電站鍋爐管陣列內(nèi)聲傳播特性及時(shí)延值測量

安連鎖，馮 強(qiáng)，沈國清，姜根山，張世平，王 鵬，張海宇

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

電站鍋爐管陣列內(nèi)聲傳播特性及時(shí)延值測量

安連鎖1，馮 強(qiáng)1，沈國清1，姜根山1，張世平1，王 鵬1，張海宇2

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

對電站鍋爐管陣列內(nèi)聲傳播特性及時(shí)延值進(jìn)行研究，利用Fluent軟件對非均勻溫度場與均勻溫度場、不同管排數(shù)及不同布置方式的管陣列內(nèi)聲傳播特性進(jìn)行對比，并搭建管陣列實(shí)驗(yàn)臺，引入快速集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)算法對管陣列內(nèi)時(shí)延值進(jìn)行測量.結(jié)果表明：管陣列內(nèi)聲傳播存在聲阻帶，且在非均勻溫度場集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解下聲阻帶向低頻段移動，管排數(shù)越多，聲阻帶效應(yīng)越明顯，管道間節(jié)距對錯列與順列布置方式下的聲阻帶有一定影響；基于快速EEMD處理，選用低頻段聲信號能夠獲得有效時(shí)延值.

電站鍋爐；管陣列；聲傳播特性；時(shí)延值；快速集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

現(xiàn)有的電站鍋爐定位技術(shù)均建立在爐膛內(nèi)無障礙物環(huán)境的基礎(chǔ)上，而對管陣列的定位鮮見研究.定位算法的核心部分是時(shí)延值測量的準(zhǔn)確性，若時(shí)延值測量誤差較大，則無法得到泄漏點(diǎn)的精確定位.在時(shí)延值測量過程中，首先要對管陣列內(nèi)的聲波傳播(以下簡稱管陣列聲傳播)特性進(jìn)行研究，筆者對以下2個部分進(jìn)行了研究：第一部分為水平煙道及尾部煙道內(nèi)管陣列聲傳播特性研究；第二部分為管陣列內(nèi)時(shí)延值測量.

1 管陣列聲傳播特性研究

管陣列聲傳播特性研究采用數(shù)值模擬方法，并結(jié)合平面波展開法[1]進(jìn)行理論驗(yàn)證.

1.1 平面波展開法

聲子晶體的二維平面波展開法聲波波動方程可表示為

(1)

(2)

u可表示為u=uxi+uyj.式(1)為Z模態(tài)，與橫向振動相對應(yīng)；式(2)為XY模態(tài)，與縱橫耦合振動相對應(yīng).

對于氣相為基相的傳播模型，不存在橫波傳播，即C44=0，那么聲波波動方程可簡化為

(3)

將標(biāo)量Ψ(r,t)引入式(3)，那么位移矢量可表示為

(4)

則存在以下關(guān)系式：

(5)

采用隨時(shí)間變化的波函數(shù)來表示Ψ(r,t)，即將Ψ(r,t)=exp(-iωt)Ψ(r)帶入式(5)，并對時(shí)間項(xiàng)進(jìn)行分離，可得

(6)

式中:ω為頻率.

由式(6)可知，聲波波動方程求解可轉(zhuǎn)化為本征值求解的問題.構(gòu)成聲子晶體的材料屬性可通過Bloch原理固體理論和晶格傅里葉展開法在倒格子空間進(jìn)行展開，從而獲得傅里葉級數(shù)形式：

(7)

(8)

式中：G為二維晶格倒格矢，用倒格子空間基矢量的方式可表示為G=n1b1+n2b2，b1和b2為倒格子空間基矢量，n1和n2為整數(shù)項(xiàng).

上式中的傅里葉系數(shù)為

?Acd2rT(r)e-iG·r

(9)

式中：S(G)為由Ac、Ci(r)或ρ(r)共同構(gòu)成的一個周期結(jié)構(gòu)所占面積；Ac為晶格面積；?Acd2r為對原胞的積分.

根據(jù)G是否為0，S(G)可表示為如下形式：

(10)

式中：A1為散射體在二維空間中所占面積；f為聲子晶體填充比，f=A1/Ac；ρA為鋼柱的密度；ρB為空氣的密度.

1.2 均勻溫度場下管陣列聲傳播特性

電站鍋爐管陣列一般由多排蛇形管以及起始端和末端的進(jìn)出口連箱構(gòu)成，其壁厚為5～10 mm，外徑通常為38～57 mm，然而有些鍋爐也會采用外徑為60 mm或63 mm的蛇形管[2].

