（热能工程专业论文）循环流化床锅炉床内流动特性研究.pdf

畸 ， 1 声。明尸明 l i i i iiil ui l q li i i i 1 1 1 1 1 1 l y 17 8 5 6 4 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文循环流化床锅炉床内流动特性研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：, w o - 乡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名：富蓬2 垫导师签名：函蓬2 垒 日 期丝坦! ；。( 占 ，| i j j ，1 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文设计搭建了一冷态流化床实验台，为了克服压力测点安装在炉膛壁面磨损 严重的问题，把压力测点设计安装在了布风板以下风帽入口的壁面上。建立了流化 床压力波动信号采集系统，采集不同工况下风帽入口壁面静压。利用小波消噪方法 对压力波动信号进行有效的消噪分析；利用功率谱方法、小波多尺度分析理论和小 波包分析理论，进行循环流化床锅炉床内流动特性研究。通过实验结果分析发现， 对压力波动信号采用小波包分解后的p 3 1 节点的功率谱可以反映流化床内不同工况 下的工作状态。 关键词：循环流化床，风帽，压力波动特性，小波分析 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n e da n db u i l tac o l df l u i d i z e db e dt e s tp l a t f o r m ；i n s t a l l e dt h e p r e s s u r em e a s u r i n gp o i n t so nw a l ls u r f a c eo ft h ew i n dc a p sa i re n t r a n c ei no r d e rt o o v e r c o m et h ep r e s s u r em e a s u r i n gp o i n t si n s t a l l e di nt h ef u r n a c ew a l lw e a rs e r i o u s p r o b l e m s t oc o l l e c t e dt h es t a t i cp r e s s u r ef r o mt h es u r f a c eo ft h ew i n dc a p sa i re n t r a n c e t h r o u g ht h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m u s e sw a v e l e td e n o i s i n g m e t h o dt od e - n o i s ee f f e c t i v e l yt ot h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a l ；u s e st h ep o w e r s p e c t r u mm e t h o da n dm u l t i s c a l ea n a l y s i so fw a v e l e tt h e o r ya n dt h et h e o r yo fw a v e l e t p a c k e ta n a l y s i sc a r r i e do u tf l o wc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e rc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g h t h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o u n dt h a t ，a f t e rw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o nf o r t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a l ，t h ep o w e rs p e c t r u mo ft h ep 31n o d e ，c a nr e f l e c tt h e f l u i d i z e db