CN202075062U - 基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，包括声波发生器，声波接收器，滤波器，控制柜，电磁阀，继电器，PLC控制器，数据采集卡和工业计算机。声波发生器和声波接收器安装在锅炉炉膛受热面的周围。滤波器与声波接收器连接，滤波器依次连接控制柜、数据采集卡和工业计算机。电磁阀与声波发生器和声波接收器连接，电磁阀依次连接继电器、PLC控制器和控制柜。本实用新型不仅可以显示炉膛内温度场的分布，也可以调节和控制，优化运行，降低污染物排放。同时对锅炉炉管的泄漏进行监测，及时发现泄漏、避免较大事故发生。

Description

基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种火力发电厂中用于对大型燃煤锅炉炉膛温度测量及对锅炉炉管泄露进行检测的系统，属于燃烧设备智能化故障诊断与热参数测量技术领域。 

背景技术

炉膛温度场分布(不是点温度)是确定锅炉燃烧优化的重要参数，炉内温度场的分布直接影响到煤粉的着火、燃尽以及锅炉的安全性，对于锅炉控制和诊断具有极为重要的意义。在典型的四角切圆燃烧锅炉中，燃烧工况组织不合理造成的四角燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆破、炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。另外，电站锅炉燃烧过程中具有瞬态变化、随机湍流、设备庞大、环境恶劣等特征，给有关热物理量场参数的在线测量带来困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量参数，特别是温度分布的测量很困难，导致燃烧调整得不到可靠的数据，燃烧优化运行无法实现。目前尚未建立有效的炉膛温度场监测手段，这已成为提高大型燃烧设备安全性和经济性的瓶颈。 

锅炉炉管泄漏是电厂常发事故，占电厂所有事故的60％以上。实时监测锅炉炉管泄漏状态，可以在炉管泄漏的早期给出报警信息，及时提示锅炉炉管泄露的发展趋势，使电站运行人员及时采取措施， 防止事故扩大，可以缩短电厂的抢修时间，减少经济损失。 

以往锅炉炉管泄漏均采用专门检测系统，安装在炉壁上的波导管导出炉内泄露声，通过安装在波导管上的接收传感器接收该声波，并经处理确定炉管泄露。 

实用新型内容：本实用新型针对国内目前尚未有能够同时实现炉膛温度场与炉管泄漏监测的技术问题，提出了一种基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置。 

用于实现上述实用新型目的的技术解决方案是这样的：基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，包括声波发生器，声波接收器，滤波器，控制柜，电磁阀，继电器，PLC控制器，数据采集卡和工业计算机。声波发生器和声波接收器安装在锅炉炉膛受热面的周围。滤波器与声波接收器连接，滤波器依次连接控制柜、数据采集卡和工业计算机。电磁阀与声波发生器和声波接收器连接，电磁阀依次连接继电器、PLC控制器和控制柜。 

本实用新型不仅可以显示炉膛内温度场的分布，也可以调节和控制，优化运行，降低污染物排放。同时对锅炉炉管的泄漏进行监测，及时发现泄漏、避免较大事故发生。 

附图说明：

图1是本实用新型的硬件结构示意图。。 

图2是为布置八个声波发生/接收传感器时形成的24条路径分布示意图。 

图3为平面四元十字阵判断泄漏点P位置图。 

具体实施方式：

如图1所示，基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，包括声波发生器39，声波接收器38，滤波器37，控制柜33，电磁阀36，继电器35，PLC控制器34，数据采集卡32和工业计算机31。声波发生器39和声波接收器38安装在锅炉炉膛40受热面的周围，其中每个声波发声器39分别与喇叭形波导管相连，以便于声波的直线传播。滤波器37与声波接收器38连接，滤波器37依次连接控制柜33、数据采集卡32和工业计算机31。电磁阀36与声波发生器39和声波接收器38连接，电磁阀36依次连接继电器35、PLC控制器34和控制柜33。声波发声器39由工业用气体传输管道、文丘里管和喇叭形声波导管组成。喇叭形波导管加隔热垫片后与炉墙相连。 

