基于聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超超臨界鍋爐中的應(yīng)用

邱思昱

基于聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在超超臨界鍋爐中的應(yīng)用

邱思昱

（天津國投津能發(fā)電有限公司，天津 300480）

分析了某發(fā)電有限公司使用的聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理及使用現(xiàn)狀，根據(jù)工控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，提出了將多通道信號(hào)處理主機(jī)微型化、集成化，對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜背景中區(qū)別噴流噪聲信號(hào)，有效地提高設(shè)備可靠性、抗干擾性以及定位的精準(zhǔn)性。

聲波檢測(cè)；聲波定位；爐管泄漏

某發(fā)電有限公司一期兩臺(tái)機(jī)組為2*1000MW超超臨界Π型直流爐，鍋爐自2007年投運(yùn)至今，出現(xiàn)過多起承壓管泄漏事件。由于裝備有聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能在泄漏發(fā)生的早期及時(shí)的發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使得運(yùn)行人員能夠掌握泄漏情況并及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，避免出現(xiàn)跳停對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備造成沖擊，影響設(shè)備壽命及經(jīng)濟(jì)效益。本文從聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理入手，主要分析其在超超臨界Π型直流爐中的應(yīng)用。

1 工作原理

聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是利用布置在鍋爐水冷壁外部的多個(gè)聲波導(dǎo)管、聲波傳感器以及位于電子間的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和診斷鍋爐爐膛內(nèi)存在的聲音頻率、聲音強(qiáng)度及聲音持續(xù)時(shí)間等方面的特征，來判斷爐膛內(nèi)部是否發(fā)生泄漏。

超超臨界Π型直流爐內(nèi)的背景噪聲主要分布在相對(duì)固定的低頻段：燃燒器噪聲：250～600Hz，燃燒器射流噪聲：100Hz以下，爐膛內(nèi)煙氣沖刷鍋爐水冷壁、分隔屏過熱器、省煤器等管排所產(chǎn)生的湍流噪聲：31～69Hz，吹灰器噪聲：850～3000Hz。由于采用的聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作頻率范圍為200～15kHz，故而可直接排除燃燒器射流噪聲及煙氣沖刷引起的湍流噪聲的影響。

1.1 爐管泄漏原理

直流鍋爐管排發(fā)生破損的主因是金屬管壁磨損或者金屬疲勞產(chǎn)生裂隙或裂紋，泄漏發(fā)生時(shí)，爐管內(nèi)流動(dòng)的高溫高壓流體在爐管內(nèi)外巨大的壓力差（可達(dá)到26MPa）作用下通過裂隙噴射出來而形成噴流[1]，其理想化模型圖如圖1所示。

圖1 噴流模型結(jié)構(gòu)圖

在超超臨界直流爐中，位于爐內(nèi)管排上的管道破裂所產(chǎn)生的多數(shù)噴流噪音，來源于過度及混合區(qū)內(nèi)的湍流。高頻噴流噪音主要產(chǎn)生于裂口附近，隨著與裂口距離的增大，噪音頻率迅速降低；頻譜頻率的峰值則產(chǎn)生于核心噴流的尖端[2]。

由圖1可知，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，通過探頭采樣到的音頻中會(huì)出現(xiàn)頻帶較寬的高頻背景噪音信號(hào)，正因?yàn)樾孤┞暡ㄐ盘?hào)與爐膛內(nèi)存在的背景噪音兩者之間有著信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)頻譜這兩方面的主要差別，故而使用在線監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)部的聲波信號(hào)特征來達(dá)成在線監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)外各個(gè)管路的狀態(tài)，以判斷是否存在泄漏的可能。

目前對(duì)泄漏音頻檢測(cè)捕捉的實(shí)現(xiàn)途徑中主要有兩種：（1）聲波傳感器通過爐膛內(nèi)部的空氣場(chǎng)檢測(cè)到泄漏源音頻的檢測(cè)技術(shù)。（2）聲波傳感器通過水冷壁上的爐管的聲波傳遞檢測(cè)出泄露音源的檢測(cè)技術(shù)。該廠目前采用的是第一種檢測(cè)技術(shù)，從國內(nèi)外的應(yīng)用時(shí)長(zhǎng)及應(yīng)用效果來看，較為可靠。

1.2 定位原理

相較于之前采用的區(qū)域泄漏模糊報(bào)警+人工就地辨音的定位方式，新一代的聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)泄漏音頻的定位是基于多傳感器陣列的被動(dòng)定位方法來實(shí)現(xiàn)的，能夠以遠(yuǎn)程辨音的方式替代人工就地辨音，并在半徑12m的半球空間檢測(cè)范圍內(nèi)內(nèi)實(shí)現(xiàn)半徑4m的半球范圍分辨率，其工作原理是：將聲波傳感器所采集到的來自爐膛內(nèi)部的音頻信號(hào)傳送至機(jī)架式工控機(jī)，并在工控機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)之后，利用算法進(jìn)行頻譜特征分析，得出其空間坐標(biāo)，是一種基于TDOA即聲達(dá)時(shí)間差的定位技術(shù)[3]。在諸多的聲波元件布置方式及計(jì)算方法中又以四元陣列模型具有較易在工程上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，也便于定位計(jì)算：