e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ew o r k i n gs t a t e z h a n gw e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f g a oj i a n q i a n g k e yw o r d ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，w i n dc a p ，c h a r a c t e ro fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n ， w a v e l e ta n a l y s i s lpi i j jj 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 研究的背景l 1 2 国内外循环流化床技术的发展1 1 3 课题的提出2 1 4 循环流化床床内流动压力波动研究现状3 7 1 4 1 压力波动的原因3 1 4 2 压力波动的性质4 、1 4 3 压力波动信号的分析方法4 1 4 3 1 时域分析5 1 4 3 2 频域分析5 1 4 3 3 混沌分析5 1 4 3 4 小波分析6 1 4 4 循环流化床床内气固两相流压力波动分析的应用6 1 5 本课题的研究内容6 第二章流化床床内气固两相流压力波动实验系统8 2 1 流化床冷态实验台介绍8 2 2 压力波动信号的数据采集系统9 2 2 1 压力变送器9 2 2 1 1 压力变送器工作原理9 2 2 1 2 压力变送器的特点9 2 2 1 3 电气连接及现场导线连接图1 0 2 2 2 数据采集卡1 0 2 3 压力波动信号的采集1 1 2 3 1 采样频率的确定1 1 2 3 2 信号时间序列长度的确定1 2 2 3 3 压力信号测点位置的选取1 2 第三章小波分析的基本理论：13 3 1 小波分析理论简介1 3 3 2 小波分析与傅立叶变换的比较1 4 3 3 小波的定义1 5 3 4 小波变换的主要形式1 5 3 4 1 连续小波变换1 6 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 2 离散小波变换：1 6 3 4 3 二进小波变换1 7 3 4 4 小波多分辨率分析1 8 3 4 5 小波包分解2 0 3 5 常用小波函数介绍2 1 3 5 1h a a r 小波2 1 3 5 2d a u b e c h i e s ( d b n ) 小波2 1 3 5 3m e x i c a nh a t ( m e x h ) 小波2 2 3 5 4b a t t l e l e m a r i o 小波2 2 3 5 5m e y e r 小波2 3 3 5 6m o d e t 小波：2 3 第四章流化床床内气固两相流压力波动信号的功率谱分析2 4 4 1 流化风量的影响2 4 4 2 静床高的影响2 5 第五章基于小波多分辨率分析的流化床床内流动状态研究i 2 7 5 1 流化风量的影响：2 7 5 2 静床高的影响2 9 5 3 加料扰动实验：3 0 5 4 放料扰动实验，3 l 5 5 掺入不同粒径时的实验3 l 5 6 风帽有阻塞时的实验3 3 5 7 运行中投入渣料时的实验3 4 第六章流化床床内流动压力波动信号消噪分析3 5 6 1 压力波动信号的小波消噪3 5 6 1 1 小波分解与重构法3 5 6 1 2 非线性小波变换阈值法3 5 6 1 3 平移不变量小波变换去噪3 6 6 1 4 小波变换模极大值法去噪3 7 6 1 5 基于分形理论的小波去噪方法3 8 6 2 噪声在小波分解下的特性3 9 6 3 压力信号波动实验小波消噪分析4 0 6 3 1 风帽壁面压力测点与风室压力测点的消噪分析4 0 6 3 2 流化风量变化时的消噪4 0 6 3 3 加料与放料工况下的消噪：4 l 6 3 4 压力信号消噪前后的多尺度分析比较4 1 i t lililillll， 一 ： 华北电力大学硕士学位论文目录 第七章基于压力信号小波包分析的流化床床内流动研究4 3 7 1 流化风量的影响4 3 7 2 床料粒径的影响4 4 7 3 风帽有阻塞时的实验4 6 7 4 测压点位置不同时的实验4 7 第八章结论与展望4 8 8 1 结论4 9 8 2 展望：4 9 参考文献1 5 1 致谢5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 第一章绪论 在未来_ 百多年间，由于全球化石燃料的逐渐枯竭，全球能源将是一个由化石 燃料为主逐步过渡到可持续发展能源时期的过渡阶段。