基于聲發(fā)射技術(shù)的鍋爐“四管”泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

【摘 要】針對(duì)電廠中鍋爐“四管”泄漏時(shí)產(chǎn)生的廣義聲發(fā)射現(xiàn)象，對(duì)空間聲場(chǎng)分布和聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析研究。通過采集這種聲發(fā)射信號(hào)并分析處理，建立了檢測(cè)鍋爐“四管”泄漏的檢測(cè)系統(tǒng)，即鍋爐爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，給出了檢測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍋爐爐管泄漏的早期測(cè)報(bào)，并判斷出泄露的區(qū)域位置及泄漏程度，防止事故擴(kuò)大，減少經(jīng)濟(jì)損失。

【關(guān)鍵詞】聲發(fā)射；泄漏；設(shè)計(jì)

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(yùn)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(jìn)的檢測(cè)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(cè)爐管早期泄漏的目的。

一、爐管泄漏聲發(fā)射檢測(cè)基本原理

鍋爐在運(yùn)行時(shí)，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(huì)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(shí)，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(qiáng)烈的湍流脈動(dòng)，產(chǎn)生噴流混合噪聲。另外，泄漏同樣也會(huì)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(duì)這些因泄漏引起的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集和分析處理，就可以對(duì)泄漏以及其位置進(jìn)行判斷。由于爐管泄漏時(shí)破口形狀各異，會(huì)對(duì)空間聲場(chǎng)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(chǎng)和流場(chǎng)等物理因素對(duì)聲音信號(hào)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(chǎng)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(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，降低系統(tǒng)的虛警率，提高系統(tǒng)對(duì)泄漏的識(shí)別率。

二、爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警硬件系統(tǒng)

鍋爐爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警裝置是集鍋爐、聲學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科技術(shù)，根據(jù)爐型特點(diǎn)，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(cè)原理由傳感器采集爐內(nèi)各種聲信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；通過高性能的數(shù)字濾波技術(shù)，剔除背景噪聲；檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)經(jīng)頻譜分析得到聲信號(hào)的頻譜，并以棒圖形式顯示；通過聲場(chǎng)能量分析，對(duì)噪聲強(qiáng)度、頻譜特征及持續(xù)時(shí)間的分析計(jì)算判斷鍋爐爐管是否發(fā)生泄漏。實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐爐管泄漏的早期測(cè)報(bào)，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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)原理圖。

圖1 爐管泄露自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)以能最大限度地捕捉泄漏信息作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧維護(hù)和檢修方便。與以往相比，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)周期大大縮短。硬件配置主要包括增強(qiáng)型聲波傳感器、聲波傳導(dǎo)管、泄漏檢測(cè)專用主機(jī)（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(jī)、彩顯、軍工級(jí)線性電源、信號(hào)電纜、配件（預(yù)制電纜、金屬軟管、硬管變徑管接頭）等等。

增強(qiáng)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(hào)。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(dòng)態(tài)范圍、良好的長期穩(wěn)定性、小巧的體積等特點(diǎn)，同時(shí)滿足沒有指向性的要求，以免干擾被測(cè)量的聲場(chǎng)。此外，由于爐膛內(nèi)特定的燃燒環(huán)境，檢測(cè)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(jì)的這個(gè)鍋爐爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，采用的傳感器是XLB增強(qiáng)型聲波傳感器。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，分為中心處理單元及顯示報(bào)警單元，安裝在立屏上或組合在機(jī)柜中。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前和D/A轉(zhuǎn)換之后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)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(jì)中，在此處的信號(hào)調(diào)理中我們主要采用一個(gè)抗混疊濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波調(diào)理。

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

三、爐管泄漏自動(dòng)報(bào)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(jī)對(duì)話及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除等。如上所述，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，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(shí)現(xiàn)。所以，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件流程圖。

圖2爐管泄露自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件流程圖

鍋爐在運(yùn)行時(shí)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(jī)械噪聲等，而且在不同負(fù)荷下運(yùn)行的鍋爐以及運(yùn)行的不同時(shí)刻都有可能使背景噪聲發(fā)生變化。因此，在實(shí)際檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)中，對(duì)所獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波處理是必不可少的。

在信號(hào)處理時(shí)我們使用高性能的數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，因?yàn)闋t管內(nèi)的背景噪音主要是低頻信號(hào)，而泄露信號(hào)主要集中在中高頻段，所以我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)高通數(shù)字濾波器剔除背景噪音。爐管內(nèi)的聲音信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間變化的連續(xù)信號(hào)，聲波的振幅表示聲音信號(hào)的強(qiáng)弱程度。聲波的頻率反映出聲音的音調(diào)，高頻信號(hào)聲音尖銳，低頻信號(hào)聲音低沉。通常，我們認(rèn)為小于300HZ的頻率為低頻信號(hào)，大于300HZ小于1000HZ的頻率為中頻信號(hào)，大于1000HZ的頻率為高頻信號(hào)。同時(shí)具體設(shè)計(jì)也是要根據(jù)實(shí)際的爐膛噪音的基本情況來定的。

在實(shí)際中提取出傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)如事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)等是非常困難的?？偟膩碚f，鍋爐“四管”泄漏的聲發(fā)射信號(hào)具有如下特點(diǎn)：

1.時(shí)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(shí)間、到達(dá)時(shí)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(hào)頻域上是一個(gè)有相當(dāng)帶寬的信號(hào)，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(gè)特點(diǎn)為檢測(cè)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(hào)比較強(qiáng)，其幅度大小與泄漏速率成正比，與信號(hào)的均方根值成正比；

4.在煙氣中傳播的泄漏信號(hào)為連續(xù)型信號(hào)。

借助于傅里葉變換，信號(hào)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(gè)正弦分量都具有各自的頻率、幅度和相位。組成信號(hào)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(hào)的頻譜，時(shí)頻信號(hào)與頻譜一一對(duì)應(yīng)。從頻譜的角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析稱為信號(hào)的頻域分析。頻譜是信號(hào)在頻域的一種表現(xiàn)形式，反映了信號(hào)的頻率特性。通過傅里葉變換結(jié)果的實(shí)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(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)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(hào)，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(yùn)行時(shí)背景噪聲復(fù)雜多變，而且所采集的聲發(fā)射信號(hào)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(duì)空間聲場(chǎng)分布進(jìn)行詳細(xì)研究，才可以盡可能地對(duì)聲發(fā)射信號(hào)本身進(jìn)行分析，從而提高泄漏信號(hào)的識(shí)別率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李光海，王勇.基于聲發(fā)射技術(shù)的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2002，15（4）：45-48.

[2]劉亮.先進(jìn)傳感器及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]楊明緯.聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳漢明，李曉紅.聲發(fā)射技術(shù)及其在鍋爐“四管”檢測(cè)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，28（6）：36-39.

[5]李學(xué)林.鍋爐爐管泄漏自動(dòng)報(bào)警裝置[J].四川電力技術(shù)2002，25（5）：12-16.

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?yàn)闊峁ぷ詣?dòng)化及其控制系統(tǒng)。