安連鎖, 李庚生, 張世平, 沈國清, 馮 強, 鄧 喆

(華北電力大學電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室,北京 102206)

現(xiàn)代電站燃煤鍋爐參數(shù)的日益提高,對爐內(nèi)燃燒狀況的監(jiān)測提出了更高的要求.獲得準確的爐內(nèi)溫度場對精確監(jiān)測鍋爐的燃燒與運行狀況具有十分重要的意義.國內(nèi)外的學者對溫度場監(jiān)測的方法進行了研究和探索,聲學法作為其中一種非接觸性測溫方法,能適應高溫、腐蝕和多塵的惡劣環(huán)境,并且可以實現(xiàn)連續(xù)實時監(jiān)測[1].對于電站鍋爐這種大空間、強噪音的工作環(huán)境,聲源的選擇至關重要.在聲波飛渡時間的測量中,張曉東等[2]提出了基于互相關的方法,并對掃頻信號的互相關性做了簡單研究;楊祥良等[3]對電聲源做了試驗研究,表明電聲源因其構(gòu)造簡單、技術成熟的優(yōu)勢可以用于聲學測溫.筆者借助聲學測溫實驗臺,在實驗室條件下對不同頻段的掃頻信號進行了研究,并且在國內(nèi)某300 MW電站鍋爐上進行了熱態(tài)試驗.

1 聲學測溫原理

圖1為單路徑聲學測溫示意圖.聲波信號由爐膛左側(cè)測點的聲波發(fā)生器發(fā)出,被左右兩側(cè)的接收器測到,通過聲波飛渡時間的測量,可以用來確定聲波在傳播路徑上的平均速度.根據(jù)平面波的運動方程、平面波的波動方程以及氣體狀態(tài)方程推導出聲波測溫的原理方程[4-5]如下:

式中:τ為聲波飛渡時間,s;L為測點距離,m;c為介質(zhì)中聲波的傳播速度,m/s;R為理想氣體普適常數(shù),J/(mol?k);t為氣體溫度,℃;γ為氣體的絕熱指數(shù)(定壓比熱容與定容比熱容之比值);m為氣體分子量,kg/mol.

圖1 單路徑聲學測溫示意圖Fig.1 Schematic diag ram of the one-path acoustic temperature measurement

2 掃頻信號及互相關時延估計法

2.1 掃頻信號

掃頻信號的形式通常有三種,分別是對數(shù)掃頻、線性掃頻和二次掃頻,表1給出了三種掃頻信號的數(shù)學模型.表1中:f0為0時刻點掃頻信號的瞬時信號頻率;f(τg)為τg時刻點掃頻信號的瞬時頻率;[0,τg]為信號的持續(xù)時間.

掃頻信號可以對最大旁瓣值產(chǎn)生抑制,其相關函數(shù)具有很好的尖銳性,能有效降低互相關最大值點的錯誤判斷,提高測量的準確性.

羅振[6]對不同的掃頻信號進行了仿真研究,表明線性掃頻信號在不同的信噪比下測量的誤差最小,優(yōu)于對數(shù)掃頻信號和二次掃頻信號,因此筆者采用線性掃頻信號作為聲源信號.

表1 三種典型的掃頻信號Tab.1 Mathematical models for three typical chirp signals

2.2 互相關時間延遲估計法

聲波飛渡時間的測量采用互相關時間延遲估計法.兩通道的信號模型為[7]:

式中:s(n)為信號函數(shù);n1(n)和n2(n)為噪聲函數(shù);D為兩通道間的時間延遲;A表示衰減系數(shù).直接互相關函數(shù)為[8-9]:

時間延遲估計為:

間接法互相關函數(shù)為:

式中:ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù);F為傅里葉變換;F-1為傅里葉逆變換;*表示共軛.本文中采用間接法求互相關函數(shù),取加權(quán)函數(shù)為1.

3 實驗室試驗結(jié)果與分析

筆者在實驗室條件下,對不同頻段的掃頻信號進行了試驗研究.首先由主機中的SpectraLAB軟件發(fā)出線性掃頻信號,經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后,再經(jīng)過功率放大器放大輸出至揚聲器,驅(qū)動揚聲器發(fā)射出測溫聲波信號.信號采集和分析系統(tǒng)為NI公司多通道數(shù)據(jù)采集卡,軟件系統(tǒng)采用LABVIEW和MAT LAB軟件進行混合編程.傳聲器采用的是1/2英寸預極化駐極體無指向性測量傳聲器MPA201(靈敏度50 mV/Pa),屬電容式結(jié)構(gòu).

