CN101876698A - 电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于火力发电机组的锅炉管道泄漏探测定位技术领域的一种电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，根据电站锅炉的结构特点设计出了锅炉承压管泄漏精确定位传声器阵列及其在炉膛中的布置，通过ML广义互相关得到时间迟延估计，并采用时间迟延组合的求解算法实现承压管泄漏的精确位置确定。通过声程差组合得到平面正四方阵的定位算法也适用于空中运动目标，如飞机、导弹和无人机等目标的高精确度定位、近场被动声测的高精确度定位。

Description

电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统

技术领域

本发明属于火力发电中锅炉承压管泄漏监测技术，具体说是涉及火力发电机组的锅炉内水冷壁、过热器、再热器和省煤器受热面管道泄漏的精确定位技术。

背景技术

火电锅炉的“四管”泄漏一直是困扰火电机组安全生产的一大难题，进行锅炉爆管早期预报，在其还未发展成为破坏性爆漏之前及时发现泄漏，并确定泄漏点的位置。对于妥善安排停炉、缩短检修时间、减少经济损失有重大意义。

目前，国内外(参见专利“Acoustic Leak Detection System”，US4960079、“锅炉承压管泄漏在线监测仪”，CN2253829)炉管泄漏检测装置采用大量布置测点覆盖锅炉受热面，在滤掉锅炉背景噪声后检测泄漏声的声压级大小和泄漏声的频谱特征对泄漏是否发生加以诊断。若某测点发生报警，则确定泄漏源位于该测点为圆心，10米为半径的半球空间内，所以装置的主要作用还是判断泄漏并确定泄露的受热面，并不能定位到具体的管排上。对于泄漏孔径1～4mm，检修任务则往往需要花费大量的人力和时间，其面临的重大技术难题是解决泄漏源的精确定位问题。

本发明突破当前锅炉四管泄漏检测中单点各自探测的思路，考虑各个单点传感器之间的相干信息-将传声器组成阵列接收泄漏信号，经过对声信号的互相关处理得出声音到达不同位置传声器的时间差，再根据目标与基元位置之间的几何关系确定出其泄漏位置。

但是基于传声器阵列的被动声测定位主要应用于雷达和声纳系统的测距和定位中，其定位算法建立在定位目标距离远大于声阵特征尺寸(远场r＞＞L)的基础上，本发明的目的之一在于根据锅炉结构特点建立适用于电站锅炉的被动声测定位算法。

发明内容

本发明的目的是为了在电站锅炉承压管泄漏后，确定泄漏点的位置。从而妥善安排停炉、缩短检修时间、减少经济损失。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一：由于泄漏坐标是三维参量，若采用线阵只能确定其中的二维参量；立体阵可以对整个空间定位，但其算法要复杂得多；面阵中可以在整个平面对泄漏声源进行定位，五元或五元以上构成的十字阵列和均匀圆阵有良好的测量性能，其基本思想是通过增加敏感元来提高定位精度，但增加元数势必增加系统的成本且其结构也不适合在电站锅炉上应用；首先设计出由M₁、M₂、M₃和M₄四个传声器构成的平面声阵列与其在炉膛的布置。

步骤二：通过ML广义互相关得到时间延迟估计。d_ij表示传声器M_i到M_j距点声源的距离差，即d_ij＝SM_i-SM_j＝cτ_ij，τ_ij为其时间延迟，c为有效声速，T为观测时间，其两路信号的互相关时延估计为：

${\hat{R}}_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T-\mathrm{\τ}}\underset{\mathrm{\τ}}{\overset{T}{\∫}}{x}_1\left(t\right)\·x_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

加窗滤波后，两信号的互功率谱可表示为：

$G_{P_1{P}_2}\left(f\right)=H_1\left(f\right){H_2}^{*}\left(f\right)G_{x_1{x}_2}\left(f\right)$

又因为互相关函数与互功率谱函数之间是一对傅里叶变换的关系，因此相关函数的输出为：

${\hat{R}}_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\ψ}}_{12}{\hat{G}}_{x_1{x}_2}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}$

ML(最大似然)权函数为 ${\mathrm{\ψ}}_{12}=H_1\left(f\right){H_2}^{*}\left(f\right)=\frac{{\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2}{\left|G_{x_1{x}_2}\left(f\right)\right|(1-{\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2)}$