继电器35和PLC控制器34用于声源的切换控制，工业计算机31负责信号采集控制与处理。当需要某一声波发声器39发声时，由工业计算机31发出指令，经数据采集卡32的D/A转换后通过控制柜33的转接器将指令送至PLC控制器34，并通过继电器35对电磁阀36的控制来达到控制各个声波发生器39按顺序依次发声的目的。叠加有声源信号、炉膛背景噪声和泄漏噪声信号(炉管有泄露情况下)由声波接 收传感器38采集，声波接收传感器38由压电陶瓷传感器和前置放大器组成，并用不锈钢外壳封装，以提高传感器的耐灰尘和耐温特性。采集的噪声信号经前置放大器放大后通过双芯双绞股屏蔽电缆传送到滤波器37，经滤波处理后的噪声信号通过控制柜33内的转接器传送至数据采集卡32，经A/D转换后被送至工业计算机31，由工业计算机31及上位机处理软件完成泄漏信号的检测和炉膛温度场的重建。 

声学法炉膛温度场测量技术的基本原理是： 

$v=\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}$

(1) 

式中：v——声波在气体介质中的传播速度，m/s； 

γ——气体介质定压比热容与定容比热容之比值； 

R——普适气体常数，8.314J/(mol*K)； 

T——绝对温标，K； 

M——气体的摩尔质量，kg/mol。 

由于气体组成成分对声波传播速度的影响较小，在大多数应用条件下该组分的变化也不大，因此声波传播速度可以看作是气体介质温度的单值函数。对声学法测温技术来说，精确的声波飞行时间测量是声学法测温的关键，广义互相关法是一种具有良好性能的时间延迟估计方法，其基本思想是对预加权(滤波)处理后的信号进行互相关运算，再根据互相关函数的峰值估计时间延迟，这种方法能够实现较高的分辨率和估计精度。其原理如下： 

设x₁(t)和x₂(t)分别是两个传感器采集到的噪声信号，经H₁(ω)和 H₂(ω)滤波处理后得到y₁(t)和y₂(t)，对y₁(t)和y₂(t)作互相关运算为： 

$R_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left\{y_1\left(t\right)y_2(t+\mathrm{\τ})\right\}=y_1\left(t\right)*y_2(-t)=[x_1\left(t\right)*h_1\left(t\right)]*[x_2(-t)*h_2(-t)]$

$=[x_1\left(t\right)*x_2(-t)]*[h_1\left(t\right)*h_2(-t)]=R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)*[h_1\left(t\right)*h_2(-t)]---\left(2\right)$

其中，h₁(t)和h₂(t)分别是H₁(ω)和H₂(ω)的单位冲激响应。 

加窗滤波后两信号的互相关谱为： 

$G_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=F\left\{R_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)\right\}=G_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)H_1\left(\mathrm{\ω}\right)H_2^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

因为互相关函数与互功率谱函数之间是一对傅里叶变换对，所以相关函数的输出为： 

$R_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=F^{-1}\left\{G_{y_1{y}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)\right\}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{H}_1\left(\mathrm{\ω}\right)H_2^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)G_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\ω}---\left(4\right)$

其中， 

称为广义相关权函数，(2)和(4)式均称为广义相关，前者是时域的表示，后者是频域的表示。通过对互相关函数的峰值检测便可获得时间延迟值，进而可以计算出该条路径上的平均温度，然后通过重建算法可以重建出炉膛内某一截面的温度信息。 

被动声定位是利用目标发出的噪声信号来对目标进行定位的一种方法，传声器阵列可分为线阵、面阵和立体阵，针对本系统特征，我们选用面阵法对泄露炉管进行定位。定位原理如下： 

