【摘 要】針對電廠中鍋爐“四管”泄漏時產(chǎn)生的廣義聲發(fā)射現(xiàn)象，對空間聲場分布和聲發(fā)射信號進行了分析研究。通過采集這種聲發(fā)射信號并分析處理，建立了檢測鍋爐“四管”泄漏的檢測系統(tǒng)，即鍋爐爐管泄漏自動報警系統(tǒng)，給出了檢測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐爐管泄漏的早期測報，并判斷出泄露的區(qū)域位置及泄漏程度，防止事故擴大，減少經(jīng)濟損失。

【關(guān)鍵詞】聲發(fā)射；泄漏；設(shè)計

電站鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器，簡稱鍋爐“四管”，是鍋爐的主要受熱面。隨著電站鍋爐的大型化及運行參數(shù)的提高，導(dǎo)致鍋爐“四管”爆破及泄漏事故發(fā)生。國內(nèi)外先進的檢測鍋爐“四管”泄漏的方法是通過聲波傳感器捕捉爐管內(nèi)高壓流體泄漏噴射所形成的噪聲，即采用聲發(fā)射技術(shù)達(dá)到檢測爐管早期泄漏的目的。

一、爐管泄漏聲發(fā)射檢測基本原理

鍋爐在運行時，爐內(nèi)管道充滿高溫、高壓介質(zhì)。管道因材料腐蝕老化或其他外力作用產(chǎn)生裂紋或者腐蝕孔，管道內(nèi)外存在壓力差而使管道中的流體向外泄漏。如果發(fā)生泄漏，這些高溫、高壓介質(zhì)就會通過裂縫或破口噴射出來形成噴流。噴流流入周圍環(huán)境氣流時，高速噴流介質(zhì)和周圍環(huán)境介質(zhì)急劇混合，從而使得射流邊界層形成強烈的湍流脈動，產(chǎn)生噴流混合噪聲。另外，泄漏同樣也會在管道中激發(fā)出應(yīng)力波，然后通過管道的相互作用，聲源向外輻射能量形成聲波。這就是管道泄漏聲發(fā)射現(xiàn)象。通過儀器對這些因泄漏引起的聲發(fā)射信號進行采集和分析處理，就可以對泄漏以及其位置進行判斷。由于爐管泄漏時破口形狀各異，會對空間聲場的分布規(guī)律產(chǎn)生一定影響。另外，爐管的陣列結(jié)構(gòu)、溫度場和流場等物理因素對聲音信號空間傳播的影響，使得爐內(nèi)聲學(xué)環(huán)境參數(shù)異常復(fù)雜。而且工程現(xiàn)場背景噪聲非常復(fù)雜，其包含復(fù)雜分布的噪聲，而且系統(tǒng)本身中的電子器件也將引入噪聲，如電磁噪聲、熱噪聲等，所以需要通過先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，降低系統(tǒng)的虛警率，提高系統(tǒng)對泄漏的識別率。

二、爐管泄漏自動報警硬件系統(tǒng)

鍋爐爐管泄漏自動報警裝置是集鍋爐、聲學(xué)、電子、計算機、機械等多學(xué)科技術(shù)，根據(jù)爐型特點，將特制的聲波傳感器組安裝在鍋爐本體的相應(yīng)部位，利用聲學(xué)檢測原理由傳感器采集爐內(nèi)各種聲信號，并轉(zhuǎn)換成電流信號；通過高性能的數(shù)字濾波技術(shù)，剔除背景噪聲；檢測報警系統(tǒng)經(jīng)頻譜分析得到聲信號的頻譜，并以棒圖形式顯示；通過聲場能量分析，對噪聲強度、頻譜特征及持續(xù)時間的分析計算判斷鍋爐爐管是否發(fā)生泄漏。實現(xiàn)對鍋爐爐管泄漏的早期測報，并判斷出泄漏的區(qū)域位置及泄漏程度。如圖1所示為爐管泄露自動報警系統(tǒng)原理圖。

圖1 爐管泄露自動報警系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計應(yīng)以能最大限度地捕捉泄漏信息作為檢測的標(biāo)準(zhǔn)，同時兼顧維護和檢修方便。與以往相比，硬件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)周期大大縮短。硬件配置主要包括增強型聲波傳感器、聲波傳導(dǎo)管、泄漏檢測專用主機（CPU、硬盤、內(nèi)存、數(shù)據(jù)采集卡、監(jiān)聽卡、DI/O卡）、彩色噴墨打印機、彩顯、軍工級線性電源、信號電纜、配件（預(yù)制電纜、金屬軟管、硬管變徑管接頭）等等。

增強型聲波傳感器用來接收爐膛內(nèi)（包括爐管泄漏噪聲）的所有聲音信號。理想的傳感器應(yīng)具有較高的靈敏度、寬而平直的頻率特性、足夠的動態(tài)范圍、良好的長期穩(wěn)定性、小巧的體積等特點，同時滿足沒有指向性的要求，以免干擾被測量的聲場。此外，由于爐膛內(nèi)特定的燃燒環(huán)境，檢測系統(tǒng)的傳感器還需具備防水、防塵和耐高溫的特性。在設(shè)計的這個鍋爐爐管泄漏自動報警系統(tǒng)中，采用的傳感器是XLB增強型聲波傳感器。