在此阶段中，无论是世界各 国以及我国都将处于一个多种能源结构同时并存和利用的时代。在全球现有的化石 燃料中，油气储量最少，将最先枯竭，煤炭储量最多，可利用时间最长，因而燃煤 锅炉技术的发展是各国关注的热点。燃煤锅炉技术在发展中需要解决如下3 个主要 问题。首先要提高锅炉效率和发电效率，以便节约煤炭资源、降低运行成本和减轻 环境保护压力。其次是发展清洁有效的燃烧方法和经济有效的脱硫、脱n o x 和降尘 等技术，以解决因燃煤引起的环境污染问题。此外，要发展煤种适应性广的燃烧技 术以解决因煤炭供应紧张而促使锅炉燃用劣质煤、难以燃烧的煤和各种混煤等现实 问题【l l 。在现有的采用不同燃烧方式的锅炉中，只有循环流化床锅炉最适合于解决 燃煤锅炉在发展过程中面临的上述3 个主要问题。 与传统燃煤锅炉相比，循环流化床锅炉具有以下优点：( 1 ) 燃料适用范围广， 循环流化床锅炉除了燃用一般的煤以外，还可以烧低热值的煤矸石、油页岩、煤泥、 生活垃圾、树皮等燃料。由于流化床气、固体混合良好，燃烧速率高，特别是通过 颗粒分离器燃烧，因此具有较高的燃烧效率。对处理城市垃圾和综合利用能源有着 显著的经济效益和社会效益。( 2 ) 高强度热量、质量和动量传递过程，在循环流化 床锅炉中，大量的固体物料在强烈的湍流下通过炉膛内热量、质量和动量的传递就 使整个炉膛高度温度分布均匀。与其他燃烧方式的锅炉相比，在燃用同样燃料的情 况下，锅炉有较高的热效率，有较大的负荷调节范围，较快的负荷调节速度。( 3 ) 低温燃烧能高效地脱硫、脱氮，排放污染小，灰渣可综合利用由于循环流化床锅炉 的燃烧温度控制在8 5 0 9 0 0 左右，属于低温燃烧，可实现燃烧中直接脱硫，脱硫 效率高且技术设备简单和经济，并可控制n o x 有害物质的生成，避免大气中形成酸 雨造成的危害，且燃烧形成的灰渣活性不大，易于实现灰渣的综合利用或稀有金属 的提取，资源得到有效综合利用。这些优点将会促进循环流化床锅炉在我国的发展 和应用【2 3 】。 1 2 国内外循环流化床技术的发展【4 , 5 , 6 】 西方各主要工业国家早在六十年代末就开始进行流化床锅炉的实验室研究，七 十年代进行半工业性实验研究，八十年代逐步走向商业化的道路。国外在流化床燃 烧领域开展得比较出色的国家有美国、德国、芬兰、瑞典、加拿大、澳大利亚、日 1 华北电力大学硕士学位论文 本等国家。目前，国外6 0 0 m w e 容量的循环流化床锅炉已经投入运行。 我国从六十年代起，为了解决能源短缺的问题开始在南方一些有化石燃料资源 的地区发展流化床锅炉。自第一台燃烧油页岩的流化床锅炉在广东成功投运以来， 流化床锅炉便开始在我国得到广泛的应用，并不断向大型化发展。近日，由中国东 方电气集团自主研发的世界首台最大容量的6 0 0 m w 超临界循环流化床示范工程主 机设备研制任务在四j i ij j l 页利完成，标志着我国在自主研制低煤耗、低成本污染控制 的洁净煤燃烧技术走在了世界的前列。此外，国内一些部门引进了和正在引进国外 的技术和产品。总之，流化床锅炉的发展趋势是：大型化方向发展，即向大容量、 高参数方向发展【7 1 。 1 3 课题的提出 循环流化床虽然有很多优点，但是在应用方面确存在- 些不足：( 1 ) 人们对流 化床内复杂的流动现象的物理本质和内在过程( 传热过程、化学反应过程) 的理解不 够深入，尤其是高温情况下( 2 ) 流化床锅炉运行参数的匹配规律尚未清楚，现在 都停留在运行人员的操作经验上。( 3 ) 流化床锅炉的控制策略研究不够充分，低控 制水平是目前流化床锅炉效率低的重要原因。要解决这些问题要求锅炉的设计立足 于对其各项性能有可靠预见性的基础上。这就要求进行基础研究工作，只有把流化 床内复杂流动现象弄清楚，再经过一系列完整的半工业性实验来检验和修正这些理 论从而可以将实验中得到的数据应用于商业循环床锅炉的设计和运行 另一方面，由于循环流化床气固系统结构的不均匀性和流域的多态性，使得对 循环流化床气固两相流动规律的研究一直是循环流态化基础研究的重要方面f 引。迄 今己在对颗粒聚集行为、空隙率分布、颗粒速度分布、颗粒通量分布、颗粒动量分 布等方面的研究取得了很大的进展。但由于循环流态化气固两相流动影响因素多系 统结构各异流动规律相当复杂，至今尚无一个完整的定论。有关循环流化床流体动 力学的知识仍不足以用于指导工业设计和放大以致目前为止循环流化床的工业生 产和设计大多根据经验。 当前循环流化床锅炉的大型化是其发展趋势，然而循环流化床的放大设计始终 成为行业内的一个难题，长期得不到解决问题之一是其流体动力特性极其复杂，因 此对循环流化床锅炉床内流动特性的研究显得非常重要。