偽隨機序列聲源信號在電站鍋爐聲學測溫中的應用

張世平， 安連鎖， 李庚生， 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）

電站鍋爐中高溫煙氣的溫度是燃燒經濟性和穩(wěn)定性的一個重要指標，也是鍋爐啟動和正常運行過程中非常重要的操作參數，為了實現對燃燒過程的有效控制，必須對高溫煙氣的溫度分布進行準確測量.聲學測溫是一種非接觸式高溫測量方法，是少數幾種能夠得到大量溫度信息而投入要求較低的技術之一［1］.目前，國外已經有成型的產品投入實際應用［2］，而國內該項技術尚處于基礎研究和實驗室研究階段［3－4］.由于鍋爐爐膛燃燒環(huán)境的復雜性，該項技術在國內的實際應用還存在一定困難［5］.近年來，偽隨機序列越來越受到人們的重視，其應用范圍越來越廣，包括導彈、衛(wèi)星和飛船等的軌道測量和跟蹤，雷達、導航、一般通信和保密通信、通信系統(tǒng)性能的測量以及其他方面［6］.筆者在以往研究的基礎上開發(fā)了聲學測溫系統(tǒng)，引入偽隨機序列聲源信號，并成功將其應用于國內200MW及300MW鍋爐上，獲得了大量的寶貴數據，為聲學測溫在國內的推廣提供了重要的參考.

1 聲學測溫原理

聲學測溫是根據聲波在介質中的傳播速度來間接得到介質的溫度，兩者關系如下［7］：

式中：v為介質中聲的傳播速度，m／s；L為測點間距離，m；τ為聲波飛渡時間，s；R 為通用氣體常數，J／（mol·K）；γ為氣體的絕熱指數（比定壓熱容與比定容熱容之比值）；T為氣體溫度，K；m為氣體分子質量，kg／mol.

2 偽隨機序列的產生原理

如果一個序列，一方面它是可以預先確定并且可以重復生產和復制的，另一方面它又具有某種隨機序列的隨機特性（即統(tǒng)計特性），這種序列便稱為偽隨機序列［8］.偽隨機序列是一種周期序列，具有均衡性、游離分布性及隨機性.偽隨機序列還具有雙值自相關函數的特性，即

式中：P為序列的周期（或長度）；K＜1.

當K接近0時，這種雙值自相關函數特性很接近白噪聲的自相關函數特性，只是幅度概率不再服從高斯分布.偽隨機序列具有尖銳的自相關函數，周期足夠長，可確保其抗干擾，編碼足夠多，工程上易于產生、加工、復制和控制.

偽隨機序列一般由反饋移位寄存器構成，其基本結構框架如圖1所示，an，an－1，an－2，…，a3，a2，a1分別是第一級，第二級，…，第n級存儲器.其中，a1只取“0”或“1”兩種狀態(tài)，使之成為二元，在時鐘脈沖到來時，各存儲器的狀態(tài)依次右移輸出成一個序列.

圖1 移位寄存器工作原理Fig.1 Working principle of the shift register

筆者采用偽隨機序列中采用最多的m序列進行研究，m序列又稱最長線性反饋移位寄存器序列，可由線性反饋移位寄存器生成.

線性反饋移位寄存器的反饋邏輯函數為：

式（3）稱為線性反饋移位寄存器的聯級多項式.聯級多項式是本原多項式時，n級線性反饋移位寄存器將產生m 序列［9］.

采用Carnegie Mellon大學Philip Koopman教授推算的本原多項式，利用Matlab和Labview混合編程，并根據移位寄存器的原理進行偽隨機序列聲源信號的制取.

偽隨機序列聲源信號頻率范圍覆蓋了整個頻率域，頻帶過于寬大.筆者采用信號處理的方法將偽隨機信號的頻帶變窄，只產生500～3 000Hz的信號.

3 200MW鍋爐試驗研究

國內某200MW鍋爐機組安裝自主研發(fā)的聲學測溫系統(tǒng)，該鍋爐為北京巴布科爾·威爾科克（B＆W）有限公司生產的B＆WB－670／13.7－M 型超高壓一次中間再熱單鍋自然循環(huán)煤粉鍋爐.測溫系統(tǒng)安裝在折焰角下方29.8m平臺左墻和右墻短吹孔上，對爐墻沒有破壞，標定路徑長度為12.103m.定義聲波發(fā)射端傳聲器所在采樣通道為通道1，聲波接收端傳聲器所在通道為通道2.

3.1 爐膛噪聲特性提取

鍋爐在熱態(tài)運行時存在各種各樣的噪聲源，這些噪聲為聲波在爐膛中傳播的精確測量帶來很大困難.爐膛熱態(tài)背景噪聲主要包括燃燒噪聲、煙氣掠過管束的風吹聲、燃燒器的射流噪聲、吹灰器吹灰噪聲以及其他機械噪聲.在聲學測溫試驗前，先對爐膛背景噪聲進行采樣分析.圖2（a）和圖2（b）分別給出了爐膛背景噪聲的波形圖，此時采樣頻率為102 400 Hz，采樣數65 536.圖2（c）和圖2（d）分別給出了兩通道噪聲的頻譜圖.通過分析可知，200MW鍋爐燃燒背景噪聲的大部分能量分布在700Hz以下，其概率分布接近高斯分布.