由圖2可知，該條件下管排間聲傳播不存在完全禁帶[3]，僅在Γ-X方向出現(xiàn)方向性禁帶，即不完全禁帶，對于10 000Hz以下頻段，不完全禁帶為2 484～3 687Hz和6 673～7 038Hz.對于氣/固型聲子晶體，第一帶隙中心頻率存在關(guān)系式Δfmid=c/2a，代入當(dāng)?shù)芈曀俸途Ц癯?shù)可得出第一帶隙中心頻率為3 218.9Hz，與平面波展開法計(jì)算結(jié)果(3 085Hz)接近，兩者誤差為4.1%，符合工程誤差精度要求.對比圖2與圖3可知，平面波展開法計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，說明所采用的數(shù)值模擬方法是可行的，具有一定的參考價(jià)值.

圖1 模型邊界條件

圖2 平面波展開法計(jì)算結(jié)果

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

1.3 煙氣與管道換熱對管陣列聲傳播特性的影響

1.3.1 非均勻溫度場建模

煙氣流過管排進(jìn)行換熱時(shí)不能用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述非均勻溫度場，因此需要借助Fluent軟件來模擬煙氣流經(jīng)換熱器管排的溫度場.由于不需要研究流動的湍流形態(tài)，故以穩(wěn)態(tài)流場下的溫度場為研究對象，并將其作為背景流對非均勻溫度場下的聲傳播行為進(jìn)行研究.

將非均勻溫度場中介質(zhì)的密度和當(dāng)?shù)芈曀俣x為歐幾里得空間坐標(biāo)的函數(shù)，可以得到非均勻介質(zhì)中的聲波波動方程[4]：

(11)

式中：c(x)、ρ(x)和p(x)分別為非均勻介質(zhì)中某點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀佟⒚芏群蛪毫?

1.3.2 管陣列模型選取

換熱器管道外徑取50 mm，過熱器與再熱器的橫向節(jié)距與管道直徑比S1/d=2，縱向節(jié)距與管道直徑比S2/d=4；省煤器的橫向節(jié)距與管道直徑比S1/d=2，縱向節(jié)距與管道直徑比S2/d=2.

由于過熱器和再熱器布置在煙氣溫度為973.15～1 073.15 K的環(huán)境中，選取換熱器管道內(nèi)工質(zhì)溫度為813.15 K，煙氣溫度為1 073.15 K，煙氣流速為8 m/s.

以5×5管陣列為研究對象，其非均勻溫度場通過數(shù)值模擬獲得，均勻溫度場的參照對象為5×5管陣列，管陣列布置方式為過熱器與再熱器對流式布置，其中晶格常數(shù)a=100 mm，b=200 mm.

圖4給出了均勻溫度場與非均勻溫度場的聲壓級(SPL)曲線.由圖4可知，對于低頻段，溫度場的非均勻性對管陣列聲傳播特性的影響不大，兩者的SPL曲線基本吻合，然而對于高頻段，非均勻溫度場導(dǎo)致多條聲禁帶向低頻段移動，對于6 000～8 000 Hz頻段，非均勻溫度場的聲禁帶傳遞損失小于均勻溫度場；8 000～10 000 Hz頻段的聲禁帶數(shù)量增加，且傳遞損失增大.因此，非均勻溫度場對管陣列聲傳播特性的影響主要集中在高頻段，而電站鍋爐壓力管道泄漏信號屬于寬帶噪聲信號，對管陣列聲傳播行為進(jìn)行研究時(shí)加入非均勻溫度場是必要的.

圖4 均勻溫度場與非均勻溫度場的SPL曲線

圖5給出了5×5管陣列數(shù)值模擬結(jié)果.由圖5可知，煙氣下風(fēng)向溫度逐漸降低，當(dāng)?shù)芈曀匐S之變化；在高頻段，聲傳播呈現(xiàn)間斷性，盲區(qū)散布于二維空間內(nèi)各位置.

對于大型電站鍋爐實(shí)際情況而言，管排數(shù)往往達(dá)到數(shù)十排，因此有必要對大管排數(shù)管陣列進(jìn)行數(shù)值模擬和分析.數(shù)值模型采用管排布置方式為8列以及5、10、15、20、25排，其中列方向?yàn)橹芷谛赃吔?