圖2 陣列定位原理圖

（1）漏點(diǎn)在過熱器的情況。泄漏音頻信號(hào)源的方向與距離，可以依據(jù)極坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系、聲音程差公式以及直角坐標(biāo)系中兩點(diǎn)間的距離公式[4]，表示為

（2）漏點(diǎn)在水冷壁的情況。依照同一坐標(biāo)系中任意兩點(diǎn)之間的間距公式以及聲音程差公式簡(jiǎn)化后可以得出

為取得最終的漏點(diǎn)位置坐標(biāo)，在此使用數(shù)據(jù)融合法進(jìn)行歸納求解，用以解決使用陣列對(duì)爐管漏點(diǎn)的定位計(jì)算會(huì)存在多組不同解的問題。

由于超超臨界直流鍋爐實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中存在的不確定因素較多，所引起的誤差較大，還需要基于大量實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，才能得到實(shí)際的坐標(biāo)，節(jié)約機(jī)務(wù)檢修人員的定位時(shí)間及定位的準(zhǔn)確性，利于提高鍋爐“四管”防磨防爆工作的效率、質(zhì)量并排除潛在隱患[5]。

1.3 頻譜及功率譜分析

聲波傳感器通過采集爐膛內(nèi)基于空氣傳播的音頻信號(hào)，再經(jīng)過機(jī)架式工控機(jī)對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行FFT即快速傅里葉變換和頻譜分析，以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的背景噪聲信號(hào)中區(qū)別出噴流噪聲信號(hào)并進(jìn)行捕捉：

用戶首先在本系統(tǒng)注冊(cè)，提交完注冊(cè)信息后就擁有注冊(cè)用戶初試積分，同時(shí)用戶所在主機(jī)會(huì)在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，提出電子數(shù)據(jù)上傳操作，并獲取到系統(tǒng)其他主機(jī)的性能，計(jì)算出系統(tǒng)所有主機(jī)性能評(píng)分情況。然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的電子數(shù)據(jù)分片數(shù)目，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分片并將其進(jìn)行存儲(chǔ)分發(fā)，同時(shí)將文件分片信息寫入到區(qū)塊鏈中，并更新用戶在區(qū)塊鏈上對(duì)應(yīng)的積分?jǐn)?shù)值，具體如圖5所示。

離散功率譜的計(jì)算目的是通過對(duì)信號(hào)所蘊(yùn)含的能量在頻域中分布情況的描述，能夠精準(zhǔn)分辨出采樣到的信號(hào)所蘊(yùn)含的能量在哪段頻率中所占的百分比最高，公式如下[6]

在此基礎(chǔ)上對(duì)其執(zhí)行跟蹤分析的策略，并在信號(hào)達(dá)到閾值后發(fā)出告警。為了區(qū)別蒸汽吹灰器及聲波吹灰器的干擾，在投入蒸汽吹灰時(shí)以“吹灰器投運(yùn)”的報(bào)警方式將信號(hào)進(jìn)行整體剔除，而來自聲波吹灰器的干擾則通過頻譜特征予以剔除。

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

某發(fā)電有限公司一期兩臺(tái)超超臨界直流爐所采用的聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由音頻信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理監(jiān)視系統(tǒng)及聲波導(dǎo)管除灰系統(tǒng)三部分構(gòu)成[7]。

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

依據(jù)電力設(shè)計(jì)院《測(cè)點(diǎn)布置圖》的規(guī)定，布置在鍋爐水冷壁及爐頂大包區(qū)域的聲波導(dǎo)管，主要用來聯(lián)通聲波傳感器和爐膛內(nèi)環(huán)境，以便于提供來自爐膛內(nèi)音頻信號(hào)的傳播通道，采集到更為真實(shí)的鍋爐內(nèi)部音頻信號(hào)（圖3所示）。

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)

將采集到的爐膛內(nèi)音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)處理系統(tǒng)能識(shí)別的電流信號(hào)的聲波傳感器被安裝在聲波導(dǎo)管尾部。通過高保真通訊電纜，將采集到的信號(hào)傳輸?shù)讲渴鹪陔娮娱g機(jī)柜內(nèi)的，由信號(hào)處理、聲頻采集和自檢測(cè)試三部分組成的信號(hào)處理監(jiān)視系統(tǒng)。

