基于聲學(xué)法的送風(fēng)機(jī)風(fēng)速測量實(shí)驗(yàn)研究

蔡 偉，劉 奇，周 賓，任瑞華，李 杰

(1.華能山東發(fā)電有限公司煙臺(tái)發(fā)電廠，山東煙臺(tái) 264000；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096；3.山東晟卓信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南 250101)

0 引言

煙氣流速的準(zhǔn)確監(jiān)測對鍋爐燃燒效率的提高和燃燒優(yōu)化具有非常重要意義，對電廠的安全生產(chǎn)十分重要[1]。目前，國內(nèi)燃煤機(jī)組常用的測速方法有矩陣皮托管[2]、光學(xué)信號(hào)互相關(guān)法[3]、PIV圖像粒子測速[4]和射線離子測速[5]等。在實(shí)際應(yīng)用過程中存在修正系數(shù)不穩(wěn)定、易堵塞、磨損的問題，并且，其單點(diǎn)測試的特點(diǎn)不能代表待測區(qū)域的平均結(jié)果；矩陣皮托管的特殊安裝結(jié)構(gòu)，會(huì)占用煙道體積，測點(diǎn)的空間分布方式對流場的穩(wěn)定流動(dòng)存在較大的干擾。

聲學(xué)法速度測量由于其特殊的結(jié)構(gòu)，是一種非接觸式測量手段，對送風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測試幾乎無干擾，不存在堵塞和定期修正的問題，由于設(shè)備通過導(dǎo)管導(dǎo)出聲波進(jìn)行測試，所以對設(shè)備幾乎無磨損。安連鎖等[6-10]對聲音信號(hào)的選擇以及提高聲波飛渡時(shí)間精度等進(jìn)行了深入研究。沈國清等[11]采用聲波信號(hào)互相關(guān)方法驗(yàn)證了采用聲學(xué)法進(jìn)行氣體流速測量的可行性。陳棟[12]等對聲波測速裝置進(jìn)行了改進(jìn)，研究了聲學(xué)測點(diǎn)布置角度對測量靈敏度的影響，提高了聲波測速的靈敏度。

通過聲學(xué)法對送風(fēng)機(jī)風(fēng)量測量的研究，得到流場中各影響因素與煙氣流速的關(guān)系。通過聲學(xué)法得到煙氣的平均流速，最終實(shí)現(xiàn)聲學(xué)法速度測量系統(tǒng)的研發(fā)，形成速度測量的優(yōu)化方案。

1 聲學(xué)測速原理及時(shí)延估計(jì)

1.1 聲學(xué)測速原理

聲波在氣體介質(zhì)中的傳播主要受到氣體溫度和流速的影響。通過靜止區(qū)域的介質(zhì)溫度可以求得聲速：

(1)

式中：c為聲波在靜止煙氣中的傳播速度，m/s；γ為介質(zhì)比熱容比，與介質(zhì)成分有關(guān)；R為煙氣的氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K；M為介質(zhì)摩爾質(zhì)量，kg/mol。

聲波在煙氣中的實(shí)際傳播速度等于煙氣流速與聲波在靜止煙氣中的傳播速度的疊加。本文在介質(zhì)流向的順流、逆流方向上各布置一組揚(yáng)聲器和傳聲器，通過獲取聲波在2個(gè)方向上的聲波飛渡時(shí)間以獲取介質(zhì)流速。

圖1 聲波測速原理

順流和逆流方向的揚(yáng)聲器和傳聲器均固定在聲波導(dǎo)管內(nèi)部，聲波導(dǎo)管后部為封閉狀態(tài)，揚(yáng)聲器S1發(fā)射聲波信號(hào)，由于聲波順風(fēng)傳播，聲波飛渡到傳聲器M1所用的時(shí)間為τ1；當(dāng)揚(yáng)聲器S2發(fā)射聲波信號(hào)時(shí)，由于聲波逆風(fēng)傳播，聲波飛渡到傳聲器M2所用的時(shí)間為τ2(τ1<τ2)，則聲波在L1的飛渡時(shí)間τ1可表示為

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，氣體流速v表達(dá)式為

(4)

同時(shí)可得聲速c表達(dá)式

(5)

式中：τ1,τ2為聲波在順流及逆流方向上的飛渡時(shí)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 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)

式(5)中飛渡時(shí)間τ1,τ2可通過廣義互相關(guān)算法得到，信號(hào)延遲時(shí)間的準(zhǔn)確估計(jì)是準(zhǔn)確計(jì)算煙塵流速的關(guān)鍵?；ハ嚓P(guān)時(shí)延估計(jì)是比較2個(gè)相對獨(dú)立時(shí)間序列信號(hào)的相關(guān)程度，通過計(jì)算2信號(hào)之間的偏移點(diǎn)得到相對應(yīng)的聲波飛渡時(shí)間。

