聲波法測量電站鍋爐煙氣流速的實驗研究

沈國清，何壽榮，安連鎖，范 鵬

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206；2.華北電力大學國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206）

電站鍋爐煙氣流速測量對電廠優(yōu)化燃燒和評估污染物排放總量都具有重要意義.國內(nèi)外煙氣流速測量儀器主要有皮托管、熱線風速儀和激光流速計等［1］.然而電廠現(xiàn)場條件比較惡劣，鍋爐煙道氣體流動復雜，許多傳統(tǒng)的測速儀器設(shè)備難以長期有效地測量氣體的真實流速，對于接觸式的測量儀器，長時間工作在惡劣的環(huán)境下很容易發(fā)生磨損和損壞，從而導致測量失靈或者誤差偏大.為此，國內(nèi)外許多學者先后通過煙氣壓力脈動信號［2］、光學圖像［3-4］、過零穿越極性相關(guān)［5］等技術(shù)對煙氣流速進行測量研究，效果都不是十分理想.聲波法作為新興測量技術(shù)，具有非接觸測量、測量精度高和實時監(jiān)測等優(yōu)點，近年來受到了人們的關(guān)注.

對于聲波法在電廠中的應(yīng)用，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量研究.沈國清等［6］研究了電站鍋爐聲學測溫的應(yīng)用機理；安連鎖等［7］分析了電站鍋爐聲學檢測中聲信號的頻率范圍和聲壓要求，比較了不同聲源的優(yōu)缺點；姜根山等［8-10］對聲波飛渡時間的時延估計算法進行研究，驗證了采用互相關(guān)算法能在電站鍋爐相關(guān)測量中得到較為精準的時延；李言欽等［11-13］研究了聲波法監(jiān)測爐內(nèi)二維速度場的重建方法；Barth等［14］則采用聲波法同時重建鍋爐的溫度場和速度場.然而，對于采用聲波法對電站鍋爐煙氣流速進行測量的研究報道仍較少，因此，筆者研究了電站鍋爐煙道氣體的流動特性，并通過模擬和實驗的方法證明中低頻段的可聽聲在電廠煙氣流速測量中的可行性.

1 聲波測速的原理

聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度主要受到溫度和氣體流動速度的影響.在靜止空氣中，聲波的傳播速度可以通過介質(zhì)溫度得到，兩者關(guān)系如下：

式中：c為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，m／s；R為摩爾氣體常數(shù)，J／（mol·K）；γ為氣體的絕熱指數(shù)；T為氣體溫度，K；M為氣體介質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg／mol.

對于流動的氣體，若氣體流速v?c，聲波的實際傳播速度可表示為：

式中：ceff為聲波的實際傳播速度，m／s；v為氣體流速，m／s.

若聲源到傳感器的距離為L，聲源到傳感器的飛渡時間為t，則實際聲速為：

根據(jù)上述原理，實驗中采用時差法對氣體流速進行測量，測量原理見圖1.

在風道管道內(nèi)固定好聲波發(fā)射裝置和傳感器，聲波發(fā)射裝置A 發(fā)出一個聲波信號，傳感器1和傳感器2先后接收到聲源A 的信號的時間差記為t1，然后聲波發(fā)射裝置B 發(fā)出一個聲波信號，傳感器2和傳感器1先后接收到聲源B 的信號的時間差記為t2.假設(shè)2 個傳感器之間的距離為S，則氣體流速為：

圖1 聲波測速實驗原理圖Fig.1 Schematic diagram of velocity measurement with acoustic wave

2 時延估計

聲波飛渡時間的準確測量是聲波測速的關(guān)鍵技術(shù)，在估計聲波飛渡時間時，最常用到的算法是互相關(guān)算法.

互相關(guān)時延估計法是對2個空間上相互獨立的聲波傳感器接收到的信號進行互相關(guān)運算，2個獨立信號的互相關(guān)函數(shù)達到最大值時所對應(yīng)的時間延遲，就是聲波經(jīng)過2個傳感器的飛渡時間［9］.

假設(shè)2個傳聲器接收到信號的數(shù)學模型為：

式中：x1（n）、x2（n）分別為傳感器1和傳感器2接收的信號函數(shù)；s（n）為聲源信號函數(shù)；w1（n）和w2（n）分別為2個傳感器接收到的高斯白噪聲函數(shù)；D為2個傳感器之間的相對時間延遲；α為聲波相對衰減系數(shù).