2.2 信號(hào)處理監(jiān)視系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，信號(hào)處理監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)由早期的使用“帶通濾波”法的帶有多通道卡件的信號(hào)處理主機(jī)的1代產(chǎn)品，發(fā)展為高度集成第1代產(chǎn)品中“電子間信號(hào)處理主機(jī)”和其相關(guān)的接線板，提高了設(shè)備在高鹽堿環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性且降低雜波干擾的第2代產(chǎn)品。其優(yōu)勢(shì)在于將所有的信號(hào)處理板卡微型化并集成在工控主機(jī)箱內(nèi)，依據(jù)功能的不同，分成監(jiān)聽采樣卡、高性能數(shù)字采集卡和DI/DO卡這三塊卡件。監(jiān)聽采樣卡：1.將聲波傳感器采集到的電流信號(hào)，再通過100Ω采樣，轉(zhuǎn)換為所需的電壓信號(hào)，傳輸至高性能數(shù)據(jù)采集卡。2.將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)再還原成音頻信號(hào)，再通過位于工控機(jī)在線監(jiān)測(cè)軟件內(nèi)HMI中監(jiān)聽選擇畫面，來達(dá)成在線監(jiān)聽超超臨界直流爐爐膛內(nèi)的各種音頻的最終目的。

高性能數(shù)字采集卡，通過多芯電纜構(gòu)成的帶屏蔽的數(shù)據(jù)總線，將聲波傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)之后，利用系統(tǒng)IO通道傳輸至主數(shù)據(jù)處理板。并在主數(shù)據(jù)處理板處進(jìn)行FFT即快速傅里葉變換，生成間隔為300Hz的實(shí)時(shí)棒形頻譜圖以及運(yùn)行趨勢(shì)圖，并在跟蹤此兩種圖形的變化的基礎(chǔ)上，針對(duì)超超臨界直流爐爐管泄漏的功率譜及頻譜特征，進(jìn)行甄別報(bào)警。系統(tǒng)在加入追憶歷史功能之后，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警發(fā)出后的數(shù)據(jù)分析。對(duì)于聲波傳導(dǎo)管的堵灰判斷，則是在基于各個(gè)測(cè)點(diǎn)處背景噪音的數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)的。

DI/DO卡主要用于實(shí)現(xiàn)DCS光字牌報(bào)警、蒸汽吹灰狀態(tài)抑制、氣源清灰電磁閥控制和傳感器自檢功能。

2.3 除灰系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的吹掃動(dòng)力氣源從儀用壓縮空氣母管一次門后引出，通過布置在現(xiàn)場(chǎng)的直流低壓常閉電磁閥來控制每個(gè)吹掃支管，每個(gè)支管負(fù)責(zé)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的吹掃工作，用以清理聲波傳導(dǎo)管內(nèi)的積灰，避免由于聲波傳導(dǎo)管堵塞導(dǎo)致聲波傳感器無法采集到爐膛內(nèi)部的背景聲音。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

單柱狀圖用以顯示帶寬為300Hz頻段內(nèi)的音頻信號(hào)能量總和，橫坐標(biāo)為200Hz～15kHz范圍區(qū)間頻譜分布情況，縱坐標(biāo)用分貝值表示采集到的信號(hào)的能量大小（圖4）。當(dāng)縱坐標(biāo)能量過高時(shí)，且持續(xù)一定時(shí)間（吹灰狀態(tài)除外），即檢測(cè)到泄漏狀態(tài)，同時(shí)在DCS系統(tǒng)的光字牌中發(fā)出報(bào)警（圖5）。

4 結(jié)束語

該廠多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為超超臨界Π型直流爐提供了有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，能夠提供早于人工巡檢的8～10h的報(bào)警，使得運(yùn)行監(jiān)盤人員能夠掌握泄漏情況并及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，避免出現(xiàn)跳停對(duì)華北電網(wǎng)及設(shè)備造成沖擊，影響設(shè)備使用壽命及頻繁啟停帶來的機(jī)組發(fā)電煤耗的增長(zhǎng)。尤其是基于第二代技術(shù)的聲波在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠較第一代提供更高的MTBF（平均無故障時(shí)間）。

圖4 信號(hào)頻譜分布圖（單通道/實(shí)時(shí)）

圖5 單通道泄漏能量圖

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Application of digital acoustic detection system in ultra supercritical boiler

QIU Si-yu

(Tianjin SDIC Jinneng Power Generation Co., Ltd. Tianjin 300480)

This paper analyzes the working principle and application status of acoustic on-line monitoring system which some power generation co., Ltd had been used, and according to the development process of industrial control technology,the miniaturization and integration of multi-channel signal processing host can be proposed.To optimize and analyze the collected audio signal,can distinguish jet noise signal in complex background,it also can improve equipment reliability, anti-interference and positioning accuracy effectively.

acoustic detection；acoustic positioning；boiler pipe leakage

2022-02-20

邱思昱（1984-），黑龍江齊齊哈爾人，工程師，工程碩士，主要從事電站熱工控制系統(tǒng)研究，qiusiyu_1984@hotmail.com。

TM75

A

1007-984X(2022)04-0025-04