從文獻[10]可以看出,互相關函數(shù)測量聲波飛渡時間,產(chǎn)生誤差與鍋爐背景噪音、采樣點數(shù)及采樣頻率有關.在具體的工程應用中,由于測量距離比較大,采樣頻率可取在104量級以上.文獻[11]表明,當采樣點數(shù)取512,1024和 2048時,只要采樣頻率滿足條件,都能有效測得精確的飛渡時間.

取采樣頻率為102400 Hz,采樣點數(shù)為65536,試驗溫度15℃,測得當?shù)芈曀贋?40.5 m/s.兩只傳聲器之間的距離為2.96 m,則計算得到的聲波飛渡時間為8.6931 ms.實驗室處于相對安靜的環(huán)境,無明顯噪聲影響.

3.1 掃頻信號頻率區(qū)間的選擇

首先采用掃頻周期為0.1 s,設定起始頻率為500 Hz,選取了10組不同截止頻率X的線性掃頻信號發(fā)聲進行聲波飛渡時間的測量,每組測量20次.

表2和圖2給出了聲波飛渡時間測量值與計算值的平均絕對誤差MAE和相對均方根誤差RRMSE,其計算公式如下:

式中:N為試驗次數(shù);bi為第i次試驗得到的測量值;B為理論計算值.

表2 起始頻率500 Hz,不同截止頻率時的 MAE(單位:ms)Tab.2 MAEof calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)from500 to X

圖2給出了測量值與計算值的相對均方根誤差及誤差趨勢線.可以明顯看出,隨著截止頻率X增大,相對均方根誤差遞減.

圖3給出掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000]時的互相關圖,其互相關函數(shù)具有明顯峰值.研究表明,隨著X的增大,對應的互相關圖中互相關函數(shù)的峰值越來越尖銳,測量效果越來越好.

圖2 起始頻率500 Hz,不同截止頻率時的 RRMSEFig.2 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency from 500 to X(Hz)

圖3 掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000]時的互相關圖Fig.3 Cross correlation chart of chirp signal with frequency from 500 to 8000(Hz)

取掃頻周期為0.1 s,截止頻率設為8000 Hz,選取7組不同起始頻率Y對聲波飛渡時間進行測量.表3和圖4為測量值與計算值的平均絕對誤差MAE和相對均方根誤差RRMSE.

表3 截止頻率8000 Hz,不同起始頻率時MAE(單位:ms)Tab.3 MAEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)fromY to 8000

圖4 截止頻率8000 Hz,不同起始頻率時的相對均方根誤差Fig.4 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals with frequency(Hz)from Y to 8000

從圖4可以看出,掃頻區(qū)間(Hz)為[Y,8000],隨著Y的增大,RRMSE有增大的趨勢.試驗表明,隨著起始頻率的升高和區(qū)間間隔的減小,其互相關函數(shù)圖的峰值變得不再明顯.圖5給出了掃頻區(qū)間(Hz)為[7000,8000]時的互相關圖,此區(qū)間內(nèi)峰值已基本無法分辨.

圖5 掃頻區(qū)間采樣點為[7000,8000]Hz時互相關圖Fig.5 Cross correlation chart of chirp sig nal with frequency from 7000 Hz to 8000 Hz

選取掃頻周期0.1 s,掃頻區(qū)間間隔為3000 Hz,分別對其聲波飛渡時間進行測量.圖6給出了部分測量得到的互相關圖.分析可知,隨著頻率的增高,相同區(qū)間間隔互相關圖中互相關函數(shù)的峰值越來越不明顯.

圖6 掃頻區(qū)間間隔為3000 Hz部分互相關圖Fig.6 Cross correlation charts of chirp signals with a frequency interval of 3000 Hz

3.2 掃頻周期的選擇

選取掃頻區(qū)間(Hz)為[500,8000],掃頻周期(s)分別取 0.01、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.20、0.30 、0.40 、0.50 、0.60 和 0.80,計算其平均絕對誤差,結(jié)果見表4.

圖7給出了不同掃頻周期下線性掃頻信號的相對均方根誤差.從圖7可以看出,0.05 s到0.80 s的掃頻周期中,相對均方根誤差變化不大,0.10 s和0.20 s附近具有較小的RRMSE.

表4 不同掃頻周期下的平均絕對誤差(單位:ms)Tab.4 MAEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals in different cycles(unit:ms)

圖7 不同掃頻周期下測量值與計算值的相對均方根誤差Fig.7 RRMSEbetween calculated results and actual measurements for chirp signals in different cy cles

4 300MW鍋爐現(xiàn)場試驗研究

4.1 熱態(tài)試驗

在國內(nèi)某300 MW鍋爐機組34.5 m平臺上安裝聲學測溫系統(tǒng),在其前墻和后墻布置測點,測點距離為13.59m.定義發(fā)聲端傳聲器所在通道為通道1,接受端傳聲器所在通道為通道2.設置采樣頻率為102400 Hz,采樣數(shù)為65536,發(fā)聲頻率(Hz)為[500,8000],此時鍋爐負荷為230 MW.