通過對信號(hào)FFT計(jì)算出樣本函數(shù)的功率譜密度函數(shù)，在對功率譜密度函數(shù)做IFFT計(jì)算，可得到相關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為：

R12(τ)=F-1[Ψ12F(x1)*F(x2)]

(6)

式中：F為傅里葉變換；*為共軛；F-1為傅里葉逆變換；Ψ12為頻域處理的加權(quán)函數(shù)。

Ψ12采用PATH加權(quán)，其函數(shù)表達(dá)形式為

利用ArcGIS的AverageNearest Neighbor Distance模塊對大型商業(yè)綜合體進(jìn)行平均最近鄰距離分析，結(jié)果如表2所示，計(jì)算得出大型商業(yè)綜合體的最近鄰指數(shù)NNI=0.79＜1，Z檢驗(yàn)值為-2.88，表明徐州市大型商業(yè)綜合體的空間集聚特征非常顯著。

(7)

式中G12為信號(hào)x1(t)和x2(t)的互功率譜函數(shù)。

通過對信號(hào)進(jìn)行頻域預(yù)濾波作用，對信號(hào)和噪聲進(jìn)行白化，加強(qiáng)了接收信號(hào)中聲源信號(hào)的譜分量，提高了信號(hào)的信噪比，能夠獲得更高的時(shí)延精度。

2 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

由于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為同樣的揚(yáng)聲器，本文默認(rèn)其聲源輻射的波形、聲束等聲源特性相同，輻射衰減與煙道中煙氣介質(zhì)無關(guān)，所以仿真只考慮吸收衰減，忽略擴(kuò)散衰減。根據(jù)文獻(xiàn)[7-10]的研究，文章采用線性掃頻聲源信號(hào)對高溫?zé)煹乐械穆暡ㄋp情況進(jìn)行仿真研究。

2.1 背景噪聲分析

圖2為煙道背景噪聲FFT分析信號(hào)譜線，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(jiān)測過程的干擾，聲源信號(hào)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(hào)中的噪聲頻段比重最低。

圖2 煙道背景噪聲FFT分析

2.2 聲波在煙道中的相關(guān)性仿真分析

現(xiàn)場測量環(huán)境中存在大量加性噪聲，且不同測量環(huán)境下其噪聲能量不同。對于電廠煙道環(huán)境中，噪聲的主要成分為高斯白噪聲[17]，本節(jié)通過對衰減、時(shí)延后的聲源信號(hào)添加不同信噪比的高斯白噪聲仿真分析聲源抗噪能力。

為了增強(qiáng)互相關(guān)時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確性，分別研究了廣義互相關(guān)和加權(quán)互相關(guān)的區(qū)別，下面通過采集現(xiàn)場環(huán)境聲音信號(hào)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真中聲源信號(hào)的幅度為1，頻率為4～8 kHz的線性掃頻信號(hào)，采樣率為500 kS·s-1，有效信號(hào)時(shí)長為0.2 s，占空比為0.2，設(shè)置接收信號(hào)時(shí)延為20 ms，計(jì)算次數(shù)200次，對2通道內(nèi)信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。

圖3為SNR=-3時(shí)的接收信號(hào)，從圖3中可以看出，其信號(hào)波形在低信噪比下仍能夠區(qū)分，具有明顯的聲壓幅值的變化。

圖3 SNR=-3時(shí)的接收信號(hào)

圖4為基本廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)仿真結(jié)果，其相關(guān)性最大時(shí)即為時(shí)延值，圖5為采用PHAT加權(quán)函數(shù)算法得到的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)仿真結(jié)果。圖4、圖5中,縱坐標(biāo)Rxy為其相關(guān)函數(shù)。

圖4 廣義互相關(guān)

圖5 PHAT加權(quán)的廣義互相關(guān)

通過對比圖4和圖5可以看出，利用廣義互相關(guān)得到的時(shí)延估計(jì)消弱了接收信號(hào)中周期性干擾信號(hào)的影響，廣義互相關(guān)函數(shù)算法表現(xiàn)出的抗干擾噪聲能力較弱，且時(shí)延估計(jì)仿真中出現(xiàn)了次峰波動(dòng)較大的現(xiàn)象，進(jìn)而其互相關(guān)函數(shù)的主峰值與副瓣峰值存在一定差距。PHAT加權(quán)函數(shù)算法中信號(hào)的主峰值與副瓣峰值存在差距較大，對噪聲的抗干擾能力更強(qiáng)，能夠更加清楚的得到相關(guān)函數(shù)的最大值。

