CN102072966A - 一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法，在炉膛同一断面的四壁均匀设置8组声波发射器(2)及声波接收器(3)，构成平面内24条交织的声波传播路径，多个声波发射器(2)分别通过计算机的I/O卡(6)与功率放大器(1)的输出端连接，所述多个声波接收器(3)的电源端分别与开关电源(4)的输出端连接，其信号输出端分别通过A/D卡(7)与计算机(5)连接，计算机(5)通过D/A卡(8)与功率放大器(1)的相应音频输入口连接。本发明具有实时性，及对连续场的再现强的优点，同时该技术对所测流场介质及环境没有要求，具有体积小，便于安装及系统造价低等特点，特别是在电站大型燃煤锅炉炉膛温度场的检测更具有优越性。

Description

一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及锅炉尤其是四角切圆锅炉热态运行的监测设备，特别是一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法。

背景技术

到2020年我国人均装机预计0.6千瓦左右，达到目前世界平均，全国总装机容量达到9.5亿千瓦左右，发电量将达到4.2万亿千瓦时左右。我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤电在发电中的主导地位在短期内难以改变。按发电量计算，目前我国燃煤电量占仅80％。2003年我国煤炭产量16.7亿吨，发电以及热电用煤炭总产量的50％，火电消耗水量约53.4亿立方米。到2020年，燃煤机组容量也将达到6亿千瓦左右，比现在增加一倍，发展受到煤炭资源、水资源以及运输能力的极大制约。我国现有火电机组设备总体技术水平落后，性能与世界先进水平相比有较大差距，发电煤耗高；能源利用率低，进一步加剧了煤炭燃烧造成的气体排放及环境污染。

电力生产的飞速发展，客观上亦对各相关测量技术的先进性提出了要求。其中，锅炉炉内烟气动力场的测量是基本和必要的一项，也是难度最大的。电站及工业锅炉的炉膛及水平烟道内烟气动力场的合理与稳定是锅炉正常运行的前提，所以其方便、可靠的测量十分重要，将为锅炉的安全及优化运行提供直接的依据。

炉膛动力场主要指的是燃烧别及炉膛内的空气(包括空气携带的燃料)以及燃烧产物的流动方向和速度值的分布。锅炉运行的可靠性和经济性与炉膛空气动力场的好坏有着密切的关系。阻止良好的炉膛空气动力场可以保证锅炉燃烧稳定、燃烬迅速、有合宜的炉膛燃烧中心和良好的炉膛火焰充满度，而且炉膛气流无偏斜也不贴边冲刷炉壁。这样就可保持经济而可靠的燃烧从而使锅炉能高效而安全地运行。在新锅炉投入运行和已运行锅炉出现燃烧故障时常需查明炉内实际工况，以便发现问题及时进行燃烧调整。为此，就需进行炉膛空气动力场测试。

炉膛空气动力场的测试一般有两类，一类称为炉膛热态空气动力场测试，另一类称为炉膛冷态空气动力场测试。前者是在锅炉运行时，亦即炉膛是炽热时，进行的炉膛空气动力场测试，其难度较大，因而一般较少测定；后者是在炉膛停用时，亦即炉膛为冷态时，进行的炉膛空气动力场测试，此时，可以采用炉膛照常通风的方法进行测定，较之前者，其测定过程大为简化，因而是一种常用的判别炉膛空气动力工况优劣的测定手段。

炉膛内动力场和温度场互相影响和耦合，炉膛燃烧空气动力场的监测对于炉膛燃烧优化调整和控制有十分重要的意义。锅炉炉内空气动力工况不仅直接影响着锅炉的燃烧工况与效率，还影响着炉膛及受热面的安全性，为解决锅炉结焦、残余旋转等问题，并为锅炉的改造或热态燃烧调整提供可靠的科学依据，锅炉试验人员要经常在现场进行冷态空气动力场试验。炉内冷态空气动力场试验通常用飘带与风速仪测量相结合的方法进行：用飘带网来观察某一截面的全面气流状况，用风速仪在炉内测量炉内选定点的速度大小。这种方法工作繁重，困难大，难于给出不受干扰情况下的炉内空气动力特性。另外也有研究尝试测量技术主要有热线风速仪法，利用热线风速仪与示踪法测量不同工况下某一W型炉内的空气动力场；也有尝试用激光多普勒法对燃烧器湍流流场进行研究，但都有较大的局限性。另外，用较早时期的自编软件，或后来的商用CFD软件对锅炉内的空气动力场甚至燃烧过程等进行模拟计算，也是一种十分有用和常用的研究手段，常常用来对锅炉的设计和运行进行预测和模拟，以达到辅助性的优化和解决锅炉运行中出现的问题的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法，用以在线快速监测四角切圆锅炉炉内流场。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

