邱思昱

基于聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)在超超臨界鍋爐中的應用

邱思昱

（天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480）

分析了某發(fā)電有限公司使用的聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及使用現(xiàn)狀，根據(jù)工控技術的發(fā)展進程，提出了將多通道信號處理主機微型化、集成化，對采集到的音頻信號進行優(yōu)化分析，實現(xiàn)在復雜背景中區(qū)別噴流噪聲信號，有效地提高設備可靠性、抗干擾性以及定位的精準性。

聲波檢測；聲波定位；爐管泄漏

某發(fā)電有限公司一期兩臺機組為2*1000MW超超臨界Π型直流爐，鍋爐自2007年投運至今，出現(xiàn)過多起承壓管泄漏事件。由于裝備有聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)，能在泄漏發(fā)生的早期及時的發(fā)出報警信號，使得運行人員能夠掌握泄漏情況并及時調整機組負荷，避免出現(xiàn)跳停對電網(wǎng)及設備造成沖擊，影響設備壽命及經(jīng)濟效益。本文從聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理入手，主要分析其在超超臨界Π型直流爐中的應用。

1 工作原理

聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是利用布置在鍋爐水冷壁外部的多個聲波導管、聲波傳感器以及位于電子間的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，來實現(xiàn)在線監(jiān)測和診斷鍋爐爐膛內存在的聲音頻率、聲音強度及聲音持續(xù)時間等方面的特征，來判斷爐膛內部是否發(fā)生泄漏。

超超臨界Π型直流爐內的背景噪聲主要分布在相對固定的低頻段：燃燒器噪聲：250～600Hz，燃燒器射流噪聲：100Hz以下，爐膛內煙氣沖刷鍋爐水冷壁、分隔屏過熱器、省煤器等管排所產生的湍流噪聲：31～69Hz，吹灰器噪聲：850～3000Hz。由于采用的聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作頻率范圍為200～15kHz，故而可直接排除燃燒器射流噪聲及煙氣沖刷引起的湍流噪聲的影響。

1.1 爐管泄漏原理

直流鍋爐管排發(fā)生破損的主因是金屬管壁磨損或者金屬疲勞產生裂隙或裂紋，泄漏發(fā)生時，爐管內流動的高溫高壓流體在爐管內外巨大的壓力差（可達到26MPa）作用下通過裂隙噴射出來而形成噴流[1]，其理想化模型圖如圖1所示。

圖1 噴流模型結構圖

在超超臨界直流爐中，位于爐內管排上的管道破裂所產生的多數(shù)噴流噪音，來源于過度及混合區(qū)內的湍流。高頻噴流噪音主要產生于裂口附近，隨著與裂口距離的增大，噪音頻率迅速降低；頻譜頻率的峰值則產生于核心噴流的尖端[2]。

由圖1可知，當泄漏發(fā)生時，通過探頭采樣到的音頻中會出現(xiàn)頻帶較寬的高頻背景噪音信號，正因為泄漏聲波信號與爐膛內存在的背景噪音兩者之間有著信號強度與信號頻譜這兩方面的主要差別，故而使用在線監(jiān)測爐膛內部的聲波信號特征來達成在線監(jiān)測爐膛內外各個管路的狀態(tài)，以判斷是否存在泄漏的可能。

目前對泄漏音頻檢測捕捉的實現(xiàn)途徑中主要有兩種：（1）聲波傳感器通過爐膛內部的空氣場檢測到泄漏源音頻的檢測技術。（2）聲波傳感器通過水冷壁上的爐管的聲波傳遞檢測出泄露音源的檢測技術。該廠目前采用的是第一種檢測技術，從國內外的應用時長及應用效果來看，較為可靠。

1.2 定位原理

相較于之前采用的區(qū)域泄漏模糊報警+人工就地辨音的定位方式，新一代的聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)對泄漏音頻的定位是基于多傳感器陣列的被動定位方法來實現(xiàn)的，能夠以遠程辨音的方式替代人工就地辨音，并在半徑12m的半球空間檢測范圍內內實現(xiàn)半徑4m的半球范圍分辨率，其工作原理是：將聲波傳感器所采集到的來自爐膛內部的音頻信號傳送至機架式工控機，并在工控機內轉化成數(shù)字信號之后，利用算法進行頻譜特征分析，得出其空間坐標，是一種基于TDOA即聲達時間差的定位技術[3]。在諸多的聲波元件布置方式及計算方法中又以四元陣列模型具有較易在工程上進行實現(xiàn)，也便于定位計算：