假設(shè)s（n）、w1（n）和w2（n）為互不相關(guān)的平穩(wěn)隨機信號，則x1（n）和x2（n）的互相關(guān)函數(shù)為

式（6）可轉(zhuǎn)換為

令α＝1，則Rx1x2（τ）為信號s（n）的自相關(guān)函數(shù)，由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知，時間延遲估計為

在實際應(yīng)用中，有時由于信號帶寬和噪聲等因素的影響，互相關(guān)函數(shù)的波峰會被展寬而變得比較平坦，可能沒有明顯的峰值存在，從而影響時延估計的精度.廣義互相關(guān)是在直接互相關(guān)的基礎(chǔ)上改進的一種算法，通過求兩信號之間的互功率譜，并在頻域內(nèi)給予一定加權(quán)，來對信號和噪聲進行白化處理，增強信號中信噪比較高的頻率成分，從而抑制噪聲的影響，再反變換到時域，得到兩信號之間的廣義互相關(guān)函數(shù).其表達式為

式中：F為傅里葉變換；＊為共軛；Ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù).

在實際應(yīng)用中，權(quán)函數(shù)的選擇是個難點，也是實現(xiàn)時延準確估計的重點.在廣義互相關(guān)時延估計法中，若取權(quán)函數(shù)：

則稱之為基于相位變換（PHAT）加權(quán).經(jīng)PHAT 加權(quán)的互相關(guān)函數(shù)在信噪比較低時能有效抑制混響，得到較為準確的時延［9］.經(jīng)PHAT 加權(quán)的廣義互相關(guān)算法（簡稱PHAT 算法）的流程如圖2所示，原始信號經(jīng)過快速傅里葉變換得到兩信號的頻譜，再取共軛相乘，經(jīng)過PHAT 加權(quán)，進行反傅里葉變換得到兩路信號的廣義互相關(guān)函數(shù)，通過檢測廣義互相關(guān)函數(shù)的峰值，即可得到傳感器接收到的信號的時延值［15］.

圖2 PHAT 時延估計算法框圖Fig.2 Block diagram of PHAT delay estimation algorithm

實驗中將用到直接互相關(guān)算法和PHAT 算法對聲波飛渡時間進行估計.為了防止噪聲的干擾，先對數(shù)據(jù)進行濾波處理，其等效于在頻域的加權(quán)處理，這有利于加強接收信號中聲源信號的譜分量，提高信噪比，從而獲得更高的時延估計精度.

3 模擬仿真

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，其中A 為風機、B為渦街流量計，C 為彎管，D 為風道測量直管段，E為風道出口，a、b處放置聲波傳感器.聲源可以固定在圖中位置1～位置3處（并非所有點都布置聲源，只選擇其中的1～2個點）.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of the measurement system

由于風道口徑相對較小，聲源的布置方式對流場有較大影響.借助Fluent強大的流場仿真模擬功能，對不同聲源布置方式下的風道流場進行模擬研究，結(jié)果見圖4.

圖4 不同聲源位置下的流場模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of flow field with sound source arranged in different areas

由圖4可知，當聲源布置在位置1或者位置1和3時，風道的測量段都能形成較為穩(wěn)定的流場.當有聲源布置在測量段的上游（即位置2）時，對測量段流場干擾較大，影響測量結(jié)果.考慮到本實驗采用來回路徑的時間差來測量氣體流速，故選擇第2種布置方式（即聲源布置在位置1和位置3處）.

4 實驗過程

4.1 實驗介紹

實驗臺主要由風機、渦街流量計、風道、揚聲器、傳感器和工控機組成，如圖5所示.

風機轉(zhuǎn)動帶動氣體流動，通過調(diào)節(jié)出風口的開度來調(diào)節(jié)風量的大小.在風機出口處安裝有渦街流量計，用來測量氣體的實時流量，其測量誤差不大于2%.風道的口徑為200mm×200 mm 的正方形流道，由有機玻璃制成，揚聲器和傳感器都布置在風道的測量段內(nèi).通過對聲波法和渦街流量計2種方法測量出來的流速進行比較，來證明聲波法測速的可行性.

聲波測速系統(tǒng)如圖6所示.聲波發(fā)射裝置由寬頻喇叭構(gòu)成，傳感器采用電容式結(jié)構(gòu)的預極化駐極體無指向性聲波傳感器.掃頻信號采用SpectraLAb軟件進行編碼，由主機發(fā)出聲波信號，經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)換成模擬信號后，通過功率放大器放大輸出至揚聲器，驅(qū)動揚聲器發(fā)射出測量聲波信號.傳感器接收到聲波信號后，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到工控機內(nèi)，再用Labview 和Matlab 對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到聲波飛渡時間.