所述的声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置，其特征是：在炉膛同一断面的四壁均匀设置8组声波发射器及声波接收器，构成平面内24条交织的声波传播路径，多个声波发射器分别通过计算机的I/O卡与功率放大器的输出端连接，所述多个声波接收器的电源端分别与开关电源的输出端连接，其信号输出端分别通过A/D卡与计算机连接，计算机通过D/A卡与功率放大器的相应音频输入口连接。所述I/O卡、A/D卡及D/A卡的采样频率均大于240KHZ。开关电源的输入端与220V连接。功率放大器的供电电源的电压大于24V。

所述基于声学法燃烧锅炉炉膛速度场测量装置的测试方法是：第一步，设置采样参数；第二步，各声波发射器依次发出短促的声波信号，并由各声波接收器接收声波信号并准确辨识，采样模块得到含噪声的信号数据；第三步，信号滤波去噪，得到较好的有用信号；第四步，信号相关分析模块计算各路信号相反两方向的传播时间，由每一个声投射路径始、末端信号计算得到声波在该方向的传播时间；第五步，由各声投射路径上的传播时间来重建所测断面的流场，即断面二维速度分布。

所述重建算法是采用复杂、高效的矢量层析的方法，得到全断面场的近似气流速度分布，得到其切圆的位置大小，可了解所形成的动力场的合理程度。

技术关键主要有两个方面，一是穿过切圆场的声信号的准确辨识，二是流场重建算法的正确与优化。经过大量的科学研究与实验，相关问题已得到较好的解决，并具有与传统测量方法吻合较好的实验结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、为非接触式。不会对所测场造成干扰；

2、快速便捷。进行一次完整的断面切圆流场声波法测量只需约8秒钟；

3、成本低。省去了传统动力场测量时须在炉内搭脚手架，并由工作人员进入炉膛进行逐点测量的大量工作和时间，及期间风机运行费用。

4、为全场测量。声波法测量可以较好地反映全断面切圆场的流速分布，而传统方法只能测断面内中心十字架上的有限点的速度；

5、有望用于热态运行炉内动力场的实时、在线测量，以随时了解炉内空气动力场运行状况，并进行相应的控制调节；

6、可以利用系统的声传感器所接收的炉内声波信号分析是否有四管爆破异常。

本发明由于这项流场监测技术的突出特点是实时性，非接触性，及对连续场的再现，同时该技术对所测流场介质及环境没有要求，因此该技术可以在四角切圆锅炉上广泛应用。具有体积小，便于安装及系统造价低等特点，易为用户所接受，因此具有较强的应用可行性。且炉膛尺寸越大越显示出其优越性，特别是在电站大型燃煤锅炉炉膛温度场的检测更具有优越性。

附图说明

图1是测试原理图，

图2是本发明的结构示意图，

图3是软件系统流程图，

图4所测断面流场实施例图之一，

图5所测断面流场实施例图之二。

图中：1-功率放大器，2-声波发射器，3-声波接收器，4-开关电源，5-计算机，6-I/O卡，7-A/D卡，8-D/A卡，9-供电电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。图1、2中，所述的声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置的特征是：在炉膛同一断面的四壁均匀设置8组声波发射器2及声波接收器3，构成平面内24条交织的声波传播路径，多个声波发射器2分别通过计算机的I/O卡6与功率放大器1的输出端连接，所述多个声波接收器3的电源端分别与开关电源4的输出端连接，其信号输出端分别通过A/D卡7与计算机5连接，计算机5通过D/A卡8与功率放大器1的相应音频输入口连接。所述I/O卡6、A/D卡7及D/A卡8的采样频率均大于240KHZ。开关电源4的输入端与220V连接。功率放大器的供电电源9的电压大于24V。

