CN106768465A - 一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃烧器流场测量技术领域，尤其涉及一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置。为解决目前针对一次风风向的测量只能进行冷态测量，无法实现在线监测这一缺陷，本发明提出一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置。该装置包括多截面声学换能器或超声换能器测量环、测量管道外套环及隔热层、声学换能器信号发生装置、功率放大装置、声学层析成像上位机；本装置采用多截面测量结构，利用声学层析成像法实现了对直流燃烧器一次风出口非冷态测量，能够对具备温度分布不均的热流进行测量，同时应用温度分布测量数据实现热流流向的测量，与目前的测量方法相比具有更好的实时性。

Description

一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置

技术领域

本发明属于燃烧器流场测量技术领域，尤其涉及一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置。

背景技术

燃烧器是工业锅炉的主要燃烧设备，其作用是保证燃料和燃烧用的空气在进入炉膛时能够充分混合，及时着火和稳定燃烧。目前常见的燃烧器多采用四角切圆直流燃烧器或旋流燃烧器，其中直流燃烧器出口气流为直流射流，布置在炉膛四角，使燃烧气流在炉内进行切圆燃烧。工业锅炉的炉膛内部燃烧状态与煤粉的进炉方式密切相关，而煤粉是通过燃烧器的一次风吹入炉膛的，一次风方向直接影响着一次风切圆半径的大小，当一次风切圆偏大时，会造成锅炉局部超温、高温腐蚀、火焰中心温度偏低以及氮氧化物超标等问题；若一次风切圆偏小，则会造成燃烧不稳定、低温腐蚀等问题。一次风切圆半径可以通过对一次风风向的测量反映出来，因此针对锅炉内部的燃烧状态及温度分布，可以通过直流燃烧器一次风出口流场特性，特别是一次风风向的测量间接反映出来。目前针对一次风的风向测量主要有两种方式：烟花示踪方法与飘带法。然而这两种方法均只能在锅炉暂停运行时进行冷态测试，而无法进行实时在线监测与调整。为实现直流燃烧器一次风非冷态测量，本发明提出采用声学层析成像技术的方法，层析成像是通过测量数据进行截面图像重建的一种场测量方法，可应用于温度分布的测量。该方法可利用声波或超声波层析成像技术，通过布置多个声学换能器测量截面声学传播时间数据，再利用相应的图像重建算法，得到截面上的温度分布数据，通过多截面的温度分布数据即可分析得出热流的流动方向，最终确定出口处的温度分布情况与热流流向等热力学特性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风出口流场测量装置，其特征在于，包括多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环、测量管道外套环及隔热层、声学换能器信号发生装置、功率放大装置、声学层析成像上位机。所述多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环通过所述测量管道外套环及隔热层加以固定，所述声学换能器信号发生装置的输入端与所述声学层析成像上位机的输出端相连，所述声学换能器信号发生装置的输出端与所述功率放大装置的输入端相连，所述功率放大装置的输出端与多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环相连。

所述多截面声学换能器测量环由一定数量的声波换能器组成，所述多截面超声换能器测量环由一定数量的超声波换能器组成，所述声波换能器或超声波换能器固定于制作的PCB电路板上并环绕被测管道口径加以固定，通过PCB电路板的输入端口可以接收到由声学换能器信号发生装置提供的使能信号驱动。

所述测量管道外套环及隔热层用于固定换能器与隔热。

所述声学换能器信号发生装置由数据采集卡组成，根据数据采集卡模拟输出端口提供的信号频率来调整声波或超声波的发生频率。

所述功率放大装置由功率放大器芯片与滤波电路组成，用于完成对声学换能器信号发生装置发出的信号进行放大，驱动换能器发出声波或超声波。

所述声学层析成像上位机用来存放温度分布成像算法程序与图像结果，所述声学层析成像上位机可以是电脑或者其他能够运行matlab程序并且内存充足的手持式电子设备。

所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置包含的换能器的安装方式，采用多截面测量结构，这种结构可根据管道直径的变化进行调整，同时也能根据管道的直径增加或减少换能器的数量。