其中，|γ(f)|²为两麦克接受信号的模平方相干函数，表达式为

${\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2=\frac{{\left|G_{x_1{x}_2}\left(f\right)\right|}^2}{G_{x_1{x}_1}\left(f\right)G_{x_2{x}_2}\left(f\right)}$

和

分别表示信号的自功率谱和互功率谱。

步骤三：雷达和声纳系统的四元阵列测距和定位中，通常进行远场假设r＞＞L(其中r为声源到基阵中心距离，L为基阵特征尺寸)，所以有

$d_{21}^2+d_{41}^2\≈L^2{\cos }^2\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

由(1)、(2)、(3)式即可得出雷达和声纳系统定向和定距公式

从定位方程来看，泄漏源坐标参数与四元方阵的特征寸，炉膛内声传播速度以及时延测量值有关，前两项通过精确预测可使测量误差减小到所要求的精度范围内，因而对目标定位精度的分析仅考虑时延估计误差所带来的影响。若各基元的噪声独立，延测量值不相关且时延测量噪声服从均值为0，方差为σ_τ ²的高斯分布。根据误差合成理论，雷达和声纳系统的四元阵列测距和定位算法时延误差引起方位角

俯仰角θ的测量误差为：

由求解方位角

仰角θ的公式可见，此处应用了r＞＞L，但对于电站锅炉：国内某电厂8#锅炉型号为SG-1025/17.5-M723，其结构为深13.64m、宽14.022m、高74.13m，如应用r＞＞L，忽略

项会对方位角

仰角θ的求解精度造成很大的影响。

本发明采用如下的算法，通过时间迟延的组合提高定位精度，将公式相加得：

同理可得

将两式相除可得

令τ_x＝τ₃₁+τ₂₁+τ₃₄-τ₄₂，τy＝τ₃₁+τ₃₂+τ₄₂+τ₄₁即：

同理可得到仰角的计算公式

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ar}\cos \frac{1}{4L}\sqrt{d_x^2+d_y^2}=\mathrm{ar}\cos \frac{c}{4L}\sqrt{{\mathrm{\τ}}_x^2+{\mathrm{\τ}}_y^2}$

即，锅炉“四管”泄漏精确定位系统采用的时间迟延组合的求解算法：

根据误差合成理论，时延误差引起方位角

的测量误差为：

其中利用

(2τ₃₁+τ₃₂+τ₂₁+τ₄₁+τ₄₃)²+(2τ₄₂+τ₃₂+τ₄₁-τ₂₁-τ₃₄)²

+2(τ₃₁+τ₃₂+τ₄₂+τ₄₁)²+2(τ₃₁+τ₂₁+τ₃₄-τ₄₂)²

＝4[(τ₃₁+τ₃₂+τ₄₂+τ₄₁)²+(τ₃₁+τ₂₁+τ₃₄-τ₄₂)²]

从而得到化简：

同理可得锅炉“四管”泄漏精确定位系统采用的时间迟延组合的求解算法时延误差引起方位角

俯仰角θ的测量误差为：

比较公式(5)和(7)，可以看出应用了r＞＞L，忽略

项的影响会对求解精度造成影响，而通过时间迟延组合的求解方法则能将方位角

俯仰角θ定位方差减小一半。

本发明的有益效果是突破当前锅炉四管泄漏检测中单点各自探测的思路，考虑各个单点传感器之间的相干信息-将传声器组成阵列接收泄漏信号，经过对声信号的互相关处理得出声音到达不同位置传声器的时间差，再根据目标与基元位置之间的几何关系确定出其泄漏位置。根据锅炉结构特点设计出了锅炉承压管泄漏精确定位传声器阵列及其在炉膛中的布置；通过ML广义互相关函数得到时间迟延估计比直接互相关峰值稳定尖锐；采用时间迟延组合的求解算法实现承压管泄漏的精确位置确定其定位误差比雷达和声纳系统的四元阵列测距和定位的方位角俯仰角θ方差减小一半；解决了锅炉“四管”泄漏的精确定位问题。

附图说明

图1平面四元阵列被动声定位系统传声器布置

图2 600MW机组锅炉“四管”泄漏定位四元阵列分布图

图3锅炉“四管”泄漏精确定位系统拓扑图

图4“四管”泄漏被动声测ML广义互相关时间迟延估计

具体实施方式

采用平面四元阵列对电站锅炉四管泄漏进行精确定位，其传声器的阵列结构及其在炉膛的分布如图1、图2所示，测点布置可根据现场情况适当改动。SG-1025/17.5-M723型号锅炉共分为A、B、C、D、E、F、G层，共30个测点。