圖2 200MW機組爐膛背景噪聲波形圖和頻譜圖Fig.2 Waveforms and spectrograms of background noise in boiler furnace of a 200MW unit

3.2 鍋爐熱態(tài)測溫研究

設置采樣頻率為102 400Hz，采樣數為65 536，濾波區(qū)間為700～3 000Hz.圖3給出了雙通道接收濾波后的偽隨機信號波形圖，可以看出，聲音從測點1傳播至測點2衰減了大約400多倍.圖4給出了測點1接收聲信號和測點2接收聲信號的互相關函數圖，通過互相關函數峰值對應的互相關點數可以計算出聲波在爐膛中的傳播時間，圖中峰值明顯，聲波的飛渡時間Fs為采樣頻率.由圖4得聲波飛渡時間為17.1582ms，進一步計算得聲速為705.37m／s，此時負荷平穩(wěn)在160MW 左右.表1給出了聲學測溫系統(tǒng)測量20次得到的單路徑爐膛煙氣溫度值.

圖3 200MW機組偽隨機序列波形圖Fig.3 Waveforms of pseudo－random sequence signal in a 200MW unit

圖4 200MW鍋爐雙通道聲信號互相關函數圖Fig.4 Dual－receiver cross correlation chart for a 200MW boiler

表1 聲學法測得的200MW鍋爐煙氣溫度Tab.1 Measurements of flue gas temperature by acoustic pyrometry for a 200MW boiler ℃

4 300MW鍋爐試驗研究

國內某300MW鍋爐安裝聲學測溫系統(tǒng)，該鍋爐是東方鍋爐廠生產的亞臨界參數、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐、單爐膛Π型布置鍋爐，燃用煙煤，一次中間再熱，平衡通風、固態(tài)排渣，采用全鋼架、全懸吊結構，運轉層（標高12.6m）以下全封閉，爐頂帶金屬防雨罩.鍋爐型號為DG 1028／18.2－Ⅱ6.測點安裝在鍋爐燃燒器上方34.5m平臺上，利用現有的短吹孔標定路徑長度為13.581m.

4.1 爐膛噪聲特性提取

采用與3.1節(jié)相同的方法對300MW鍋爐爐膛背景噪聲進行采集，圖5（a）和圖5（b）給出了兩通道背景噪聲波形圖，圖5（c）和圖5（d）給出了背景噪聲的功率譜密度值.由圖5可以看出，噪聲能量主要分布在500Hz以下的低頻段，噪聲的概率分布同樣為高斯分布.

4.2 鍋爐熱態(tài)測溫研究

設置采樣頻率為102 400Hz，采樣數為65 536，濾波區(qū)間為500～3 000Hz.圖6給出了雙通道接收濾波后的偽隨機信號波形圖，由圖6可以看出，聲音從測點1傳播至測點2衰減了大約400多倍.

圖7給出了測量的互相關圖.由圖7得聲波飛渡時間為19.375 1ms，進一步計算得此時聲速為700.95m／s.表2給出了聲學測溫系統(tǒng)測量20次得到的煙氣溫度值.試驗時，鍋爐機組負荷從230MW上升至270MW，煙氣溫度開始升高.

圖5 300MW機組爐膛背景噪聲波形圖和頻譜圖Fig.5 Waveforms and spectrograms of background noise in boiler furnace of a 300MW unit

圖6 300MW機組偽隨機序列波形圖Fig.6 Waveforms of pseudo－random sequence signal in a 300MW unit

圖7 300MW鍋爐雙通道聲信號互相關函數圖Fig.7 Dual－receiver cross correlation chart for a 300MW boiler

5 溫度標定及數據分析

為了驗證所測溫度的準確性，筆者采用特殊制造的K型陶瓷熱電偶進行標定，分別將熱電偶從聲波發(fā)射端和接收端插入爐膛，改變插入深度，對20個不同位置的溫度進行測量，最后對40組數據進行平均，計算得200MW鍋爐測溫路徑上的平均溫度為1 107℃，300MW鍋爐測溫路徑上的平均溫度為1 197℃，聲學測溫系統(tǒng)所測溫度值與熱電偶測量溫度值的誤差基本在2%以內，表明聲學測溫滿足精度要求.

表2 聲學法測得的300MW鍋爐煙氣溫度Tab.2 Measurements of flue gas temperature by acoustic pyrometry for a 300MW boiler ℃

為了觀測聲學測溫結果與機組負荷之間的規(guī)律，分別選取了200MW 鍋爐機組2011－04－06T14：30—07T14：30，300MW 鍋爐機組2011－05－17T14：30—18T14：30之間的24h作為研究時段.

圖8給出了爐膛溫度和機組負荷曲線.由圖8可以看出，200MW鍋爐機組高負荷時煙氣溫度為1 167.3℃，300MW鍋爐機組高負荷時煙氣溫度為1 258.4℃.聲學測溫得到的爐膛溫度曲線與鍋爐機組負荷曲線吻合，表明聲學測溫系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求.

圖8 爐膛溫度和機組負荷曲線Fig.8 History curves of furnace temperature and unit load

6 結 論

（1）偽隨機信號可以作為聲學測溫的聲源信號，但需對其發(fā)生頻率區(qū)間進行處理，使頻帶變窄，能量集中.

（2）對自主研發(fā)的基于偽隨機序列信號聲源的聲學測溫系統(tǒng)在國內200MW機組和300MW機組上成功進行了熱態(tài)試驗，取得了大量現場數據，為聲學測溫技術的推廣提供重要的參考.

（3）聲學測溫系統(tǒng)測得的整條路徑溫度平均值與熱電偶測量溫度值的誤差在2%以內.

（4）聲學測量得到的煙氣溫度曲線與鍋爐機組負荷曲線吻合.

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