压力信号是气固循环流化 床锅炉的一个重要的动力学特征，利用压力信号来检测流化床的流体动力特性具有 很大的优势。因为压力信号本身包含了流化床的综合信息，是多种因素，包括颗粒 特性、气体性质、反应器几何结构、操作条件等综合作用的表观动态反映【9 1 。因此 对压力波动信号的研究可以从不同的侧面对循环流化床气固流动行为作全面的考 察为循环流化床的工业生产设计放大等提供理论依据。对循环流化床锅炉内压力波 2 ，| 。_ - 华北电力大学硕士学位论文 动的研究已有研究人员希望借此深入了解流化床两相流动机理，为流化床的控制和 设计提供方法。压力波动信号是研究气固流态化机理的重要线索，因此研究压力波 动信号的性质对深入理解循环流化床流体动力特性具有非常重要的意义。 1 4 循环流化床床内流动压力波动研究现状 虽然循环流化床床内流动压力的检测存在很多方法，但由于现场环境条件的限 制，使得目前大多数检测方法的应用只局限于实验室，难以实现工业应用。相比之 下，流化床压力波动可应用常规仪表进行测量，所受限制少，是最直接、最可靠的 检测方法，目前，适用于各种操作条件下( 包括高温高压) 的高精度、高反应频率 压力传感器已实现商业化，因而可望得到广泛的应用。许多研究表明，压力波动包 含了流化床内的综合动态信息，是颗粒特性、床的几何特性、气泡特性等多种因素 相互作用的外在动态反映。测定床层压力波动并对其进行定性、定量研究可以表征 流化床操作流型、流化质量、气泡行为以及反应转化率等，因而对压力波动动态特 性的研究日益受到广泛的关注【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 1 。 然而由于压力波动表面上的随机性，因此如何对所测取的压力信号进行深度分 析是一个急待深入探索的课题。从总体上来看，用于压力波动的主要分析方法【1 5 l 大致分为时域统计分析、频域分析及非线性分析。不同的分析方法会给出不同的特 征量来表征床层的行为特性，并用于不同的目的，如流型的识别、流化床参数检测、 流化质量的判断等【i6 1 。 1 4 1 压力波动的原因 早期的研究者对压力波动的现象存在两种不同的观点。t a m a r i n 和h i b y 认为压 力脉动与床高波动有关。l i b r a y 和l i t t m a n 也认为由于床高的波动引起气泡从床层 表面逸出，从而引起压力脉动。而k a n g e t a l 则认为气泡的运动引起了气体的流动方 式、状态和密相空隙率的变化，最终导致了压力脉动【1 7 。l t f a n 总结了前人的研 究成果，采用了统计方法对流化床中的压力脉动信号进行了分析，研究了流化床中 包括布风板上射流区压力脉动的概率和统计特性，探讨了压力脉动的原因。陈伯川、 f a n 在二维床中，采用将压力探头与电导探头置于同一轴的复合探头，对压力脉动 信号的性质和传播规律进行了研究，认为气泡是影响压力脉动的主要因素【l 引。v a n d e rs c h a a f e t a l 等人研究表明，鼓泡流化床中的压力波动是由慢速及快速传播的两种 压力波造成的【1 9 1 。具有较高传播速率( 2 0 m s ) 的压力波被明确地界定为向上或 者向下运动的压缩波，向上运动的压缩波与气泡的形成一致，且压力波的大小与床 高呈线性关系。流化床表面气泡的喷发以及床层孔隙率的区域变化都导致了向下运 动的压缩波【2 0 , 2 1 】。 3 华北电力大学硕士学位论文 一般认为，床内产生压力波动的根源是由于气泡的存在【2 2 1 ，但是就局部点的压 力脉动而言，它不仅和该点处的气泡运动，而且受到周围其它点处压力脉动的影响， 是颗粒特性、床的几何特性、气泡运动特性等一系列因素的综合反映，因而使得压 力脉动产生的机理相当复杂。 1 4 2 压力波动的性质 早期的研究者采用自相关、互相关函数、功率谱函数等分析方法对压力波动做 了许多有用的研究。例如，l i r a y 和l i t t m a n 通过分析压力波动信号的概率密度函数、 自相关函数及功率谱函数判断压力脉动信号中存在着周期成分1 9 8 4 年，f a n e t a l 基于压力的周期性脉动提出了一个流化床压力脉动动力学模型，根据此模型，流化 床压力脉动主频对应于稳定床的临界频率。蔡平等则在压力波动的平稳随机过程的 假设基础上，开发了实用的细化功率谱分析系统。 n e o g i e t a l 根据气泡的运动形式，将压力波动信号建模为一个周期信号成分和与 之相独立的一个连续时间马尔科夫链的乘积。此模型为平稳随机过程，并且导出了 其自相关函数和功率谱的唯一极大值，应该说，此模型在一定程度上能反映压力脉 动的短期相关性【2 3 l 。 近年来，随着现代信号处理方法和非线性数学理论的发展，为进一步探索压力 脉动的本质提供了可能性。