(a)溫度場

(b)當(dāng)?shù)芈曀?/p>

(c)(1.1,0)處SPL曲線及波峰、波谷聲傳播云圖

圖6給出了大管排數(shù)下SPL曲線的對比.由圖6可知，當(dāng)管排數(shù)小于20時(shí)，不完全聲禁帶的聲壓級隨管排數(shù)增加而逐漸降低.當(dāng)管排數(shù)大于20時(shí)，如圖6(c)所示,僅在低頻段聲禁帶部分的SPL曲線有較小差異，在高頻段基本吻合.同時(shí)可以得出，聲禁帶并不隨管排數(shù)的增加而改變，差異僅存在于傳遞損失.

1.3.3 布置方式對管陣列聲傳播特性的影響

由于管陣列在錯列布置時(shí)，周期性邊界處偶數(shù)排存在半界面管道，為防止半界面管道對數(shù)值模擬產(chǎn)生影響，將管陣列數(shù)量擴(kuò)展為8×8，分別對對流式過熱器和省煤器的順列及錯列布置方式進(jìn)行對比研究.

8×8管陣列的順列布置方式與5×5管陣列布置方式相同，僅在數(shù)量上進(jìn)行擴(kuò)充，8×8管陣列錯列布置方式如圖7所示.圖8給出了對流式過熱器順列與錯列布置方式下聲傳播特性的對比.由圖8可知，在對流式過熱器的稀疏布置方式下，順列與錯列布置方式對5 000 Hz以下低頻段聲傳播特性的影響不明顯；對于5 000～8 000 Hz頻段，錯列布置方式的傳遞損失大于順列布置方式；在8 000～10 000 Hz頻段，錯列布置方式不完全聲禁帶數(shù)量要多于順列布置方式，但順列布置方式在9 040 Hz與9 360 Hz附近的傳遞損失較為嚴(yán)重.

(a)5、10、15排管陣列SPL曲線

(b)15、25排管陣列SPL曲線

(c)20、25排管陣列SPL曲線

圖7 8×8管陣列錯列布置方式

圖9給出了省煤器順列與錯列布置方式下聲傳播特性的對比.由圖9可知，在省煤器的稠密布置方式下，錯列布置方式下在2 000 Hz附近低頻段的傳遞損失較為嚴(yán)重；對于4 000～7 000 Hz頻段，錯列布置方式的傳遞損失與順列布置方式相似，但不完全聲禁帶數(shù)量要少于順列布置方式；對于7 000 Hz以上的高頻段，錯列布置方式的傳遞損失較順列布置方式嚴(yán)重.

圖8 對流式過熱器順列與錯列布置方式下聲傳播特性的對比

Fig.8 Acoustic propagation characteristics in sequence and stagger arrangement for convective superheater

圖9 省煤器順列與錯列布置方式下聲傳播特性的對比

Fig.9 Acoustic propagation characteristics in sequence and stagger arrangement for economizer

2 管陣列內(nèi)時(shí)延值測量

2.1 管陣列內(nèi)聲波衍射行為

聲波在傳播過程中服從惠更斯-菲涅耳原理，該原理表明當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)存在繞射行為，并在障礙物背側(cè)繼續(xù)傳播.聲波衍射行為與障礙物特征尺寸、波長存在如下關(guān)系式：

ka=2πr/λ

(12)

式中：ka為物體線度與聲波波長的相對大?。籸為障礙物特征尺寸(如圓柱體則為半徑)；λ為某一頻率對應(yīng)的波長.

ka的大小決定了衍射行為在聲傳播中所占的比重，當(dāng)ka<<1時(shí)，存在較強(qiáng)的衍射行為；當(dāng)ka=1時(shí)，存在部分衍射行為；當(dāng)ka>>1時(shí)，幾乎不存在衍射行為，障礙物背側(cè)有明顯的聲影.在煙氣溫度為1 073.15 K，當(dāng)?shù)芈曀贋?43.78 m/s時(shí)，不同管徑及頻率下對應(yīng)的ka值見表1.

由表1可以看出，19 mm管徑在3 000 Hz以下的聲信號具有良好的衍射特性，而3 000 Hz以上的聲信號反射行為占主導(dǎo)地位；而對于25 mm和30 mm管徑，1 500 Hz以下的聲信號具有良好的衍射特性.

