基于聲學法的磨煤機入口冷熱混合風風速測量研究

儲 墨，楊柏依，趙 亮，楊偉山，周 賓

（1.華能萊蕪發電有限公司，山東 濟南 271100；2.東南大學，江蘇 南京 210096）

0 引言

風速的準確監測對磨煤機效率的提高和燃燒優化具有非常重要的指導和參考意義［1］。目前，國內燃煤機組常用的測速方法有矩陣皮托管［2］、光學信號互相關法［3］、PIV圖像粒子測速［4］和射線離子測速［5］等。在現場測試中存在修正系數不穩定、易堵塞、磨損和單點測試不具代表性的問題；同時，矩陣皮托管測量裝置的測量點數對流速的計算結果會產生一定的影響；測點的空間分布方式對流場干擾的影響比較大。

聲學法風速測量對流場干擾小或幾乎無干擾，不會存在堵塞和定期修正的問題，由于設備通過導管導出聲波進行測試，所以對設備幾乎無磨損。安連鎖等［6-10］對聲音信號的選擇以及提高聲波飛渡時間精度等進行了深入研究。沈國清［11］采用聲波信號互相關方法驗證了采用聲學法進行氣體流速測量的可行性。陳棟［12］對聲波測速裝置進行了改進，研究了聲學測點布置角度對測量靈敏度的影響，提高了聲波測速的靈敏度。

利用聲學法對磨煤機冷熱風混合風量測量的研究報道較少，因此，通過對不同溫度下的聲波在磨煤機入口冷熱混合風道中的傳播情況進行仿真，得到流場中各影響因素與流速的關系。通過聲學法得到冷熱混合風的平均流速，最終實現聲學法風速測量系統的研發，形成風速測量的優化方案。

1 磨煤機入口風速聲學測量原理及時延估計

1.1 磨煤機入口風速聲學測量原理

聲波在磨煤機冷熱混和風中的傳播主要受到風溫和流速的影響。通過空氣靜止區域的風溫可以求得聲速

式中：c 為聲波在靜止空氣中的傳播速度，m／s；γ為介質比熱容比，與介質成分有關；R 為氣體常數，J／（mol·K）；T 為熱力學溫度，K；M 為介質摩爾質量，kg／mol。

聲學測速技術作為一種非侵入式測量方法，通過利用聲波在待測區域的飛行時間和測量位置得到氣體介質的流速信息［13］。

聲波在冷熱混合風中的實際傳播速度等于風速與聲波在靜止空氣中的傳播速度的疊加，如圖1 所示。在介質流向的順流、逆流兩個方向上各布置一組揚聲器和傳聲器，通過獲取聲波在兩個方向上的聲波飛渡時間以獲取介質流速。

圖1 磨煤機混合風聲波測速原理

順流和逆流方向的揚聲器和傳聲器均固定在聲波導管內部，聲波導管后部為封閉狀態，揚聲器S1發射聲波信號，由于聲波順風傳播，聲波飛渡到傳聲器M1 所用的時間為τ1；之后，當揚聲器S2 發射聲波信號時，由于聲波逆風傳播，聲波飛渡到傳聲器M2所用的時間為τ2（τ1<τ2），則聲波在L1的飛渡時間τ1可表示為

同理，在L2的飛渡時間τ2可表示為

由式（2）和（3）可知，氣體流速為

同時可得聲速為

式中：τ1、τ2為聲波在順流及逆流方向上的飛渡時間；L1、L2為順流及逆流方向的聲線長度；α、β 為順流及逆流方向傳感器的安裝角度。

1.2 互相關時延估計

式（5）中飛渡時間τ1、τ2可通過直接互相關算法得到，信號延遲時間的準確估計是準確計算風速的關鍵。互相關時延估計是比較兩個相對獨立時間序列信號的相關程度，通過計算兩信號之間的偏移點得到相對應的聲波飛渡時間。

假設x1（n）和x2（n）分別表示揚聲器發射信號和麥克風接收信號，s（n）表示聲源信號，μ1（n）和μ2（n）表示信號采集時的隨機噪聲，γ 表示聲波信號衰減系數，D 表示聲波發射方向上的時間延遲，其數學模型可表示為：

x1（n）和x2（n）的互相關函數可表示為

式中：Rss為聲源信號s（n）的自相關函數；Rsμ1和Rsμ2為聲源信號與隨機噪聲信號的互相關函數；Rμ1μ2為兩路隨機噪聲的互相關函數；α 為聲吸收系數。假設s（n）、μ1（n）和μ2（n）為不相關的隨機信號，則

公式（7）可簡化為

由式（9）可以看出，飛渡時間時延估計通過聲源信號的自相關函數得到。其中，飛渡時間時延估計受到聲波衰減系數變化的影響。

2 數值仿真結果與分析

由于現場實驗和實驗室實驗為同樣的揚聲器，其聲源輻射的波形、聲束等聲源特性相同，輻射衰減與風道中空氣介質無關，所以仿真只考慮吸收衰減，忽略擴散衰減。根據文獻［7-10］的研究，采用線性掃頻聲源信號對高溫風道中的聲波衰減情況進行仿真研究。

2.1 背景噪聲分析

圖2 為風道背景噪聲頻譜快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）分析。由圖2 可知，背景噪聲的頻率主要低于3 500 Hz，為了避免背景噪聲對監測過程的干擾，聲源信號的起始頻率要與背景噪聲的主要頻段不同，即要大于3 500 Hz，使采集信號中的噪聲頻段比重最低。