尤其是混沌与分形理论作为研究貌似随机系统中的确定 性工具，越来越多地被运用到流态化研究当中： s t r i n g e r 在分析了l i r a g 和l i t t m a n 的实验结果之后，认为压力脉动信号具有混 沌特征。d a w e t a l 在1 9 9 0 年第一个得到了流化床压力脉动时间序列重构吸引子。 f a n e t a l 首次将分形布朗运动概念引入流态化的研究，证实了压力脉动具有长期相关 性。 赵贵兵等【2 4 】应用功率谱分析、r s 分析、混沌分析等对气固流化床压力脉动信 号的性质、组成进行了剖析后认为，流化床压力脉动信号由两个部分组成，其一是 本质随机信号，类似噪声信号，其二是本质确定性信号，包括周期信号和混沌信号。 由于流化床内部流化机理的高度复杂性，特别是流化床中颗粒流化动力的主要 来源气泡行为的复杂性，使得压力脉动也非常复杂，仍需进行深入的研究才能更清 楚地了解压力脉动特性。随着信号处理理论的深入应用，将能更进一步地揭示压力 脉动特性，进而对流化床本身的机理有更深入广泛的认识。 1 4 3 压力波动信号的分析方法 目前对流化床波动信号的非线性分析主要集中于时域分析、频域分析和混沌分 析。研究内容主要涉及流型判断、流化状态的控制、反应进程与系统变量信号波动 4 华北电力大学硕士学位论文 的关系和混沌放大等。 1 4 3 1 时域分析 时域分析将压力波动的均值、方差、概率密度函数等统计参数用于循环流化床 的研究。国内外许多研究者通过分析循环流化床内压力波动信号的幅值、标准偏差、 扁平度、偏斜度、概率分布、主频等统计参量沿床层轴向、径向的分布及随操作条 件的变化来表征循环流化床内气固流动特性，判断流型的转变【2 外。 y e r u s h a l m i 等首先将压力波动推广应用于由鼓泡流态化向湍流流态化过渡的判 断。此后y a m a z k i 、r h o d e s 和g e l d a r t 等进一步用压力波动来判断流型的过渡。l e e 和k i m 计算了压力波动时间序列的扁平度和偏斜度随气速的变化来判断流型转变 对应的表观气速。b i 和g r a c e 基于压力波动时间序列的偏斜度和幅值判断流型的转 变。b i 和f a n 用压力波动的幅值、标准偏差随操作条件的变化来表征流域的转变。 张瑞英等曾就循环流化床内的整体压降特性，进行了多因素系统的实验得到压降与 操作条件颗粒物性的经验关联式。浙江大学赵明阳【2 6 】等将高阶统计量分析方法应用 于流态化技术中，验证了循环流化床压力波动信号的非高斯性，并提出了特征值， 获得了不同流态下信号偏离高斯性的程度，同时也对压力波动信号进行双谱估计， 分析了不同流态下信号的双谱特性，并以此对流化床的流化状态进行辨识。 1 4 ，3 名频域分析 频域分析即通过傅立叶变换把时域范围内的信号转换在频域范围，对信号的频 率特性进行分析，从中得到相关的动力系统特征。频域分析实际上就是研究信号的 能量( 功率) 的频率分布并突出信号频谱图中的主频率，即功率谱分析【2 7 1 。 浙江大学黄海【2 8 】等应用w i g n e r 谱对气固流化床压力脉动信号进行时频二维分 析，确证了压力脉动信号的强非稳性。他们认为压力脉动信号在w i g n e r 谱平面内的 特点不支持n e o g i 等给出的气固流化床压力脉动信号模型，提出w i g n e r 谱具有比功 率谱密度主频好得多的重复性。浙江大学郑燕萍等对循环流化床压力脉动信号进行 w i g n e r 谱分析，并将其应用于流化床结块故障诊断取得了不错的效果。 1 4 3 3 混沌分析 ， 通过对时间序列的压力波动信号的混沌分析，提取有关循环流化床中流体动力 学信息。如以关联维、k o l m o g o r o v e 熵、l y a p u n o v 指数等来定量描述循环流化床内 流体流动的混沌特性，可用于分析流型转变、表征流动结构，探讨循环流化床的放 大等【2 9 1 。 1 9 8 9 年s t r i a g e r 提出流化床中不规则的倍周期的动力学行为属于非线性的混沌 系统。他通过简单观察压力波动实验数据，认为压力波动类似于准周期波动，提出 5 华北电力大学硕士学位论文 流态化动力学可能是通过准周期运动进入混沌的。d a w 通过实验表明，随气速增加， 压力波动的阵发性混沌特征越来越明显；并指出阵发性混沌层流区平均长度与气速 的变化关系，首次定量证实流化床随气速增加所表现出的阵发性混沌性质。j o h n s s o n 等发现，在流态化区域测得的压力波动都展现出一种阵发性混沌结构。赵贵兵【3 0 1 通过分析压力波动功率谱的低频发散与阵发性混沌本质特征之间的关系，发现压力 波动层流区长度与气速的变化关系，表明流化床压力波动随气速增加以阵发性道路 通向混沌。