由N个声波传感器阵元组成的阵列，可以得到至少(N-1)个独立的时延，因为要对目标进行定位，至少需要三个阵元组成的声波传感器阵列。由于十字形阵列具有分维持性(指二维参量可分开估计)，且阵列冗余度也较小，因此，采用平面四元十字阵阵形。 

对于十字形声波传感器阵列，建立空间直角坐系，设四个阵元的 坐标分别为s1(a，0，0)，s2(0，b，0)，s3(c，0，0)，s4(0，d，0)，结合实际测量值和空间坐标系的建立便可得到确定值，设泄漏声源P的直角坐标为(x，y，z)。假设目标为点声源，目标产生的声源以球面波形式传播，声源P到达阵元S1的传播时间为t₁，相对于S1声源到达阵元S2，S3，S4的时延分别为t₁₂，t₁₃，t₁₄，声波在炉膛内的飞行速率为v，则有如下关系式： 

$\left\{\begin{array}{c}{(x-a)}^2+y^2+z^2={\left({\mathrm{vt}}_1\right)}^2\\ x^2+{(y-b)}^2+z^2={({\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{vt}}_{12})}^2\\ {(x-c)}^2+y^2+z^2={({\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{vt}}_{13})}^2\\ x^2+{(y-d)}^2+z^2={({\mathrm{vt}}_1+{\mathrm{vt}}_{14})}^2\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过广义互相关方法得到时间延迟估计，根据式(5)的关系便可对泄漏点P的位置做出检测判断。 

图2为在炉膛截面布置八个声波发生/接收传感器时形成的24条路径分布(除去同一侧炉壁上两个测点之间的路径)，如图2所示。当采集炉膛背景噪声时，八个声波发生器按顺序依次发声作为声源，每发声一次均采集4个声波传感器的信号，其中包括与声波发生器紧邻的声波接收传感器的信号，通过互相关法可计算出3条路径上的声波飞行时间，同时对采集到的噪声信号进行放大滤波处理后做出噪声信号频谱图，还可实现对锅炉炉管泄漏的监测。图中s0～s7均由声波发生/接收器组成，s0处发声，采集s0、s2、s5、s6号声波接收传感器的信号；s1处发声，采集s1、s3、s4、s5号声波接收传感器的信号；s2处发声，采集s2、s6、s7、s1号声波接收传感器的信号；s3处发声，采 集s3、s4、s7、s0号声波接收传感器的信号；s4处发声，采集s4、s6、s0、s2号声波接收传感器的信号；s5处发声，采集s5、s7、s2、s3号声波接收传感器的信号；s6处发声，采集s6、s1、s3、s5号声波接收传感器的信号；s7处发声，采集s7、s0、s1、s4号声波接收传感器的信号。 

图3为平面四元十字阵阵列对泄漏点P的位置判断图，图中S1，S2，S3，S4为四个声波接收传感器位置，P为泄漏发生位置，P‘为P在xoy平面上的投影。 

Claims (4)

1.基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，其特征在于：包括声波发生器，声波接收器，滤波器，控制柜，电磁阀，继电器，PLC控制器，数据采集卡和工业计算机；声波发生器和声波接收器安装在锅炉炉膛受热面的周围，滤波器与声波接收器连接，滤波器依次连接控制柜、数据采集卡和工业计算机；电磁阀与声波发生器和声波接收器连接，电磁阀依次连接继电器、PLC控制器和控制柜。

2.如权利要求1所述的基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，其特征在于：声波接收传感器由压电陶瓷传感器和前置放大器组成，并用不锈钢外壳封装。

3.如权利要求1所述的基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，其特征在于：声波发声器由工业用气体传输管道、文丘里管和喇叭形声波导管组成。

4.如权利要求3所述的基于声波传感器的炉膛温度场与炉管泄漏一体化检测装置，其特征在于：喇叭形波导管加隔热垫片后与炉墙相连。 

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