CN104535276A - 一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵的锅炉四管泄漏的监测方法以及系统。该检测系统由依次连接的线阵及接收电路单元、信号处理单元、控制单元以及执行机构组成。该监测方法包括在锅炉内固定一条滑轨，将声学基阵安装在滑轨上，声学线阵由3-5个无指向性的单声学传感器（阵元）组成；根据线阵测量得到的数据进行波束形成，并对数据进行分析以判断是否存在漏点；依据阵列处理后的数据，计算泄漏点的方位角；移动线阵至滑轨另一侧，接收数据，对数据进行波束形成，计算泄漏点的方位角；控制线阵旋转90°，计算泄漏点的俯仰角；最后，依据测量的方位角、俯仰角、基阵在滑轨上运动的距离解算出泄漏点的精确位置。本发明利用声呐基阵阵元之间信号的相干性，实现了锅炉四管泄漏的在线监测，装置结构紧凑，容易应用于工业现场。

Description

一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统

技术领域

本发明属于锅炉承压管泄漏监测技术领域，尤其涉及一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统。

背景技术

火力发电机组的锅炉四管包括：水冷壁、过热器、再热器和省煤器受热面管道。锅炉四管泄漏一直是困扰火电机组安全生产的难题，进行锅炉四管爆管早期预报，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。据历年不完全统计锅炉″四管″爆漏占火力发电机组各类非计划停运原因之首。锅炉一旦发生″四管″爆漏，增加非计划停运损失，增大检修工作量，有时还可能酿成事故，严重影响火力发电厂安全、经济运行。

目前，国内外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位置坐标。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。

通过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声学传声器的时间差，再根据目标与基元位置之间的几何关系可以确定出其泄漏位置。但是单个声学传感器的探测范围小、精度低，特别是其定距误差很大，有时几乎无法实现。因此，研制一种能够精确定位泄漏源位置的监测方法和系统已成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法及系统，以实现泄漏源位置的精确定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测系统，该系统由依次连接的线阵及附属的接收电路单元、信号处理单元、控制单元以及执行机构组成，其特征在于：

线阵及接收电路单元，由3-5个无指向性的单声学传感器(阵元)及其附属的接收电路组成，用于接收锅炉内的声学信号并转换为电信号发送给信号处理单元；

信号处理单元，与线阵及其附属的接收电路单元和控制单元连接，接收来自线阵及其附属的接收电路单元的电信号，对该电信号进行波束形成以及快速傅里叶变换(FFT)变换，进而判断是否发生泄漏以及计算泄漏点的位置，并发送命令给控制单元；

控制单元，与信号处理单元和执行机构连接，向执行机构发送控制命令，控制线阵的位置移动和90°旋转；

执行机构，与控制单元连接，接收来自控制单元的信号。

一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法，在管路上部的轨道上安装有线阵，所述线阵由3～5个阵元组成，所述阵元无指向性，该监测方法包括：

步骤1、线阵上的各个阵元接收泄漏点目标辐射噪声，由如下公式计算所述目标辐射噪声的指向性函数D(θ)；

$D\left(\mathrm{\θ}\right)={\left\{E\right[{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s(t+{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\τ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_0\right))\right)}^2\left]\right\}}^{1/2}$

上式中，N为线阵的接收阵元个数，θ₀为信号入射角，s(t+τ_i(θ₀))为到达第i个阵元的信号，假设信号入射方向改变为θ，则第i路信号延时τ_i(θ₀)后就表示为s(t+τ_i(θ)-τ_i(θ₀))。

在D(θ)为最大值的角度上对接收到的各路目标辐射噪声进行叠加，将叠加后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)计算，求得目标辐射噪声的频域分布；

步骤2、如果在得到目标辐射噪声的频域分布中，频率为1000Hz以上的信号突然增加，则判断锅炉中出现了管道泄漏，执行步骤3；如果在得到目标辐射噪声的频域分布中，主要为250～1000Hz的低频信号，则表明锅炉中未出现管道泄漏，返回步骤1，重复进行检测；

步骤3、以线阵所在位置为坐标原点建立坐标系，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ，泄露点M在xoy平面内的投影M1(x，y，0)，得到表达式：x＝y tanθ；控制线阵沿着导轨移动距离L，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ′，泄露点M在xoy平面内的投影的表达式为：x-L＝y tanθ′；将线阵旋转90°，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点俯仰角φ，泄露点M在xoz平面内的投影的表达式为：x-L＝ztanφ；计算确定泄漏点的坐标M(x，y，z)由以下公式计算得出：

x＝L·tanθ

$y=\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}-{\tan \mathrm{\θ}}^{\′}}$

