吊杆系统的长期使用寿命直接取决于所有悬挂点上的负载分布是否适当[2]。其次，锅炉和分离器的重心位置与吊杆中的张力平衡密切相关；偏离设计负载状态可能导致不必要的位移、过大的应力以及锅炉夹套的稳定性丧失[4]、[5]。第三，吊杆与锅炉结构之间的连接件的完整性和使用寿命会受到持续或波动过载的严重影响，这可能会在高温环境中加速疲劳和蠕变过程[5]。
在维护或改造操作后，精确测量张力的重要性更加突出[5]。例如，向锅炉质量添加额外的结构或工艺元件、更换或修改耐火衬里，或进行部分重建都可能显著改变悬挂组件的重心。这些变化会破坏设计的负载分布，因此需要重新评估并在必要时重新调整吊杆张力，以恢复安全和高效的运行。这就提出了一个问题：如何有效地测量包含一百多根吊杆的悬挂式蒸汽锅炉中的张力？
“抬离”方法目前仍是测量和调整吊杆张力的“黄金标准”[1]、[2]。该方法使用应变计系统和基于液压泵的装置，通过物理卸载吊杆并测量将其恢复到原始位置所需的力来确定轴向张力[1]、[3]、[6]。然而，这种方法可能存在高达6%的测量不确定性[1]。在大型蒸汽锅炉中，这种误差可能相当于炉膛本身的109吨重量。假设这部分质量还会增加锅炉的负载，可能会导致压力部件局部超过屈服点，其中压力系统和其他组件的重量通过提升耳片、吊杆传递到支撑钢框架上。
实际上，“抬离”方法既耗时又昂贵。它需要重型液压设备、经验丰富的服务人员以及复杂的传感器安装程序。为了解决这些限制，最近的发展包括连续光纤测量系统[1]。虽然这些系统提高了测量分辨率，但其设置准备仍然劳动密集且成本高昂，限制了它们在频繁检测中的适用性。此外，这是一种增量式方法；因此，确定张力的绝对值的问题仍然存在。
鉴于这些缺点，间接力识别方法受到了关注。这些方法利用结构响应（如加速度[7]、[8]、[9]、应变或磁弹性效应[10]、[11]、[12]）与轴向张力之间的关系。值得注意的是，基于振动的方法（VBM）利用加速度测量已广泛应用于悬索桥和悬挂系统的在役监测，包括吊杆[3]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。
基于振动的方法基于振动理论，将张力表示为n阶振动频率的函数。傅里叶变换（FT）可用于识别振动频率，但它只能确定单一频率，而不能确定时变瞬时频率[18]。短时傅里叶变换（STFT）[21]使用滑动窗口提取局部时频信息，但其分辨率取决于窗口大小，并且难以处理多频信号。小波变换（WT）通过频率调整窗口大小，但在高频时分辨率较差[22]。波包变换（WPT）通过放宽稀疏性和调整波包参数来提高高频分辨率[23]、[24]。然而，时频方法受到海森堡不确定性原理的限制[25]。在电厂吊杆张力识别的背景下，目前傅里叶变换方法已经足够。因此，通过频域中的峰值提取模态频率[14]、[26]。
据我们所知，这是首次将基于振动的识别方法与分析模型结合应用于CHP锅炉吊杆的研究。这些元素在几何形状、刚度分布和边界条件方面与桥梁电缆有显著差异，因此需要专门的分析处理。所提出的方法将为未来涉及连续监测张力变化的结构健康监测（SHM）实现奠定基础[26]、[27]、[28]。
蒸汽锅炉悬挂系统中的一个关键但常被忽视的现象是螺栓串扰——相邻元件之间张力变化的相互影响[29]、[30] [29]、[30]。在吊杆等组件中，改变一个元件的张力会显著影响其他元件的力分布。忽略这种相互作用可能会影响力识别的准确性和张力调节的效果。因此，需要一个系统来连续监测锅炉吊杆中的张力变化，特别是在调整张力时。本研究并未分析螺栓串扰本身，而是专注于开发和验证单根吊杆的测量和识别方法，这是未来多根吊杆分析的基础。重要的是，所提出的系统设计便于在现场监测实际锅炉结构中的串扰效应，即使研究串扰超出了当前手稿的范围。
尽管基于振动的方法在吊杆张力识别方面显示出潜力，但其在热电联产工厂中的实际应用仍受到几个问题的限制。首先，准确的力估计严重依赖于选择合适的分析模型，无论是将吊杆视为理想弦、欧拉-伯努利（E-B）梁还是蒂莫申科梁，但目前尚无针对CHP工厂特定边界条件下的这些模型的全面验证。其次，目前没有标准化的程序或规范指南来确定吊杆张力；现有做法大多基于经验。第三，缺乏能够利用振动加速度数据快速在现场确定轴向力的紧凑、易于使用的测量系统，也缺乏能够进行连续力监测的系统。最后，许多热电联产工厂已经长期运行（LTO），超出了其原始设计寿命，因此可靠的张力监测系统对于确保结构安全和性能至关重要。
本研究通过开发一种智能测量方法，利用基于振动的方法来确定CHP工厂中吊杆的张力，填补了大型悬挂锅炉系统监测的重要空白。尽管“抬离”方法等传统技术被广泛认可，但它们耗时、侵入性强，且通常不适用于大规模或长期运行的单元。相比之下，所提出的系统利用基于MEMS（微机电系统）的三维加速度计，直接部署在CHP工厂的恶劣运行环境中，以捕获高分辨率的多维振动信号。该系统设计用于快速安装、对工厂运行干扰最小，并能在现场条件下进行连续监测。
为了实现这一目标，本研究旨在回答以下关键研究问题：（i）在常用的VBM分析模型中，哪些模型可以可靠地应用于CHP工厂，特别是长期运行的单元？（ii）当由于缺乏系统监测而不知道负载历史时，能否快速简便地进行吊杆张力测量？（iii）与当前的“抬离”参考方法相比，能否缩短测量时间？
核心科学假设是，通过在实际边界条件下对分析模型进行系统验证，可以建立一种稳健、快速且经济有效的基于振动的吊杆张力评估程序。这样的程序可以成为未来规范指南的基础，有助于提高CHP工厂运行的可靠性、安全性和效率。