表1 不同管徑及頻率下對應(yīng)的ka值

Tab.1 Values ofkaat different sizes of tubes and different frequencies

管徑/mm頻率/Hz100015003000600010000190.190.280.561.111.85250.240.370.731.462.44300.290.440.881.762.93

2.2 基于快速EEMD處理的管陣列內(nèi)時(shí)延值測量

2.2.1 快速EEMD算法

對信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)[5-6]處理時(shí)需要滿足2個條件：(1)對于整個數(shù)據(jù)序列，過零點(diǎn)個數(shù)與極值點(diǎn)個數(shù)至多差1個或者相等；(2)對于信號中任意一點(diǎn)，信號局部極小值和局部極大值所定義的下包絡(luò)線和上包絡(luò)線具有零均值的特點(diǎn).

在滿足上述條件的情況下，EMD算法可以通過以下步驟將信號拆分為若干模態(tài)分量(IMF)和一個殘余項(xiàng).

(1)對泄漏信號x(t)時(shí)域波形取極大值點(diǎn)，通過3次樣條插值獲得上包絡(luò)線u(t)，通過同樣方法獲得極小值點(diǎn)所確定的下包絡(luò)線d(t)，同時(shí)記m(t)為上下包絡(luò)線的均值，即m(t)=[d(t)+u(t)]/2.

(2)定義h1(t)=x(t)-m(t)，在處理非平穩(wěn)信號和非線性信號的過程中，h1(t)通常無法滿足EMD處理時(shí)所需的2個前提條件，對此需要重復(fù)執(zhí)行步驟(1)和步驟(2)，直至h1(t)滿足EMD處理的前提條件為止，將滿足條件的h1(t)記為h1IMF(t).

(3)將泄漏信號原始數(shù)據(jù)減去h1IMF(t)，獲得剩余數(shù)據(jù)記作r1(t)，即r1(t)=x(t)-h1IMF(t).

(4)將步驟(3)所得剩余數(shù)據(jù)r1(t)作為后續(xù)處理的原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟(1)～步驟(3)，獲得n個IMF：

(13)

EMD處理拆分過程的停止準(zhǔn)則[7]為：定義標(biāo)準(zhǔn)差Sd，使得2次連續(xù)處理結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差限定在一定范圍內(nèi)，Sd的取值一般為0.2～0.3.Sd的表達(dá)式為

(14)

式中：T為泄漏信號的時(shí)間尺度；hik(t)為第i個IMF第k次篩選的次數(shù)序列.

泄漏信號經(jīng)過上述迭代過程被分解為n個IMF和一個殘余函數(shù)rn(t):

(15)

其中，n個IMF包含各時(shí)間尺度的特征信號，殘余函數(shù)rn(t)表示原泄漏信號趨勢量信息.

在實(shí)際應(yīng)用過程中，EMD算法存在模態(tài)混疊的缺點(diǎn)，即某個IMF包含了時(shí)間尺度差別較大的特征信息或者相近的時(shí)間尺度被拆分到不同的IMF中.為解決該問題，Wu等[8]提出了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)，該算法的特點(diǎn)在于將噪聲作為輔助分析應(yīng)用于EMD算法中，通過促進(jìn)抗混分解能夠有效抑制模態(tài)混疊現(xiàn)象.

在EMD處理的原始步驟基礎(chǔ)上，針對每次分解過程，EEMD算法均加入高斯白噪聲，其中噪聲幅值標(biāo)準(zhǔn)差為常數(shù)，均值為0.然而，由于高斯白噪聲的加入，在EEMD處理過程中IMF的篩選較為耗時(shí)，不利于在線監(jiān)測，故引入快速EEMD算法，該算法通過減少取樣的方式來減少計(jì)算時(shí)間，在一定程度上提高了EEMD算法的工程應(yīng)用價(jià)值.

2.2.2 管陣列低頻段聲信號時(shí)延值測量可行性分析

由于低頻段聲信號具有良好的衍射特性，同時(shí)聲信號傳播遵循費(fèi)馬定理，即聲波在兩點(diǎn)間傳播沿最短路徑.管陣列中聲信號傳播路徑如圖10所示，即聲波沿圖中虛線傳播至聲感知設(shè)備.在時(shí)延值測量中，若選用低頻段聲信號作為分析對象，則可以獲得泄漏信號直達(dá)2個聲感知設(shè)備之間的傳播時(shí)間差(即時(shí)延值)，能夠有效避免中高頻段聲信號所帶來的管道間反射干擾.

