CN108959683B - 一种基于cfd的数字化锅炉构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，包括：1)基于传感器阵列接收压力管道泄漏点信号，获得各TDOA值；2)将炉内的温度场假定为均匀温度场，并给出初始定位值；3)采用投影方法调整初始定位值坐标，将初始定位值投影至离泄漏点最近的墙壁上；4)以初始定位值为泄漏点，基于炉膛温度场分布数据库，计算由初始定位值所获得的各TDOA值；5)对比测量与计算所得TDOA值，判断初始定位值与实际泄漏点的大致方向；6)设定移动步长，通过初始定位值的位移获得新的泄漏位置，进行TDOA计算；7)重复步骤4)及步骤5)，直至TDOA值小于预设误差。本发明克服了未知非均匀温度场中声速不固定而导致被动定位算法时延值无法反推距离差的问题。

Description

一种基于CFD的数字化锅炉构建方法
技术领域
本发明属于锅炉泄漏定位技术领域，尤其涉及一种基于CFD的数字化锅炉构 建方法。
背景技术
由于燃煤锅炉内环境恶劣，炉内压力管道泄漏事故时有发生，若能够及时 定位出泄漏位置，则能够缩短检修时间，提高经济效益。
虽然已有锅炉燃烧模型及以此为基础构建数据库的研究，但主要用于燃烧 及污染物排放方面；同时，泄漏定位的研究主要集中于冷态方面，声线弯曲的 研究主要集中于已知温度场的重建方面。以锅炉燃烧模型构建温度场数据库用 于炉膛热态非均匀温度场的定位方法尚未有学者进行研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，将锅炉温度场 数据库用于锅炉泄漏定位，通过初值迭代寻优模型克服未知非均匀温度场中声 速不固定而导致被动定位算法时延值无法反推距离差的问题。
本发明提供了一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，
步骤1，基于传感器阵列接收压力管道泄漏点信号，获得各TDOA值；
步骤2，将炉内的温度场假定为均匀温度场，并给出初始定位值；
步骤3，采用投影方法调整初始定位值坐标，将初始定位值投影至离泄漏点 最近的墙壁上；
步骤4，以初始定位值为泄漏点，基于炉膛温度场分布数据库，计算由初始 定位值所获得的各TDOA值；
步骤5，对比测量与计算所得TDOA值，判断初始定位值与实际泄漏点的大 致方向；
步骤6，设定移动步长，通过初始定位值的位移获得新的泄漏位置，进行TDOA计算；
步骤7，重复步骤4及步骤5，直至TDOA值小于预设误差。
进一步地，步骤5包括：
以传感器的连线与泄漏点所在墙壁平行为原则选取用于判断移动方向的 TDOA值。
借由上述方案，通过基于CFD的数字化锅炉构建方法，将锅炉温度场数据 库用于锅炉泄漏定位，通过初值迭代寻优模型克服了未知非均匀温度场中声速 不固定而导致被动定位算法时延值无法反推距离差的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附 图详细说明如后。
附图说明
图1是泄漏点定位模型；
图2是本发明基于CFD的数字化锅炉构建方法泄漏点位置更新示意图；
图3是本发明基于CFD的数字化锅炉构建方法传感器阵列坐标示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以 下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提供了一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，包括如下步骤：
步骤1，传感器阵列接收压力管道泄漏点信号，获得各TDOA(时延)值；
步骤2，将炉内的温度场假定为均匀温度场给出初始定位值；
步骤3，由于炉膛内泄漏点均位于墙壁上，因此需要调整初始定位值坐标， 采用投影的方法将初始定位值投影至离其最近的墙壁上；
步骤4，以初始定位值为泄漏点，调用炉膛温度场分布数据库，计算由初始 值所获得的各TDOA值；
步骤5，对比测量与计算所得TDOA值，判断初始定位值与实际泄漏点的大 致方向；
步骤6，设定移动步长，通过初始定位值的位移获得新的泄漏位置，进行 TDOA计算；
步骤7，重复步骤4及步骤5，直至TDOA值小于预设误差。
通过该基于CFD的数字化锅炉构建方法，将锅炉温度场数据库用于锅炉泄 漏定位，通过初值迭代寻优模型克服了未知非均匀温度场中声速不固定而导致 被动定位算法时延值无法反推距离差的问题。
下面对本发明作进一步详细说明。
1、冷态情况下定位方法原理(球型插值法，简称SI)。
参图1所示，1为传感器，2为泄漏点，3为压力管道。
对传感器位置进行标定，另传感器数量为n，对应坐标为(xi,yi,zi)，其中 i＝1,2,...,n，假设压力管道泄漏点坐标为rleak＝(x,y,z)。
建立方程组首先需要选定参考点传感器，将其坐标记为r1＝(x1,y1,z1)，那么rleak到r1的距离可表示为Rleak＝||rleak-r1||，任意传感器到参考点传感器的距离可表示为 Rj＝||rj-r1||，其中j＝2,...,n。令泄漏点到rj和r1的距离差为dj，其表达式如下：
Figure BDA0001622839940000031