圖8給出了鍋爐熱態(tài)測量的波形圖,圖中縱坐標PSD為功率譜密度.可以明顯看出,在沒有濾波的情況下,通道2接收的掃頻信號波形嚴重失真,這主要是由于鍋爐本底噪聲很大,聲源信號完全淹沒于其中.圖8(c)和圖8(d)給出了通道1和通道 2接收到的聲源信號和爐膛本底噪聲信號混合頻譜圖,混合聲的能量大部分集中在500～3000 Hz頻率段,線性掃頻信號能量也主要集中在低頻段,高頻段能量相對較小.大量研究表明,鍋爐爐膛本底噪聲主要集中在1000 Hz以下,設置濾波區(qū)間為[1000,5000]Hz,通過濾波處理,通道2的掃頻信號波形顯現(xiàn)出來.圖8(h)給出了濾波后通道2的信號頻譜圖,這時的聲音能量主要集中在[1000,3000]Hz區(qū)間,3000 Hz以上的聲音幾乎衰減殆盡.

圖8 300MW鍋爐熱態(tài)試驗時部分波形圖Fig.8 Wavefo rms obtained in hot-state experiments for a 300 MW boiler

綜合冷態(tài)試驗分析,最后確定掃頻發(fā)聲區(qū)間取為[500,3000]Hz,掃頻周期為0.1 s,濾波區(qū)間為[1000,3000]Hz,利用聲學法對煙氣溫度進行測量,測量結(jié)果見表5.

表5 聲學法測量得到的煙氣溫度Tab.5 Actual measurements of gas temperature by acoustic pyrometry ℃

圖9給出了熱態(tài)測量時的互相關圖,峰值較為明顯也相當穩(wěn)定.測量結(jié)果中,第6次和第8次發(fā)生明顯錯誤,第1、2、3、4、7和9次的測量數(shù)據(jù)相對準確.為了證實測量的準確性,在測量的同時采用熱電偶進行標定.

4.2 溫度標定

圖9 300M W鍋爐熱態(tài)濾波[1000,3000]Hz互相關圖Fig.9 Cross correlation chart of chirp signals with filtering frequency from 1000 to 3000(Hz)

圖10 熱電偶溫度標定示意圖Fig.10 Schematic diagram of temperature measurement with thermocouple

定制加工了長約5 m的k型加厚不銹鋼鎧裝熱電偶,精度為±1 K,測量示意圖見圖10.分別將熱電偶從聲波發(fā)射端、聲波接收端插入爐膛,改變不同的插入深度,每個測點20 min左右達到熱平衡.爐墻外側(cè)溫度200℃左右,爐墻內(nèi)側(cè)450℃左右.熱電偶插入深度超過0.5 m時,溫度梯度較大,從200℃直接上升到1000℃;超過0.5 m以后,基本穩(wěn)定在1000～1200℃.熱電偶分別從發(fā)射端和接收端插入,溫度值由熱電偶讀數(shù)表讀出,冷端補償自帶.

圖11為熱電偶測量溫度變化圖.整個測量路徑的平均溫度為1072℃,與采用聲學測溫得到的結(jié)果基本相同,表明聲學測溫系統(tǒng)測量的溫度滿足要求.

圖11 熱電偶測溫標定溫度圖Fig.11 Temperature distribution measured with thermocouples

5 結(jié) 論

(1)線形掃頻信號作為電站鍋爐聲學測溫的聲源信號是完全可行的.

(2)在相同的掃頻間隔中,起始頻率和截止頻率越高,效果越差.

(3)掃頻信號隨著掃頻周期的變化有著不同的測量效果,研究表明掃頻周期取0.1 s為宜.

(4)電站鍋爐溫度場聲學監(jiān)測中,聲源掃頻信號區(qū)間間隔越小,效果越差,考慮到熱態(tài)的衰減效應,聲源信號掃頻區(qū)間取[500,3000]Hz為宜.

(5)在鍋爐熱態(tài)中,噪聲基本上淹沒了接收端聲源信號,但是噪聲頻率較低,可以通過濾波濾除,濾波區(qū)間根據(jù)鍋爐情況加以選擇.熱態(tài)混響影響較小,濾波后有較好的測量效果,但測量不是非常穩(wěn)定.熱態(tài)聲波衰減規(guī)律及時間延遲算法還待進一步研究.

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