所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置的工作方法，包括以下步骤：

1)声学层析成像上位机控制端发出测量信号；

2)声学换能器信号发生装置在接收到测量信号后，针对各个测量截面，同时向各截面第一个发射端的声波或超声波换能器发出一定频率的方波信号；

3)各方波信号经过功率放大器后，驱动声波或超声波换能器；

4)测量接收端的声学换能器信号发生装置在接收到声波或超声波信号后，将信号传输至声学层析成像上位机；声学层析成像上位机通过多路开关，选择切换发射端换能器，重复步骤2)-3)；

5)所有测量截面接收到全部接收数据传输至上位机后，将全部数据导入声学层析成像上位机，进行多截面图像重建，得到各截面温度分布图象；

6)分析各图像高温区域后，由声学层析成像上位机得出一次风流向测量结论。

本发明的有益效果在于，针对目前一次风的主要测量方法大多为冷态测量，无法实现在线监测，本发明提出了一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，本装置采用多截面测量结构，利用声学层析成像法，并根据实际情况选取声波或超声波进行测量，实现了对直流燃烧器一次风出口非冷态测量；本专利利用直流燃烧器一次风具备温度分布不均这一热力学特性，可针对气体介质进行测量，能够对具备温度分布不均的热流进行测量；同时，本装置通过分析多截面的温度分布测量数据，可定位每个截面的高温区域，并通过多截面逐步确定一次风热流的出口流向，实现热流流向的测量。

附图说明

附图1是直流燃烧器一次风流向测量装置系统框图

附图2是多截面温度分布测量结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

附图1是直流燃烧器一次风流向测量装置系统框图，如图1所示，本装置包括多截面声学换能器(或超声换能器)测量环、测量管道外套环及隔热层、声学换能器信号发生装置、功率放大装置、温度分布层析成像算法程序和声学层析成像上位机。所述多截面声学换能器或超声换能器测量环环绕被测管道口径并固定在PCB电路板上，通过所述测量管道外套环及隔热层加以固定，所述声学换能器信号发生装置输入端与所述声学成像上位机输出端相连，其输出端与所述功率放大装置的输入端相连，所述功率放大装置的输出端与多截面声学换能器或超声换能器测量环相连，所述多截面声学换能器或超声换能器测量环通过所述温度分布层析成像算法对一次风出口流场进行分析，定位热流流向，并将结果反馈给声学层析成像上位机。所述多截面声学换能器(或超声换能器)测量环由一定数量的声波换能器或超声波换能器环绕被测管道口径，并制作PCB电路版将换能器固定与电路板上，通过电路板上的输入端口就收信号发生装置提供的使能信号驱动；所述测量管道外套环及隔热层是为了安装声波或超声波换能器制作的隔热套管，其作用在于固定换能器与隔热，保证换能器安装的稳定性，同时减轻高温对换能器带来的影响；所述声学换能器信号发生装置由数据采集卡的模拟输出端口提供，并根据信号的频率调整声波或超声波的发生频率；所述功率放大装置由功率放大器芯片与滤波电路共同组成，用以完成对数据采集卡发出信号进行放大，驱动换能器发出声波或超声波；所述温度分布层析成像算法用于定位热流流向。所述声学层析成像上位机是存放温度分布成像算法程序与图像结果的设备，可以是电脑或者其他手持式电子设备，原则上只要能够运行matlab程序，并具备足够内存的电子设备均可。

所述测量装置利用声学层析成像技术，层析成像是通过测量数据进行截面图像重建的一种场测量方法，可应用于温度分布的测量。该技术可采用声波或超声波层析成像技术，具体选择声波或超声波要根据实际测量尺度、温度、环境等具体要求，如果选用超声波可有效降低环境噪声对测量的影响，但是超声换能器对耐高温特性的要求比较高；如果选用声波则对环境的适应性更好，但是对于后期的误差分析要求更高。由于燃烧器的一次风是经过预热的热气流混合着煤粉的两相流，并且由于煤粉颗粒直径一般只有几十微米，因此并不影响声学测量方法的应用，通过布置多个声学换能器，可测量截面声学发射端至接收端的传播时间数据，通过声学传播时间数据在利用相应的图像重建算法，便可得到截面上的温度分布数据；又由于一次风是具有一定温度分布的热气流，通过多截面的温度分布数据即可分析得出热流的流动方向，最终确定出口处的温度分布情况与热流流向等热力学特性。