監(jiān)測系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)機箱，分為中心處理單元及顯示報警單元，安裝在立屏上或組合在機柜中。在進行A/D轉(zhuǎn)換之前和D/A轉(zhuǎn)換之后需要對信號進行調(diào)理，這些電路稱為外圍電路。外圍電路主要完成多路轉(zhuǎn)換、信號放大、抗混疊濾波、采樣保持、平滑濾波等功能。而在此系統(tǒng)的設(shè)計中，在此處的信號調(diào)理中我們主要采用一個抗混疊濾波器對信號進行濾波調(diào)理。

多通道高速A/D采集卡將增強型聲波傳感器傳輸過來的電流信號采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，通過總線送到主處理板，進行快速付里葉變換，得出實時頻譜棒形圖及趨勢圖的變化，針對泄露特有的頻譜模式，經(jīng)判斷后進行泄漏報警。同時具有歷史追憶功能，用于報警后數(shù)據(jù)分析。另外對測點處背景噪音的數(shù)據(jù)進行處理，用于傳導(dǎo)管堵灰判斷。

三、爐管泄漏自動報警軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要完成如下功能：數(shù)據(jù)采集卡的控制、數(shù)據(jù)的處理、人機對話及數(shù)據(jù)的存儲、刪除等。如上所述，在設(shè)計本系統(tǒng)時，認(rèn)為硬件只負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的分析和處理等主要功能就由軟件來實現(xiàn)。所以，本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)軟件完成系統(tǒng)的大部分重要功能。如圖2所示為爐管泄露自動報警系統(tǒng)軟件流程圖。

圖2爐管泄露自動報警系統(tǒng)軟件流程圖

鍋爐在運行時存在各種各樣的噪聲源，如爐膛的燃燒噪聲、燃燒器的射流噪聲、煙氣橫掠管束的風(fēng)吹聲、吹灰器的噪聲以及其它機械噪聲等，而且在不同負(fù)荷下運行的鍋爐以及運行的不同時刻都有可能使背景噪聲發(fā)生變化。因此，在實際檢測聲發(fā)射信號中，對所獲得的信號進行濾波處理是必不可少的。

在信號處理時我們使用高性能的數(shù)字濾波技術(shù)對采集到的信號進行濾波處理，因為爐管內(nèi)的背景噪音主要是低頻信號，而泄露信號主要集中在中高頻段，所以我們可以設(shè)計一個高通數(shù)字濾波器剔除背景噪音。爐管內(nèi)的聲音信號是一個隨時間變化的連續(xù)信號，聲波的振幅表示聲音信號的強弱程度。聲波的頻率反映出聲音的音調(diào)，高頻信號聲音尖銳，低頻信號聲音低沉。通常，我們認(rèn)為小于300HZ的頻率為低頻信號，大于300HZ小于1000HZ的頻率為中頻信號，大于1000HZ的頻率為高頻信號。同時具體設(shè)計也是要根據(jù)實際的爐膛噪音的基本情況來定的。

在實際中提取出傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)如事件計數(shù)、振鈴計數(shù)等是非常困難的。總的來說，鍋爐“四管”泄漏的聲發(fā)射信號具有如下特點：

1.時域上與通常意義上的聲發(fā)射波形是很不相同的，即不表現(xiàn)為衰減的一系列波包，從波形上提取上升時間、到達(dá)時間和波形的模態(tài)參數(shù)是非常困難的；

2.泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號頻域上是一個有相當(dāng)帶寬的信號，而且頻譜具有很陡的尖峰，與背景噪聲的分布差別較大，這個特點為檢測泄漏提供了有利的抗干擾條件；

3.泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號比較強，其幅度大小與泄漏速率成正比，與信號的均方根值成正比；

4.在煙氣中傳播的泄漏信號為連續(xù)型信號。

借助于傅里葉變換，信號通常可以分解為若干不同頻率的正弦分量的線性組合。其中每個正弦分量都具有各自的頻率、幅度和相位。組成信號的所有正弦分量，其幅度和相位都隨頻率變化就構(gòu)成了信號的頻譜，時頻信號與頻譜一一對應(yīng)。從頻譜的角度對信號進行分析稱為信號的頻域分析。頻譜是信號在頻域的一種表現(xiàn)形式，反映了信號的頻率特性。通過傅里葉變換結(jié)果的實虛部可轉(zhuǎn)換成幅值譜和相位譜。

四、結(jié)論

鍋爐“四管”的爆破泄漏事故是火力發(fā)電廠最頻發(fā)的事故，是影響機組穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵因素。通過研究表明，鍋爐“四管”泄漏的噴流噪聲可以認(rèn)為是廣義的聲發(fā)射信號，其峰值頻率主要和噴流介質(zhì)的出口速度的噴口尺寸有關(guān)。雖然采用濾波器可以去除一部分噪聲，但鍋爐運行時背景噪聲復(fù)雜多變，而且所采集的聲發(fā)射信號也可能是在爐內(nèi)多次反射疊加的結(jié)果。所以，怎樣最大的去除背景噪聲，對空間聲場分布進行詳細(xì)研究，才可以盡可能地對聲發(fā)射信號本身進行分析，從而提高泄漏信號的識別率。

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作者簡介：

張里陽（1987.08），男（漢），山東青島人，助理工程師，研究方向為熱工自動化及其控制系統(tǒng)。