其中，dj可以通过测量值计算获得，例如泄漏点到rj和r1的时延值(TDOA)t1j由传感器测量后进行互相关计算而得到，将TDOA值乘以声速既得到dj。
式(1)经推导后可得出：
Figure BDA0001622839940000032
式(2)化简后可得出：
Figure RE-GDA0001699499110000033
在实际应用过程中，式(3)右侧不等于0，以ε表示误差值，并定义
Figure BDA0001622839940000034
由此可将式(3)表示为如下形式：
ε＝δ-2Rleakd-2rTrleak (4)
其中，
Figure BDA0001622839940000041
如令Rleak为已知数，则式(4)对于rleak是线性的，为满足其均方误差最小，需 符合下式的情况：
Figure BDA0001622839940000042
其中，W＝(rTr)-1rT。
由于
Figure BDA0001622839940000043
则式(5)可化简为：
Figure BDA0001622839940000044
a＝4-4dTWTWd
其中，b＝4dTWTWδ。
c＝-δWTWδ
式(6)有且仅有一个正根，表示为：
Figure BDA0001622839940000045
将式(7)代入式(5)可得：
Figure BDA0001622839940000046
2、温度与声速关系(用于计算热态温度场下时延值)。
声速随温度的变化而变化，在声学基本理论中有详细的推导，在此不做过 多描述，其变化规律如下：
Figure BDA0001622839940000047
其中，γ表示比热比，无量纲；k＝γ/M，M表示气体摩尔质量，kg/mol；P 表示压强，Pa；ρ表示气体密度，kg/m3；R表示气体适普常数，8.31J/mol·K； T表示温度函数，K。
3、热态温度场压力管道泄漏定位模型。
在均匀温度场情况下，声速恒定，因此声波飞渡时间一旦确定，则能够获 知声源距传感器的距离，因此在被动定位算法中能够通过时延值反推出距离差 dj；而非均匀温度中，由于声速不固定，无法根据时延值反推出距离差。
为解决此问题，本发明提出了初值迭代寻优的模型。为显示方便，以二维 定位模型为例进行阐述，如图2所示。由于t24’<t24，即实际泄漏点比初始值更 靠近2号传感器(如图3所示)，因此通过判断初始值与测量值的TDOA差异即 可判断出泄漏点位置更新的移动方向。需要注意的是，在选择判断移动方向的 TDOA值时，以传感器的连线与泄漏点所在墙壁平行为原则进行选取。
参图3所示，数字1-8表示1-8号传感器，以泄漏点坐标(5,9,1)为例对 初值寻优模型进行分析，首先根据数据库调取炉内温度场分布情况，计算温度 场平均值为1136.7K为例，声速为658.9m/s，采用SI算法得到初始泄漏位置为 (3.40,4.84,-1.20)，由于炉膛内传感器阵列分段定位，因此，泄漏点在z方 向的值为0到5范围内，同时泄漏点更靠近y＝9截面的墙壁，因此投影后，泄 漏点坐标变更为(3.4,9,0)。在单峰温度场情况下，投影后的泄漏点坐标与实 际坐标获得的时延值列于表1。
表1 TDOA
Figure BDA0001622839940000051
通过对比t31可知，实际泄漏点到3号与1号传感器的距离差要大于投影泄 漏点到两传感器的距离差，即实际泄漏点比投影点在x轴上的值更大，因此投 影点在更新坐标时应向x轴正方向移动。由于以传感器1为参考点判断投影点 移动方向效果不明显，因此选取t62进行对比，实际泄漏点与投影点的值分别为 0.002313ms、0.004517ms，实际泄漏点到6号与2号传感器的距离差要小于投 影泄漏点到两传感器的距离差，即实际泄漏点比投影点在z轴上的值更大，因 此投影点在更新坐标时应向z轴正方向移动。不断更新泄漏点位置，直至TDOA 值小于预设误差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还 可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，基于传感器阵列接收压力管道泄漏点信号，获得各TDOA值；
步骤2，将炉内的温度场假定为均匀温度场，将步骤1获得的TDOA值乘以声速得到传感器到泄露点的距离差，根据得到的距离差，基于冷态情况下定位方法，给出初始定位值；
步骤3，采用投影方法调整初始定位值坐标，将初始定位值投影至离泄漏点最近的墙壁上；
步骤4，以初始定位值为泄漏点，根据初始定位值对应的泄露点到传感器的距离差，以及基于炉膛温度场分布数据库、温度与声速关系得出的声速，计算由初始定位值所获得的各TDOA值；
步骤5，对比测量与计算所得TDOA值，判断初始定位值与实际泄漏点的大致方向；
步骤6，设定移动步长，通过初始定位值的位移获得新的泄漏位置，进行TDOA计算；
步骤7，重复步骤4及步骤5，直至TDOA值小于预设误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD的数字化锅炉构建方法，其特征在于，所述步骤5包括：
以传感器的连线与泄漏点所在墙壁平行为原则选取用于判断移动方向的TDOA值。
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