图3中，所述基于声学法燃烧锅炉炉膛速度场测量装置的测量方法是：第一步，设置采样参数；第二步，各声波发射器依次发出短促的声波信号，并由各声波接收器接收声波信号并准确辨识，采样模块得到含噪声的信号数据；第三步，信号滤波去噪，得到较好的有用信号；第四步，信号相关分析模块计算各路信号相反两方向的传播时间，由每一个声投射路径始、末端信号通过相关法得到声波在该方向的传播时间；第五步，由各声投射路径上的传播时间来重建所测断面的流场，即断面二维速度分布。

所述重建算法是采用复杂、高效的矢量层析的方法，得到全断面场的近似气流速度分布，得到其切圆的位置大小，可了解所形成的动力场的合理程度。

实施前进行如下几项工作：选择合适的数据采集卡。由于实验室模型炉膛尺寸较小，声波传播时间短，需要较高的声波数据采样频率，开始采用循环采样的A/D卡，每通道采样频率最多只能达到100kHz，经实验达不到所需的约10-6的精度要求，后采用同步采集卡，每通道采样频率达240kHz，使声波法重建结果有所改善。

设计适合模型实验要求的拾音器及压电扬声器。对拾音器要求放大倍数适中，扬声器功率适当大，使得所接收到的声波信号有较大的信噪比，有利于信号的有效辨识。

对速度场重建算法和程序进行了大量深入细致的调试和优化，使重建结果更趋合理可靠。

研究了不同的重建算法，一是Helmholtz矢量分解定理，质量守恒及Newmann边界条件等物理定律和条件基础上的一般场重建，一是将四角切圆场简化为由六个参数确定的旋转场模型，实践证明，两个模型各有优势，后者更易于进行近似的重建。

针对现场实验中实际炉膛尺寸，应重新设计拾音器的关键参数，使其信号放大倍数相适宜。同时根据预先的计算及测距实验，将更换扬声器的功放由原来的12V电源更换为24V电源，其有效传播距离预计可满足现场实验要求。另外，A/D卡的采样频率的要求对于实际炉膛有所降低，因为其尺寸为实验室模型的约14倍，这样在同为冷态情况下，传播时间具有相当的比例，所以同样的采样卡，其相对精度也有约14倍的增大。

总之，声波法用于测量炉内空气动力场是可行的，且在硬件系统及重建算法得以优化的基础上，可以较好地测量出炉内断面气流速度场的分布。而在系统得到进一步完善的情况下，将使声波法测量更为理想。已有的实验室实验及现场初步应用表明，声波法炉内断面速度场测量具有显著的工业应用价值和前景。图4、5表示了在所测断面重建流场的实施例图。

Claims (5)

1.一种声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置，其特征是：在炉膛同一断面的四壁均匀设置8组声波发射器(2)及声波接收器(3)，构成平面内24条交织的声波传播路径，多个声波发射器(2)分别通过计算机的I/O卡(6)与功率放大器(1)的输出端连接，多个声波接收器(3)的电源端分别与开关电源(4)的输出端连接，其信号输出端分别通过A/D卡(7)与计算机(5)连接，计算机(5)通过D/A卡(8)与功率放大器(1)的相应音频输入口连接。

2.根据权利要求1所述声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法，其特征是：所述I/O卡(6)、A/D卡(7)及D/A卡(8)的采样频率均大于240KHZ。

3.根据权利要求1所述声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法，其特征是：开关电源(4)的输入端与220V连接。

4.根据权利要求1所述声学法燃烧锅炉炉膛速度场的测量装置及测量方法，其特征是：功率放大器的供电电源(9)的电压大于24V。

5.一种基于声学法燃烧锅炉炉膛速度场测量装置的测量方法，其特征是：第一步，设置采样参数；第二步，各声波发射器(2)依次发出短促的声波信号，并由各声波接收器(3)接收声波信号并准确辨识，采样模块A/D卡(7)得到含噪声的信号数据；第三步，信号滤波去噪，得到有用信号；第四步，计算机(5)调用信号析模块计算各路信号相反两方向的传播时间，由每一个声投射路径始、末端信号计算得到声波在该方向的传播时间；第五步，由各声投射路径上的传播时间采用矢量层析方法，得到全断面场的近似气流速度分布，得到其切圆的位置大小，重建所测断面的流场，即断面二维速度分布场。

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