電站鍋爐聲學測溫中掃頻信號聲源特性研究

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監測與控制教育部重點實驗室,北京 102206)

現代電站燃煤鍋爐參數的日益提高,對爐內燃燒狀況的監測提出了更高的要求.獲得準確的爐內溫度場對精確監測鍋爐的燃燒與運行狀況具有十分重要的意義.國內外的學者對溫度場監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境,并且可以實現連續實時監測[1].對于電站鍋爐這種大空間、強噪音的工作環境,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,表明電聲源因其構造簡單、技術成熟的優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,并且在國內某300 MW電站鍋爐上進行了熱態試驗.

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測點的聲波發生器發出,被左右兩側的接收器測到,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.根據平面波的運動方程、平面波的波動方程以及氣體狀態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為介質中聲波的傳播速度,m/s;R為理想氣體普適常數,J/(mol?k);t為氣體溫度,℃;γ為氣體的絕熱指數(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,分別是對數掃頻、線性掃頻和二次掃頻,表1給出了三種掃頻信號的數學模型.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]為信號的持續時間.

掃頻信號可以對最大旁瓣值產生抑制,其相關函數具有很好的尖銳性,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,優于對數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;n1(n)和n2(n)為噪聲函數;D為兩通道間的時間延遲;A表示衰減系數.直接互相關函數為[8-9]:

時間延遲估計為:

間接法互相關函數為:

式中:ψ12為頻域處理的加權函數;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,取加權函數為1.

3 實驗室試驗結果與分析

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軟件發出線性掃頻信號,經聲卡轉換為模擬信號后,再經過功率放大器放大輸出至揚聲器,驅動揚聲器發射出測溫聲波信號.信號采集和分析系統為NI公司多通道數據采集卡,軟件系統采用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),屬電容式結構.

從文獻[10]可以看出,互相關函數測量聲波飛渡時間,產生誤差與鍋爐背景噪音、采樣點數及采樣頻率有關.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,采樣點數為65536,試驗溫度15℃,測得當地聲速為340.5 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境,無明顯噪聲影響.

3.1 掃頻信號頻率區間的選擇

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;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給出掃頻區間(Hz)為[500,8000]時的互相關圖,其互相關函數具有明顯峰值.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間間隔的減小,其互相關函數圖的峰值變得不再明顯.圖5給出了掃頻區間(Hz)為[7000,8000]時的互相關圖,此區間內峰值已基本無法分辨.

圖5 掃頻區間采樣點為[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,相同區間間隔互相關圖中互相關函數的峰值越來越不明顯.

圖6 掃頻區間間隔為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鍋爐現場試驗研究

4.1 熱態試驗

在國內某300 MW鍋爐機組34.5 m平臺上安裝聲學測溫系統,在其前墻和后墻布置測點,測點距離為13.59m.定義發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,采樣數為65536,發聲頻率(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,設置濾波區間為[1000,5000]Hz,通過濾波處理,通道2的掃頻信號波形顯現出來.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區間,3000 Hz以上的聲音幾乎衰減殆盡.

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

綜合冷態試驗分析,最后確定掃頻發聲區間取為[500,3000]Hz,掃頻周期為0.1 s,濾波區間為[1000,3000]Hz,利用聲學法對煙氣溫度進行測量,測量結果見表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給出了熱態測量時的互相關圖,峰值較為明顯也相當穩定.測量結果中,第6次和第8次發生明顯錯誤,第1、2、3、4、7和9次的測量數據相對準確.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.爐墻外側溫度200℃左右,爐墻內側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,基本穩定在1000～1200℃.熱電偶分別從發射端和接收端插入,溫度值由熱電偶讀數表讀出,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果基本相同,表明聲學測溫系統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 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測中,聲源掃頻信號區間間隔越小,效果越差,考慮到熱態的衰減效應,聲源信號掃頻區間取[500,3000]Hz為宜.

(5)在鍋爐熱態中,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,濾波區間根據鍋爐情況加以選擇.熱態混響影響較小,濾波后有較好的測量效果,但測量不是非常穩定.熱態聲波衰減規律及時間延遲算法還待進一步研究.

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