圖10 聲傳播衍射行為示意圖

Fig.10 Diffraction behavior of acoustic propagation

2.2.3 單列管排低頻段聲信號時(shí)延值測量實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行無管陣列情況下當(dāng)?shù)芈曀贅?biāo)定，標(biāo)定方法如下：(1)將2個聲感知設(shè)備(即聲波接收器)置于間隔1 m的位置；(2)采用電聲源發(fā)出的高斯白噪聲作為聲源，將喇叭置于任一段聲感知設(shè)備的外側(cè)；(3)測量時(shí)延值；(4)通過距離與時(shí)延值的關(guān)系獲得當(dāng)?shù)芈曀?經(jīng)測量，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)當(dāng)?shù)芈曀贋?40 m/s.

將直徑為0.1 m的聲波導(dǎo)管直立于地面，聲源選高斯白噪聲，2個聲感知設(shè)備分別置于兩端的聲波導(dǎo)管外側(cè)且貼壁，調(diào)節(jié)2個聲感知設(shè)備的直線距離為1 m，中間等間距放置2個聲波導(dǎo)管，進(jìn)行時(shí)延值測量，所得互相關(guān)圖形如圖11所示.

對比圖11可知，在寬頻帶聲源的時(shí)延值測量中，由于管徑較粗，具有良好衍射行為的聲信號頻段較低，而中高頻段在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的混響現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且在原始測量信號中占主導(dǎo)地位，因此采用全頻段對測量信號進(jìn)行互相關(guān)時(shí)獲得的時(shí)延值誤差較大，直接影響了定位結(jié)果，該誤差下測量所得2個聲感知設(shè)備的距離為2.64 m，而聲信號實(shí)際傳播路徑(含繞射路徑)長度為1.029 m.使用小波分解方法[9]對原始測量信號進(jìn)行處理，經(jīng)篩選后選擇db5小波基第5層分解作為互相關(guān)輸入數(shù)據(jù)，得到的時(shí)延值為0.003 56 s，對應(yīng)的測量距離為1.211 m，誤差為0.177 m，相對誤差為17.7%，誤差較大，無法滿足工程誤差精度要求；經(jīng)過快速EEMD處理后，選用較低頻段的IMF7進(jìn)行互相關(guān)分析，可以得出較為準(zhǔn)確的時(shí)延值(0.003 115 s)，對應(yīng)的測量距離為1.056 m，誤差為0.027 m，相對誤差為2.6%，滿足工程誤差精度要求.

(a)原始測量信號互相關(guān)圖形

(b)db5小波基第5層分解處理后互相關(guān)圖形

(c)快速EEMD處理后所得IMF7互相關(guān)圖形

2.2.4 管陣列低頻段聲信號時(shí)延值測量實(shí)驗(yàn)

為接近真實(shí)情況下水平煙道及尾部煙道內(nèi)管陣列布置結(jié)構(gòu)，搭建管陣列實(shí)驗(yàn)臺，管陣列橫向長度為2.96 m，縱向長度為2.96 m，高度為2.9 m，管道橫向節(jié)距為0.1 m，縱向節(jié)距為0.1 m，直徑為0.025 m.縱向布置30根不銹鋼管，沿高度方向布置29根不銹鋼管，共計(jì)870根管道，如圖12所示.

圖12 管陣列實(shí)驗(yàn)臺

對管陣列內(nèi)聲信號時(shí)延值測量進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，具體布置方式及測量方法如下.

實(shí)驗(yàn)一：管陣列內(nèi)1 m距離時(shí)延值測量，將2個聲感知設(shè)備分別置于管陣列最外側(cè)及管陣列內(nèi)部縱向距離1 m處，高度為1.5 m，2個聲感知設(shè)備與地面平行，直線距離為1 m，均貼壁，選擇高斯白噪聲作為聲源.經(jīng)快速EEMD處理后互相關(guān)圖形如圖13所示.所測得的時(shí)延值為0.002 98 s，對應(yīng)測量距離為1.013 m，2個測點(diǎn)間聲信號實(shí)際傳播路徑長度差值為1.007 m，誤差為0.006 m，相對誤差為0.6%，滿足工程誤差精度要求.

圖13 實(shí)驗(yàn)一中快速EEMD處理后所得IMF6互相關(guān)圖形

Fig.13 Results of IMF6 with GCC disposed by Fast EEMD in experiment 1

實(shí)驗(yàn)二：改變測點(diǎn)位置，2個測點(diǎn)間的縱向距離為3.16 m，橫向距離為0 m，高度差為0.75 m，由勾股定理得出2個測點(diǎn)間的直線距離為3.248 m，選擇高斯白噪聲作為聲源.經(jīng)快速EEMD處理后互相關(guān)圖形如圖14所示.所測得的時(shí)延值為0.009 72 s，對應(yīng)的測量距離為3.304 m，誤差為0.056 m，相對誤差為1.7%，滿足工程誤差精度要求.