$z=L\·(\frac{\tan \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\θ}-\tan {\mathrm{\θ}}^{\′}}-1)\tan \mathrm{\φ}$

根据计算得到的泄漏点坐标方位M(x，y，z)，确定泄漏点的位置。

优选的，所述数字信号处理器采用TMS320LF2812。

本发明中所提出的监测方法及系统，至少可以达到以下有益效果：

1)能够进行锅炉四管爆管早期预报，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；

2)突破了当前锅炉四管泄漏检测中单点各自探测的思路，通过控制线阵在轨道上移动，可以在不同的位置进行多次信号采集，结构简单，线阵灵活布置于火力发电机组的锅炉内水冷壁、过热器、再热器和省煤器的受热面，根据目标与传声器位置之间的几何关系确定其精确的泄漏位置。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1监测系统拓扑结构示意图；

图2监测系统工作方式示意图；

图3线阵波束形成示意图；

图4泄漏点xoy平面坐标示意图；

图5泄漏点xoz平面坐标示意图；

图6信号处理示意图。

具体实施方式

根据本发明的实施例，监测系统拓扑结构如图2所示。该监测系统由依次连接的线阵及其附属的接收电路单元、信号处理单元、控制单元以及执行机构组成。

其中线阵及接收电路单元，由3-5个无指向性的单声学传感器及其附带的接收电路组成，声学传感器用于接收锅炉内泄漏点的声学信号，接收电路进行声电转换，将声压信号转换为电压信号，发送到信号处理单元，为信号处理单元提供信号源。

信号处理单元，与线阵及其附属的接收电路单元和控制单元连接。信号处理单元集成在数字信号处理器TMS320LF2812内部，接收来自线阵及其附属的接收电路单元的电信号，进行波束形成和快速傅里叶(FFT)变换，通过频谱判断是否发生泄漏，并将结果发送给控制单元。

数字信号处理器芯片的型号为TMS320LF2812，这是美国TI公司推出的运动控制型的32位定点数字信号处理芯片，不仅能进行高速数字信号计算；拥有的EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集更使其对电机控制得心应手。

控制单元，与信号处理单元和执行机构连接，向执行机构发送控制命令，控制线阵的位置移动和90°旋转。控制单元集成在数字信号处理器TMS320LF2812内部，其核心为两个事件管理器(EVA、EVB)模块。事件管理器既可以实时控制电机，(由PWM(脉宽调制)电路实现)，还可以监测电机的运行状态(由QEP(正交编码脉冲)电路实现)。

执行机构，与控制单元连接，接收来自控制单元的PWM信号，执行机构由电机及功率驱动模块组成。电机选取的是直流无刷电机，功率驱动模块由驱动芯片IR2112和功率场效应管组成。

监测系统工作方式如图2所示。用于锅炉承压管泄漏定位的线阵布置在电站锅炉炉膛内同一水平面上，根据检测实际需要，可以灵活布置于火力发电机组的锅炉内水冷壁、过热器、再热器或省煤器的受热面。

放置在锅炉内的一个无方向性的接收传声器只能判断有无泄漏，而无法判断目标的方位，把若干传声器按照一定规则组合在一起，组成一个传感器阵列(基阵)，采取波束形成的方法，确定目标方位角度。波束形成的目的是定向，当远处的目标辐射噪声传播到各个阵元时，由于声程差不同，每个阵元的输出信号是不同的(有时间延迟)。如果对这种差异在时间上进行人为的补偿，那么补偿后的信号就完全一样了。使得基阵只在某一方向具有较高的灵敏度，而抑制来自别的方向的噪声和干扰。

假定一个基阵由N个阵元构成，入射信号是平面波，以平面上的某一点为参考点，设到达第i个阵元的信号为s(t+τ_i(θ₀))，这里θ₀为信号入射角，如果将这一路信号延时τ_i(θ₀)，那么所有N路信号都会变成s(t)。如果信号入射方向改变为θ，则第i路信号经延时τ_i(θ₀)就变成了s(t+τ_i(θ)-τ_i(θ₀))。指向性函数D(θ)由以下的波束形成公式计算得出：

$D\left(\mathrm{\θ}\right)={\left\{E\right[{\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s(t+{\mathrm{\τ}}_i\left(\mathrm{\θ}\right)-{\mathrm{\τ}}_i\left({\mathrm{\θ}}_0\right))\right)}^2\left]\right\}}^{1/2}$

控制单元可以根据测量的需要，发送控制命令给执行机构，控制线阵沿着导轨移动距离L，对线阵接收到的目标辐射噪声信号再次进行波束形成，并且能够控制线阵旋转90°，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点俯仰角φ。