圖5 實驗臺Fig.5 Experiment setup

圖6 聲波測速系統(tǒng)圖Fig.6 Schematic diagram of the acoustic measurement system

4.2 濾波處理

濾波處理是聲波法測速的重要環(huán)節(jié)，對工作狀態(tài)下背景噪聲的頻譜（見圖7）進行分析.由圖7可知，風道背景噪聲的頻率基本在500Hz以下.因此，采用500Hz以上的聲波信號能夠有效地屏蔽背景噪聲對測量信號的干擾.

圖7 風道噪聲頻譜圖Fig.7 Spectrum of the noise in air duct

為了更好地獲得聲源信號的信息，對原始信號進行高通濾波和加窗處理.原始信號圖以及濾波后的信號圖見圖8和圖9.由圖8和圖9可以看出，經(jīng)濾波處理后的信號圖呈現(xiàn)明顯的波峰波谷，一定程度上消除了背景噪聲的干擾.

圖8 原始信號圖Fig.8 Original signal

圖9 濾波后信號圖Fig.9 Filtered signal

4.3 傳感器距離標定

實驗儀器固定之后，由于傳感器置于風道內(nèi)，采用傳統(tǒng)的方法對2個傳感器之間的距離進行測量有很大難度.

表1 靜態(tài)實驗結(jié)果Tab.1 Results of the static experiment

其中序號1、2 和3 為在開闊環(huán)境下測得的數(shù)值，x為風道內(nèi)測得的數(shù)據(jù)，從而可以根據(jù)平均聲速求得管道內(nèi)兩傳感器之間的距離.

4.4 聲源頻率選擇

聲源頻率選擇是可聽聲測量氣體流速的關(guān)鍵技術(shù)，一般選擇在10 000 Hz 以內(nèi)較佳［7］，因此對500～10 000 Hz內(nèi)的各個聲波頻段進行測定.結(jié)果表明，當掃頻信號的頻段在2 000 Hz 以下或者6 000Hz以上時，2種算法均能得到較好的結(jié)果，而在其他頻段容易產(chǎn)生誤判.在信號分析的過程中，采用6 000～8 000Hz掃頻信號時，聲波飛渡時間更為穩(wěn)定，因此采用6 000～8 000Hz的掃頻信號.

4.5 測速實驗與結(jié)果分析

為了證明聲波法測速的有效性，采用直接互相關(guān)算法以及PHAT 算法對聲波飛渡時間進行估計，從而求得氣體流速，并與渦街流量計測得的氣體流速進行對比，結(jié)果見圖10.

圖10 不同工況下的實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results obtained under different working conditions

上述結(jié)果表明，采用聲波法測得的流速能夠比較真實地反映氣體的實際流速，初步證明了利用可聽聲測量電站鍋爐煙氣流速的可行性.由圖10可以看出，隨著氣體流速增加，采用聲波法測量氣體流速的誤差會進一步減小，當氣體流速達到11m／s時，測量誤差在5% 以內(nèi).對比直接互相關(guān)算法和PHAT 算法，PHAT 算法測得的流速與對比流速吻合得更好，對流速變化的靈敏性也更高.然而，在流速發(fā)生細微變化時，聲波的飛渡時間并沒有產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對流速的變化不敏感，出現(xiàn)這種狀況的原因可能是算法不完善或者測量設(shè)備本身的不足，這是應(yīng)用聲波法測量氣體流速時須考慮的重要因素.

5 結(jié) 論

（1）采用聲波法對電廠煙氣流速進行測量具有一定的可行性，測量精度能達到一定的要求，當氣體流速達到11m／s時，測量誤差在5%以內(nèi).

（2）聲源的布置位置對煙道流場的影響較大，應(yīng)妥善選擇聲源的布置位置，避免聲源對流場的干擾.

（3）采用500Hz以上的掃頻信號能夠有效降低背景噪聲的影響.聲源信號選擇在6 000～8 000Hz的掃頻信號能得到較好的實驗結(jié)果.

（4）相對于直接互相關(guān)算法，經(jīng)PHAT 加權(quán)的廣義互相關(guān)算法在聲波法測速中適用性更好，靈敏性也更高.

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