實(shí)驗(yàn)三：改變測點(diǎn)位置，2個測點(diǎn)間的縱向距離為2.96 m，橫向距離為0 m，高度差為1.3 m，由勾股定理得出2個測點(diǎn)間的直線距離為3.23 m，選擇高斯白噪聲作為聲源.經(jīng)快速EEMD處理后互相關(guān)圖形如圖15所示.所測得的時(shí)延值為0.009 69 s，對應(yīng)的測量距離為3.29 m，誤差為0.06 m，相對誤差為2.0%，滿足工程誤差精度要求.

圖14 實(shí)驗(yàn)二中快速EEMD處理后所得IMF6互相關(guān)圖形

Fig.14 Results of IMF6 with GCC disposed by Fast EEMD in experiment 2

圖15 實(shí)驗(yàn)三中快速EEMD處理后所得IMF6互相關(guān)圖形

Fig.15 Results of IMF6 with GCC disposed by Fast EEMD in experiment 3

實(shí)驗(yàn)四：測點(diǎn)位置同實(shí)驗(yàn)三，改變聲源位置至另一端測點(diǎn)，進(jìn)行反向測量.經(jīng)快速EEMD處理后互相關(guān)圖形如圖16所示.所測得的時(shí)延值為0.009 44 s，對應(yīng)的測量距離為3.21 m，誤差為0.02 m，相對誤差為0.6%，滿足工程誤差精度要求.

圖16 實(shí)驗(yàn)四中快速EEMD處理后所得IMF6互相關(guān)圖形

Fig.16 Results of IMF6 with GCC disposed by Fast EEMD in experiment 4

3 結(jié) 論

(1)電站鍋爐水平煙道及尾部煙道內(nèi)管陣列存在明顯的聲禁帶，且非均勻溫度場下聲禁帶向低頻段移動，隨著管排數(shù)增加，聲禁帶效應(yīng)明顯，在管排數(shù)大于20后繼續(xù)增加管排數(shù)，聲禁帶效應(yīng)幾乎不再受影響.

(2)管道間節(jié)距對順列和錯列布置方式下的聲傳播特性有一定影響，當(dāng)管道間節(jié)距較大時(shí)，如對流式過熱器，在5 000 Hz以下頻段的影響基本不大，然而當(dāng)管道間節(jié)距較小時(shí)，如省煤器，即使在2 000 Hz附近的低頻段，錯列布置方式的傳遞損失也較為嚴(yán)重.

(3)低頻段聲信號具有良好的衍射特性，基于快速EEMD處理的互相關(guān)結(jié)果明顯優(yōu)于小波分解方法，通過搭建管陣列實(shí)驗(yàn)臺證明該算法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下具有一定的可行性，為電站鍋爐管陣列內(nèi)時(shí)延值測量提供了參考.

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Acoustic Propagation and TDOA Measurement in Tube Arrays of Utility Boiler

ANLiansuo1,FENGQiang1,SHENGuoqing1,JIANGGenshan1,ZHANGShiping1,WANGPeng1,ZHANGHaiyu2

(1.MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,School of Energy,Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China; 2.China Urban Construction Design & Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100120,China)

A study was conducted on acoustic propagation and TDOA measurement in tube arrays of utility boiler,where the propagation characteristics were numerically compared using Fluent software under the conditions of uniform/non-uniform temperature field,and different rows of tubes in different arrangements,while the TDOA in tube arrays was measured on a self-developed test bench by Fast EEMD algorithm.Results show that acoustic band gaps exist in the tube array,which move to low frequency area in non-uniform temperature field.With the rise of tube rows,the effect of acoustic band gap becomes more obvious.Tube pitch has a certain influence on the band rejection in both sequence and stagger arrangement of tubes.Based on Fast EEMD algorithm,effective TDOA can be obtained when low frequency signals are chosen.

utility boiler; tube array; acoustic propagation; TDOA; Fast EEMD

2016-02-01

2016-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11274111)；北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃資助項(xiàng)目(YETP0700)；華北電力大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014MS10，2015XS77)

安連鎖(1955-)，男,河北武邑人，教授，本科，研究方向?yàn)殡娬驹O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制.馮 強(qiáng)(通信作者)，男,博士，電話(Tel.)：1366615305；E-mail：493536802@qq.com.

1674-7607(2017)01-0013-08

TK39

A 學(xué)科分類號：470.30