线阵波束形成示意图如图3所示，所述线阵由3～5个阵元组成，所述阵元无指向性。指向性函数表达了线阵的把信号集中于某一方向和抑制其他方向干扰和噪声的能力，在噪声相互独立的情况下，波束形成带来的空间增益为N(阵元个数)。在D(θ)为最大值的角度上对各路接收信号进行叠加，将叠加后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到信号的频域分布情况。

该监测系统是利用多路声传感器来监测炉内噪声频谱，并用信号处理分析频谱特性来检测和诊断管道是否泄漏。当炉管泄漏时，管内高压蒸汽(水)将通过泄漏口向炉内喷射，产生喷流噪声，其声音沿炉内烟气和金属管壁向周围传播，其频率特性与背景噪声有明显不同，炉膛背景噪声一般为以中心频率为250～1000Hz的低频燃烧噪声。因此，当1000Hz以上的音频信号功率突然增大，则认为出现管道泄漏，如果在得到目标辐射噪声的频域分布中，主要为250～1000Hz的低频信号，则表明锅炉中未出现管道泄漏。

泄漏点坐标定位示意图如图4和图5所示。以线阵所在位置为坐标原点建立坐标系，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ，泄露点M在xoy平面内的投影M1(x，y，0)，得到表达式：x＝y tanθ；控制线阵沿着导轨移动距离L，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ′，泄露点M在xoy平面内的投影的表达式为：x-L＝y tanθ′；将线阵旋转90°，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点俯仰角φ，泄露点M在xoz平面内的投影的表达式为：x-L＝ztanφ；计算确定泄漏点的坐标M(x，y，z)由以下公式计算得出：

x＝L·tanθ

$y=\frac{L}{\tan \mathrm{\θ}-\tan {\mathrm{\θ}}^{\′}}$

$z=L\·(\frac{\tan \mathrm{\θ}}{\tan \mathrm{\θ}-\tan {\mathrm{\θ}}^{\′}}-1)\tan \mathrm{\φ}$

根据计算得到的泄漏点坐标方位M(x，y，z)，确定泄漏点的位置。

信号处理示意图如图6所示。控制单元可以根据测量的需要，发送控制命令给执行机构，控制线阵沿着导轨移动距离L和旋转90°，在改变位置的同时可以在不同的位置进行多次信号采集，将三次不同原始信号的波束形成处理后，可以计算得到泄漏点的精确极坐标位置。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (2)

1.一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测系统，该系统由依次连接的线阵及接收电路单元、信号处理单元、控制单元以及执行机构组成，其特征在于：

线阵及接收电路单元，由3-5个无指向性的单声学传感器及其接收电路组成，用于接收锅炉内的声学信号并转换为电信号发送给信号处理单元；

信号处理单元，与线阵及接收电路单元和控制单元连接，接收来自线阵及接收电路单元的电信号，对该电信号进行FFT变换，根据变换结果判断是否发生泄漏以及定位计算泄漏点，并将结果数据发送给控制单元；

控制单元，与信号处理单元和执行机构连接，向执行机构发送控制命令，控制线阵的位置移动和90°旋转；

执行机构，与控制单元连接，接收来自控制单元的信号。

2.一种基于线阵的电站锅炉四管泄漏监测方法，在管路上部的轨道上安装有线阵，所述线阵由3～5个阵元组成，所述阵元无指向性，该监测方法包括：

步骤1、线阵上的各个阵元接收目标辐射噪声，通过指向性函数计算所述目标辐射噪声的D(θ)，该D(θ)由以下公式计算得出：

在D(θ)为最大值的角度上对接收到的各路目标辐射噪声进行叠加，将叠加后的信号进行离散傅里叶变换DFT或者快速傅里叶变换FFT，得到目标辐射噪声的频域分布情况；

步骤2、如果在得到目标辐射噪声的频域分布中，频率为1000Hz以上的信号突然增加，则判断锅炉中出现了管道泄漏，执行步骤3；如果在得到目标辐射噪声的频域分布中，主要为250～1000Hz的低频信号，则表明锅炉中未出现管道泄漏，返回步骤1；

步骤3、以线阵所在位置为坐标原点建立坐标系，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ，泄露点M在xoy平面内的投影M₁(x，y，0)，得到表达式：x＝ytanθ；控制线阵沿着导轨移动距离L，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点方位角θ′，泄露点M在xoy平面内的投影的表达式为：x-L＝ytanθ′；将线阵 旋转90°，对线阵接收到的目标辐射噪声信号进行波束形成，计算泄漏点俯仰角φ，泄露点M在xoz平面内的投影的表达式为：x-L＝ztanφ；计算确定泄漏点的坐标M(x，y，z)由以下公式计算得出：

x＝L·tanθ

根据计算得到的泄漏点坐标方位M(x，y，z)，确定泄漏点的位置。