所述测量装置包括的各个组成部分为一整体，只有全部装置在一个系统内才能完成测量，缺一不可。其中测量装置的换能器安装方式采用多截面测量结构，如附图2所示，由于该装置采用多截面温度分布测量结果对燃烧器一次风管道出口热流进行流场测量，并且这种结构可根据管道直径的变化进行调整，同时也能根据管道的直径增加或减少换能器的数量。本装置在安装完成后，按照上位机指令，可随时进行测量，实现直流燃烧器一次风非冷态测量。

该装置的具体工作流程如下所述：

声学层析成像上位机的控制端向数据采集卡发出测量起始信号，当数据采集卡接收到测量信号后，同时向各个测量截面的第一个发射端换能器发出一定频率的方波信号，经过功率放大器放大后驱动声波或超声波换能器，当各个测量截面的测量接收端在接收到声波或超声波信号后，将信号传输至上位机成像算法程序中等待处理，上位机通过多路开关，选择切换发射端换能器，然后继续进行信号采集，并根据信号的频率调整声波或超声波的发生频率，驱动声波或超声波换能器，当所有测量截面接收到的全部数据传输至上位机后将全部数据导入成像算法，进行多截面图像重建，并得到各测量截面的温度分布图像，通过分析各图像高温区域后，上位机将给出一次风流向的测量结论。由于燃烧器的一次风是经过预热的热气流混合着煤粉的两相流，同时具备温度分布不均的热力学特性，从原理上分析，声波或超声波在温度不均的气体介质上传播速度不同这一特性，可针对于气体介质进行测量。同时由于一次风混合的煤粉颗粒微小，直径一般只有几十微米，并不影响气体介质测量的本质。通过分析多截面的温度分布测量数据，可定位每个截面的高温区域，并通过多截面逐步确定一次风热流的出口流向。

此实施例仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，包括多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环、测量管道外套环及隔热层、声学换能器信号发生装置、功率放大装置、声学层析成像上位机；

所述多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环通过所述测量管道外套环及隔热层加以固定，所述声学换能器信号发生装置的输入端与所述声学层析成像上位机的输出端相连，所述声学换能器信号发生装置的输出端与所述功率放大装置的输入端相连，所述功率放大装置的输出端与多截面声学换能器测量环或多截面超声换能器测量环相连。

2.根据权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，所述多截面声学换能器测量环由一定数量的声波换能器组成，所述多截面超声换能器测量环由一定数量的超声波换能器组成，所述声波换能器或超声波换能器固定于制作的PCB电路板上并环绕被测管道口径加以固定，通过PCB电路板的输入端口可以接收到由声学换能器信号发生装置提供的使能信号驱动。

3.根据权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，所述测量管道外套环及隔热层用于固定换能器与隔热。

4.根据权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，所述声学换能器信号发生装置由数据采集卡组成，根据数据采集卡模拟输出端口提供的信号频率来调整声波(或超声波)的发生频率。

5.根据权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，所述功率放大装置由功率放大器芯片与滤波电路组成，用于完成对声学换能器信号发生装置发出的信号进行放大，驱动换能器发出声波或超声波。

6.根据权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置，其特征在于，所述声学层析成像上位机用来存放温度分布成像算法程序与图像结果，所述声学层析成像上位机可以是电脑或者其他能够运行matlab程序并且内存充足的手持式电子设备。

7.一种基于权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置包含的换能器的安装方式，其特征在于，采用多截面测量结构，这种结构可根据管道直径的变化进行调整，同时也能根据管道的直径增加或减少换能器的数量。

8.一种基于权利要求1所述多截面声学层析成像直流燃烧器一次风流场测量装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)声学层析成像上位机控制端发出测量信号；

2)声学换能器信号发生装置在接收到测量信号后，针对各个测量截面，同时向各截面第一个发射端的声波或超声波换能器发出一定频率的方波信号；

3)各方波信号经过功率放大器后，驱动声波或超声波换能器；

4)测量接收端的声学换能器信号发生装置在接收到声波或超声波信号后，将信号传输至声学层析成像上位机；声学层析成像上位机通过多路开关，选择切换发射端换能器，重复步骤2)-3)；

5)所有测量截面接收到全部接收数据传输至上位机后，将全部数据导入声学层析成像上位机，进行多截面图像重建，得到各截面温度分布图象；

6)分析各图像高温区域后，由声学层析成像上位机得出一次风流向测量结论。