圖2 風道背景噪聲頻譜分析

2.2 聲波在風道中的吸收衰減

聲波在理想介質中傳播時，不存在任何能量的耗散，即傳播介質對聲波沒有吸收作用。但是由于磨煤機入口風道中存在冷熱混合風，聲波的傳遞過程是非理想狀態，隨著傳播距離的增大，部分聲波能量轉變成熱能進行耗散，使聲信號發生了衰減［14］。聲波在傳播過程中，混合空氣介質存在粘滯性，對聲波產生吸收作用，這是聲波在風道中傳播時衰減的主要原因。聲波在經過氣體介質時，氣體產生壓縮和膨脹的變化，壓縮部分體積減小，導致溫度升高，膨脹區域體積變大，導致溫度降低。由于理想氣體此過程為可逆過程，所以不考慮介質對聲波的吸收作用，但是磨煤機入口風道中冷熱混合風為非理想介質，相鄰的壓縮區域和膨脹區域的溫度梯度會導致熱量由高溫區域流向低溫區域，此熱傳導過程是不可逆過程，導致機械能轉化為熱能，從而引起聲波吸收［15］。

由經典公式可得介質的熱傳導吸收系數為：

在考慮黏滯聲吸收和熱傳導聲吸收后，總的聲吸收系數為

式中：χ 為熱傳導系數；Cv為定容比熱容；Cp為 定壓比熱容；ω 為聲波角頻率；ρ0為介質密度；η′為切變黏滯系數。

由式（11）可知，聲波黏滯吸收系數與熱傳導吸收系數均和角頻率平方成正比，隨著頻率的增加，黏滯衰減系數平方增大，聲波衰減越嚴重，根據文獻［6-7］的研究及風道背景噪聲的頻率分布，確定仿真頻率采用4～8 kHz。

2.3 低信噪比下相關性仿真分析

由于測量環境中存在大量加性噪聲，且不同測量環境下其噪聲能量不同。對于電廠磨煤機入口冷熱混合風道環境中，噪聲的主要成分為高斯白噪聲［16］，通過對衰減、時延后的聲源信號添加不同信噪比的高斯白噪聲仿真分析聲源抗噪能力。

仿真中，聲源信號掃描頻率范圍為4～7 kHz，有效信號時長為0.2 s，占空比為0.2，設置接收信號時延為20 ms，對信噪比 （Signal-to-Noise Ratio，SNR）從-20～0 范圍進行仿真，每個數據的計算次數200次。

圖3 SNR 為-7 時的接收信號

圖3 為SNR 為-7 時的接收信號，從圖7 中可以看出，其信號波形在低信噪比下仍能夠區分，但是時延估計情況并不能通過信號波形看出。

圖4 為不同信噪比下信號的相關性，相關性越大則時延越準確。相關函數圖像的橫坐標為SNR，隨著信噪比的降低，聲源信號與時延信號間的相關性逐漸減小。

圖4 不同信噪比下信號相關性

由圖4 可知，隨著信噪比的降低，聲源信號與時延信號的相關性逐漸降低，在SNR 低于-15 dB 后，相關性降低幅度減小。根據對電廠環境的背景噪聲進行分析可知，風道內部時延信號的SNR 約為-6.78 dB，由圖4 可知，在測試環境中仍然能有較高的信號相關性，聲學互相關算法可以在現場環境中進行應用。

3 現場實驗

3.1 實驗介紹

本項目以華能萊蕪電廠1 000 MW 超超臨界二次再熱機組工程為依托。

聲波測速設備安裝于6 號爐E 磨煤機入口冷熱風混合管道，風道截面直徑為1.70 m 的圓形管道，通過氣動隔絕門的閥門控制及調節進風量及混合風量，在磨煤機入口位置安裝皮托管進行監測，并與聲波測速結果進行對比。揚聲器及傳聲器均布置在流道兩側。其安裝結構如圖5、圖6 所示。

3.2 傳感器距離標定

揚聲器及傳聲器安裝完成后，由于其均與流道成一定角度，傳感器間的準確距離很難通過常規測量手段得到。通過聲波飛渡時間標定出傳感器間的準確距離，在安裝完成后，風道內無氣體流動，此時，揚聲器所發射的聲波信號不受流速干擾，且溫度幾乎不變，其聲速c 為定值。經過靜止狀態下的聲音傳播速度的多次測量求得平均值，可得靜止時聲速c為338.640 m／s，順、逆流的揚聲器與傳聲器距離分別是2.344 9 m 和2.418 1 m，順、逆流聲線與管道的安裝角分別為45.93°和46.77°。

圖6 傳聲器端安裝結構

3.3 實驗結果與分析

實驗過程中，環境溫度會有輕微波動，平均在260 ℃左右，聲速在495.64 m／s 左右波動。設置采樣頻率為500 kHz，聲波測速的系統響應時間約為1.5 s。圖7 為磨煤機冷熱風混合后的測速結果，測試周期約為20 天。從圖7 中可以看出，聲學法與皮托管測速結果基本吻合測試曲線基本吻合，聲學法測速結果相較于皮托管略大。由于皮托管為壓差式測量，其速度結果的響應能力較差，對速度波動不靈敏。由于距離送風機較近，流場波動較大，從聲波測速結果中可以明顯看出速度的波動及變化情況。

圖7 聲學測速及皮托管測速結果

4 結語

不同溫度下的聲波在風道中的傳播情況進行仿真，得到流場中各影響因素與冷熱混合風流速的關系。磨煤機入口冷熱混合風對聲波的衰減影響較小，并不影響聲波互相關算法計算氣體流速。

根據風道內部背景噪聲及仿真分析，確定聲學測速中的聲源信號頻段為4～7 kHz，能夠與噪聲頻段隔離。

聲學磨煤機冷熱風混合風量測量能夠在不影響管道流場的情況下準確測量混合風流速，而且能夠方便安裝及更換傳感器，傳感器本身不會受到冷熱混合風的磨損，能夠做到長期穩定監測。