圖2 陣列定位原理圖

（1）漏點在過熱器的情況。泄漏音頻信號源的方向與距離，可以依據(jù)極坐標系與直角坐標系、聲音程差公式以及直角坐標系中兩點間的距離公式[4]，表示為

（2）漏點在水冷壁的情況。依照同一坐標系中任意兩點之間的間距公式以及聲音程差公式簡化后可以得出

為取得最終的漏點位置坐標，在此使用數(shù)據(jù)融合法進行歸納求解，用以解決使用陣列對爐管漏點的定位計算會存在多組不同解的問題。

由于超超臨界直流鍋爐實際運行環(huán)境中存在的不確定因素較多，所引起的誤差較大，還需要基于大量實驗對計算結果進行修正，才能得到實際的坐標，節(jié)約機務檢修人員的定位時間及定位的準確性，利于提高鍋爐“四管”防磨防爆工作的效率、質量并排除潛在隱患[5]。

1.3 頻譜及功率譜分析

聲波傳感器通過采集爐膛內基于空氣傳播的音頻信號，再經(jīng)過機架式工控機對采集到的音頻信號進行FFT即快速傅里葉變換和頻譜分析，以實現(xiàn)在復雜的背景噪聲信號中區(qū)別出噴流噪聲信號并進行捕捉：

用戶首先在本系統(tǒng)注冊，提交完注冊信息后就擁有注冊用戶初試積分，同時用戶所在主機會在對系統(tǒng)內的主機發(fā)送請求，提出電子數(shù)據(jù)上傳操作，并獲取到系統(tǒng)其他主機的性能，計算出系統(tǒng)所有主機性能評分情況。然后系統(tǒng)會根據(jù)用戶設定的電子數(shù)據(jù)分片數(shù)目，將數(shù)據(jù)進行分片并將其進行存儲分發(fā)，同時將文件分片信息寫入到區(qū)塊鏈中，并更新用戶在區(qū)塊鏈上對應的積分數(shù)值，具體如圖5所示。

離散功率譜的計算目的是通過對信號所蘊含的能量在頻域中分布情況的描述，能夠精準分辨出采樣到的信號所蘊含的能量在哪段頻率中所占的百分比最高，公式如下[6]

在此基礎上對其執(zhí)行跟蹤分析的策略，并在信號達到閾值后發(fā)出告警。為了區(qū)別蒸汽吹灰器及聲波吹灰器的干擾，在投入蒸汽吹灰時以“吹灰器投運”的報警方式將信號進行整體剔除，而來自聲波吹灰器的干擾則通過頻譜特征予以剔除。

2 硬件系統(tǒng)構成

某發(fā)電有限公司一期兩臺超超臨界直流爐所采用的聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由音頻信號采集系統(tǒng)、數(shù)字信號處理監(jiān)視系統(tǒng)及聲波導管除灰系統(tǒng)三部分構成[7]。

2.1 信號采集系統(tǒng)

依據(jù)電力設計院《測點布置圖》的規(guī)定，布置在鍋爐水冷壁及爐頂大包區(qū)域的聲波導管，主要用來聯(lián)通聲波傳感器和爐膛內環(huán)境，以便于提供來自爐膛內音頻信號的傳播通道，采集到更為真實的鍋爐內部音頻信號（圖3所示）。

圖3 信號采集系統(tǒng)

將采集到的爐膛內音頻信號轉換成信號處理系統(tǒng)能識別的電流信號的聲波傳感器被安裝在聲波導管尾部。通過高保真通訊電纜，將采集到的信號傳輸?shù)讲渴鹪陔娮娱g機柜內的，由信號處理、聲頻采集和自檢測試三部分組成的信號處理監(jiān)視系統(tǒng)。

2.2 信號處理監(jiān)視系統(tǒng)

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，信號處理監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)由早期的使用“帶通濾波”法的帶有多通道卡件的信號處理主機的1代產品，發(fā)展為高度集成第1代產品中“電子間信號處理主機”和其相關的接線板，提高了設備在高鹽堿環(huán)境中長期運行的可靠性且降低雜波干擾的第2代產品。其優(yōu)勢在于將所有的信號處理板卡微型化并集成在工控主機箱內，依據(jù)功能的不同，分成監(jiān)聽采樣卡、高性能數(shù)字采集卡和DI/DO卡這三塊卡件。監(jiān)聽采樣卡：1.將聲波傳感器采集到的電流信號，再通過100Ω采樣，轉換為所需的電壓信號，傳輸至高性能數(shù)據(jù)采集卡。2.將轉換后的電壓信號再還原成音頻信號，再通過位于工控機在線監(jiān)測軟件內HMI中監(jiān)聽選擇畫面，來達成在線監(jiān)聽超超臨界直流爐爐膛內的各種音頻的最終目的。