由圖5可知，在低信噪比下，采用PHAT加權(quán)的廣義互相關(guān)算法，仍然能夠得到明顯的聲源信號(hào)與時(shí)延信號(hào)的相關(guān)性。根據(jù)對電廠環(huán)境的背景噪聲進(jìn)行分析可知，煙道內(nèi)部時(shí)延信號(hào)的SNR約為-6.13 dB，因此，聲學(xué)互相關(guān)算法可以在現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用。

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

某機(jī)組裝機(jī)容量為110 MW。機(jī)組1號(hào)送風(fēng)機(jī)最大流量為262 000 m3/h，最大全壓為5 266 Pa。

聲波測速設(shè)備安裝于機(jī)組1號(hào)送風(fēng)機(jī)風(fēng)管壁面，風(fēng)道截面為4.05 m×1.70 m的長方形管道，通過離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的閥門控制及調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，在進(jìn)風(fēng)口位置安裝皮托管進(jìn)行監(jiān)測，并與聲波測速結(jié)果進(jìn)行對比。揚(yáng)聲器及傳聲器均布置在流道兩側(cè)。其安裝結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

圖6 揚(yáng)聲器端安裝結(jié)構(gòu)

圖7 傳聲器端安裝結(jié)構(gòu)

3.2 傳感器距離標(biāo)定

揚(yáng)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(zhǔn)確距離很難通過常規(guī)測量手段得到。本文通過聲波飛渡時(shí)間標(biāo)定出傳感器間的準(zhǔn)確距離，在安裝完成后，流道內(nèi)無氣體流動(dòng)，此時(shí)，

揚(yáng)聲器所發(fā)射的聲波信號(hào)不受流速干擾，且溫度幾乎不變，其聲速c為定值。經(jīng)過靜止?fàn)顟B(tài)下的聲音傳播速度的多次測量求得平均值，可得靜止時(shí)聲速c為338.640 m/s，順、逆流的揚(yáng)聲器與傳聲器距離分別是2.615 1 m和2.606 6 m，順、逆流聲線與管道的安裝角分別為46.75°和47.32°。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度會(huì)有輕微波動(dòng)，平均在12 ℃左右，聲速在338.64 m/s左右波動(dòng)。設(shè)置采樣頻率為500 kS·s-1，聲波測速的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為1.5 s。圖8為送風(fēng)機(jī)調(diào)試過程及穩(wěn)定后的測速結(jié)果，測試時(shí)間為34 d。從圖8可以看出聲學(xué)法與皮托管測速結(jié)果基本吻合，聲學(xué)法測速結(jié)果比皮托管略大。聲學(xué)法測速結(jié)果中會(huì)有部分偶然錯(cuò)誤，應(yīng)當(dāng)剔除。由于皮托管為壓差式測量，其速度結(jié)果的響應(yīng)能力較差，對速度波動(dòng)不靈敏。由于距離送風(fēng)機(jī)較近，流場波動(dòng)較大，從聲波測速結(jié)果中可以明顯看出速度的波動(dòng)及變化情況。

圖8 聲學(xué)測速及皮托管測速結(jié)果

測試的前14 d，即計(jì)算次數(shù)為8×105之前為送風(fēng)機(jī)的調(diào)試階段。由于送風(fēng)機(jī)閥門開度較難控制，導(dǎo)致流道內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)較大，流場極不均勻，測速結(jié)果在6～10 m/s之間存在較大波動(dòng)。當(dāng)測試超過14 d后，送風(fēng)機(jī)閥門開度逐漸調(diào)試穩(wěn)定，管道內(nèi)流速區(qū)域平穩(wěn)聲學(xué)測速結(jié)果在7～9 m/s之間波動(dòng)。在剔除明顯錯(cuò)誤后，通過對二者進(jìn)行比較分析可知，聲學(xué)測速結(jié)果的相對誤差小于5%，可以滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

(1)根據(jù)送風(fēng)機(jī)煙道內(nèi)部背景噪聲及仿真分析，確定聲學(xué)測速中的聲源信號(hào)頻段為4～8 kHz，能夠與噪聲頻段隔離。

(2)聲學(xué)送風(fēng)機(jī)風(fēng)速測量能夠在不影響管道流場的情況下準(zhǔn)確測量煙氣流速，而且能夠方便安裝及更換傳感器，傳感器本身不會(huì)受到煙氣的磨損，能夠做到長期穩(wěn)定監(jiān)測。

(3)通過長期監(jiān)測，測量精度能達(dá)到一定的要求，其測速過程中的波動(dòng)是由送風(fēng)機(jī)的流動(dòng)不均勻造成的，測量誤差在5%以內(nèi)。