陈伟等( 1 9 9 8 ) 对加压流化床中局部压力脉动随压力、流速的变化规律进 行了讨论，分析了k 熵及分维数在流化床中物理意义，认为k 熵为增大的方向时流 化床内部的气固运动规律向随机的方向发展。即流化床中气泡的破裂机制占主导作 用，反之当k 熵为减小的方向时，流化床内部的气固运动规律向规则方向发展，即 流化床中气泡的长大、聚并机制占主导作用。并且随着输入能量的增加，流化床局 部压力脉动的k 熵变化将趋于平缓，分维数减小并趋于一个定值。 ， 1 4 3 4 小波分析 小波分析是二十年来迅速发展的新兴学科，在许多领域都得到了广泛应用【3 。 它可以将时间信号在时、频域分解，具有时频局部化的特征，它不但能有效地区分 信号中的突变部分和噪声，实现从非平稳混沌信号中去除噪声的目的，而且可利用 多分辨的特性，为我们揭示复杂气固流动系统本质找到了新的希望。 1 4 4 循环流化床床内气固两相流压力波动分析的应用 由于流化床床内压力的检测是目前流化床中最直接、最可靠方法，因而尽管目 前对于流化床床内压力波动的内在机理和规律尚未完全清楚地了解，但研究者们已 对其在流化床检测中的应用方面进行了大量的探索。在流化床流型识别、流化质量 判别、故障诊断、参数检测、气固两相流动特性分析等方面得到了广泛的应用【3 2 , 3 3 。 1 5 本课题的研究内容 本文的主要工作内容包括以下几个部分： ( 1 ) 实验装置的设计与搭建。根据本课题研究的需要，自己设计并制作实验 装置。通过不断的实验和对实验装置的调试，达到对实验装置的优化设计与制作， 以确保实验过程的顺利进行。 ( 2 ) 建立压力波动信号采集系统。该部分的主要任务是由差压变送器采集压 力波动经a d 转换，将生成的数字压力信号输入计算机存储，用于后继的信号分析 处理。 ( 3 ) 压力测点选取在风帽入口的壁面上，采集静压波动信号。在冷态流化床 实验台上进行多种工况下的实验，并采集相应的压力波动信号。 6 厶 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 信号处理与数据分析。应用小波分析和小波包分析方法应用于流化床压 力脉动信号的分析中，以期对流化床内复杂气固两相流特性有更深层次的认识。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章流化床床内气固两相流压力波动实验系统 2 1 流化床冷态实验台介绍 流化床冷态实验台如图2 1 所示，主要由数据采集系统和实验台组成，实验台 本体为三维装置，主床由透明的有机玻璃制成便于观察流动状况，主要部件有炉膛、 风室、布风板、钟罩式风帽( 布风板上5 排8 列布置) 。实验台相关数据；流化床 截面：4 5 0 x 2 9 5 m m ，炉膛静高度：2 0 0 0 m m ，一次风道直径：9 0 m m ，风机流量： 3 0 0 0 m 3 h 。压力波动信号的测点安装在布风板以下风帽入口的壁面上，选用差压式 压力变送器。 图2 一l 流化床冷态实验台 空气经过一次风道进入风室，再通过布风板上的风帽进入炉膛，进而流化床内 的物料，一次风通过阀门来调节，风量通过安装在一次风道上的转子流量计测取。 测取流化床实验系统的运行参数和颗粒直径改变及各种扰动工况时的风帽壁面的 8 华北电力大学硕士学位论文 压力波动信号来进行分析。 2 2 压力波动信号的数据采集系统 压力波动信号的数据采集系统由压力变送器、数据采集卡和计算机组成，信号 的采集流程如图2 2 所示。 2 2 1 压力变送器 图2 - 2 信号采集系统流程图 压力变送器主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接 收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流或电压信号，压力和电噩或电流大小 成线性关系，一般是正比关系。所以变送器输出的电压或电流随压力增大而增大， 由此得出一个压力和电压或电流的关系式。压力变送器选用上海威尔泰工业自动化 股份有限公司的w t l l 5 1 系列电容式差压变送器。 2 2 1 1 压力变送器工作原理【3 4 1 压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气 压或真空，作用在万元件( 即敏感元件) 的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的 填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组 成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差 成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。 