高性能數(shù)字采集卡，通過多芯電纜構成的帶屏蔽的數(shù)據(jù)總線，將聲波傳感器采集到的模擬信號轉換成為數(shù)字信號之后，利用系統(tǒng)IO通道傳輸至主數(shù)據(jù)處理板。并在主數(shù)據(jù)處理板處進行FFT即快速傅里葉變換，生成間隔為300Hz的實時棒形頻譜圖以及運行趨勢圖，并在跟蹤此兩種圖形的變化的基礎上，針對超超臨界直流爐爐管泄漏的功率譜及頻譜特征，進行甄別報警。系統(tǒng)在加入追憶歷史功能之后，可以實現(xiàn)報警發(fā)出后的數(shù)據(jù)分析。對于聲波傳導管的堵灰判斷，則是在基于各個測點處背景噪音的數(shù)據(jù)處理后實現(xiàn)的。

DI/DO卡主要用于實現(xiàn)DCS光字牌報警、蒸汽吹灰狀態(tài)抑制、氣源清灰電磁閥控制和傳感器自檢功能。

2.3 除灰系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的吹掃動力氣源從儀用壓縮空氣母管一次門后引出，通過布置在現(xiàn)場的直流低壓常閉電磁閥來控制每個吹掃支管，每個支管負責4個測點的吹掃工作，用以清理聲波傳導管內的積灰，避免由于聲波傳導管堵塞導致聲波傳感器無法采集到爐膛內部的背景聲音。

3 實際應用效果

單柱狀圖用以顯示帶寬為300Hz頻段內的音頻信號能量總和，橫坐標為200Hz～15kHz范圍區(qū)間頻譜分布情況，縱坐標用分貝值表示采集到的信號的能量大?。▓D4）。當縱坐標能量過高時，且持續(xù)一定時間（吹灰狀態(tài)除外），即檢測到泄漏狀態(tài)，同時在DCS系統(tǒng)的光字牌中發(fā)出報警（圖5）。

4 結束語

該廠多年的運行經(jīng)驗來看，聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)為超超臨界Π型直流爐提供了有效的實時監(jiān)測手段，能夠提供早于人工巡檢的8～10h的報警，使得運行監(jiān)盤人員能夠掌握泄漏情況并及時調整機組負荷，避免出現(xiàn)跳停對華北電網(wǎng)及設備造成沖擊，影響設備使用壽命及頻繁啟停帶來的機組發(fā)電煤耗的增長。尤其是基于第二代技術的聲波在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠較第一代提供更高的MTBF（平均無故障時間）。

圖4 信號頻譜分布圖（單通道/實時）

圖5 單通道泄漏能量圖

[1] 王利平. 大容量鍋爐“四管”爆漏分析及檢測技術[J]. 東北電力技術，1997, 2(13): 19-23.

[2] 沈國清，張世平，安連鎖，等. 電站鍋爐爐管泄露數(shù)值模擬及定位算法的研究[J]. 動力工程學報，2014, 9: 678-684.

[3] 王琳，姜根山，安連鎖. 爐內管道泄漏生檢測與定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J]. 應用聲學，2010(1): 1-10.

[4] 馬海浪. 在極坐標系中如何求兩點間的距離[J]. 新課程·中學，2015, 9: 42-42.

[5] 王喜軍. 論述火力發(fā)電廠鍋爐“四管”防磨防爆的檢查工作[J]. 中外企業(yè)家，2015, 36: 207.

[6] 張江東. 爐管泄漏報警裝置在火力發(fā)電機組中的應用[J]. 國網(wǎng)技術學院學報，2016, 6: 57-59.

[7] 趙娜. 楊柳青熱電鍋爐爐管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)應用分析[J]. 華電技術，2018, 7: 25-28, 34.

Application of digital acoustic detection system in ultra supercritical boiler

QIU Si-yu

(Tianjin SDIC Jinneng Power Generation Co., Ltd. Tianjin 300480)

This paper analyzes the working principle and application status of acoustic on-line monitoring system which some power generation co., Ltd had been used, and according to the development process of industrial control technology,the miniaturization and integration of multi-channel signal processing host can be proposed.To optimize and analyze the collected audio signal,can distinguish jet noise signal in complex background,it also can improve equipment reliability, anti-interference and positioning accuracy effectively.

acoustic detection；acoustic positioning；boiler pipe leakage

2022-02-20

邱思昱（1984-），黑龍江齊齊哈爾人，工程師，工程碩士，主要從事電站熱工控制系統(tǒng)研究，qiusiyu_1984@hotmail.com。

TM75

A

1007-984X(2022)04-0025-04