定位系统的硬件及软件拓扑结构如图3所示。传声器和前置放大器采用1/2英寸预极化驻极体测量传声器MP201(灵敏度50mV/Pa)和ICP前置放大器MA201。信号调理器提供用于传感器的ICCP供电，并可对信号进行滤波与放大。调节档分三个：1倍，10倍，100倍，BNC接头，18V直流电源供电，调理后的信号通过68针同轴接头电缆与数据采集卡连接。

采用LabVIEW软件和NI PXI-6133采集卡，每通道采样速率最高可达3MS/s。设置采样频率为f_s＝102400S/s。国内某电厂8#锅炉型号为SG-1025/17.5-M723，其结构为深13.64m、宽14.022m、高74.13m，设计四元阵列的特征尺寸为12m。现场蒸汽喷气，蒸汽压力为5～8.1MPa，孔径为2mm得到ML广义互相关时间迟延估计(通道1、2)如图4所示。在采样点N＝426处检测到ML广义互相关函数非常稳定的尖锐峰值，计算 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{f_S}{N},$ 实验结果如下：

表1电站锅炉承压管泄漏定位ML广义互相关时间迟延估计结果     s

实施例1

利用基阵B测量得到水冷壁管道泄漏定位结果如表2所示。

表2水冷壁管道泄漏定位

实施例2

利用基阵C测量得到再热器管道泄漏定位结果如表3所示。

表3再热器管道泄漏定位结果

实施例3

利用基阵D的NO.13，14，19，20测点测量得到过热器管道泄漏定位结果如表4所示。

表4过热器管道泄漏定位结果

实施例4

利用基阵E测量得到省煤器管道泄漏定位结果如表5所示。

表5省煤器管道泄漏定位结果

Claims (6)

1.一种电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于：根据电站锅炉的结构特点设计出由M₁、M₂、M₃和M₄4个传声器构成平面四元声阵列并给出其在炉膛的分布，通过ML广义互相关函数得到时间迟延估计，采用时间迟延组合的求解算法实现锅炉承压管泄漏的精确位置确定。

2.根据权利要求1所述电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于：所述电站锅炉的泄漏点坐标是三维参量，若采用线阵只能确定其中的二维参量；立体阵可以对整个空间定位，但其算法要复杂得多；面阵中可以在整个平面对泄漏声源进行定位，五元或五元以上构成的十字阵列和均匀圆阵有良好的测量性能，其基本思想是通过增加敏感元来提高定位精度，但增加元数势必增加系统的成本且其结构也不适合在电站锅炉上应用，因此设计出由M₁、M₂、M₃和M₄，四个传声器构成的平面声阵列及其在炉膛的布置方式。

3.根据权利要求1所述电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于，所述时间延迟估计采用ML广义互相关法：

${\hat{R}}_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\ψ}}_{12}{\hat{G}}_{x_1{x}_2}\left(f\right)e^{j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{df}$

ML为最大似然权函数

${\mathrm{\ψ}}_{12}=H_1\left(f\right){H_2}^{*}\left(f\right)=\frac{{\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2}{\left|G_{x_1{x}_2}\left(f\right)\right|(1-{\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2)}$

其中，|γ(f)|²为两麦克接受信号的模平方相干函数，表达式为

${\left|\mathrm{\γ}\left(f\right)\right|}^2=\frac{{\left|G_{x_1{x}_2}\left(f\right)\right|}^2}{G_{x_1{x}_1}\left(f\right)G_{x_2{x}_2}\left(f\right)}$

和

分别表示信号的自功率谱和互功率谱。

4.根据权利要求1所述电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于采用的时间迟延组合的求解算法为：

5.根据权利要求4所述电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于泄漏信号方位角

的精确解应用取代

得到。

6.根据权利要求4所述电站锅炉“四管”泄漏声测精确定位系统，其特征在于应用 $\mathrm{\θ}=\mathrm{ar}\cos \frac{1}{4L}\sqrt{d_x^2+d_y^2}=\mathrm{ar}\cos \frac{c}{4L}\sqrt{{\mathrm{\τ}}_x^2+{\mathrm{\τ}}_y^2},$ 取代 $d_{21}^2+d_{41}^2\≈L^2{\cos }^2\mathrm{\θ}$ 得到泄漏信号仰角θ的精确解。

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