2 2 1 2 压力变送器的特点 ( 1 ) 压力变送器具有工作可靠、性能稳定。 ( 2 ) 专用v i 集成电路，外围器件少，可靠性高，维护简单、轻松，体积小、 重量轻，安装调试极为方便。 ( 3 ) 铝合金压铸外壳，三端隔离，静电喷塑保护层，坚固耐用。， ( 4 ) 二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 高准确度，高稳定性。除进口原装传感器已用激光修正外，对整机在使 用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细补偿。 2 2 1 3 电气连接及现场导线连接图 压力波动信号采集系统选用的压力变送器的电气连接方块图及现场导线连接 图如图2 3 、图2 4 所示。 2 2 2 数据采集卡 图2 - 3 压力变送器电气连接图 图2 4 压力变送器现场导线连接图 数据采集卡选用北京中泰研创科技有限公司生产的u s b 7 3 6 0 多功能数据采集 卡。此系列多功能数据采集模块主要由多路模拟开关选通电路、高精度放大电路、 模数转换电路、d c d c 电路、先进先出( f i f o ) 缓冲存储器电路、模数转换电路、 开关量输入输出电路、定时计数器电路和接口控制逻辑电路、供电电路等部分组 成。主要可调整元件位置机接插件见图2 - 5 。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5 主要可调整元件位置图 2 3 压力波动信号的采集 2 3 1 采样频率的确定 采样频率( 也称为采样速度或者采样率) 定义了每秒从连续信号中提取并组成 离散信号的采样个数，它用赫兹( h z ) 来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫 做采样时间，它是采样之间的时间间隔【2 7 1 。采样频率只能用于周期性采样的采样器， 对于非周期性采样的采样器没有规则限制。采样频率是时间序列波动信号分析的一 个重要参数。根据奈奎斯特理论采样频率必须至少是信号中最大频率分量频率的两 倍，否则就不能从信号采样中恢复原始信号。因此需根据实际操作系统及所采集信 号特点确定采样频率。在满足采样定理的条件下，采样频率即不能太高也不能太低。 采样频率太高会使一切偶然的噪声均被采集到，干扰了所采集的系统的真实信号： 采样频率如果太低会丢失一部分的真实信号，而使所得的时间序列不能反映实际系 统的真实信号。 在流化床流态化领域，不同的研究者所采用的采样频率各有差异，但均在1 0 0 , - 一 1 0 0 0 h z 范围之间。通过对采集到的压力波动信号进一步的处理和分析，研究者们普 遍得到流化床压力波动信号的实际频率分布在4 0 h z 以内的结论【2 4 1 。在满足采样定 理的情况下，本文实验中所有的压力波动信号的采样频率为1 0 0 h z 。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 信号时间序列长度的确定 利用小波分析，原始数据的长度是一个需要考虑的问题，如果数据长度太短， 一是不能完全表征信号的特征，这样的数据没有分析的价值；二是即使可以进行分 析，由于有限的数据长度，使得小波分解后大尺度数据量太小，以致造成错误的判 断。而数据长度太长，所造成的结果就是庞大的计算量，限制了今后的实时应用。 考虑这些因素，本文压力波动信号的采样点数选为6 5 0 0 点，经过分析能够满 足小波分析的要求。 2 3 3 压力信号测点位置的选取 鉴于流化床锅炉的流动特性，压力测点安装在锅炉壁面上，容易被磨损和堵塞， 而且随着流化床锅炉的大型化发展，壁面上的测点不能很好的反映炉内流动特性的 特点，本研究的压力测点选取在风帽入口的壁面上。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章小波分析的基本理论 3 1 小波分析理论简介 3 5 , 3 6 , 3 7 , 3 8 】 传统的信号分析是建立在傅立叶变换( f o u r i e r ) 的基础上的f o u r i e r 变换是一种 纯频域的分析方法，它在频域的定位性是完全准确的，但在时域无任何分辨能力， 即f o u r i e r 变换所反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征，而任何有限频段上 的信息都不足以确定时域任意小范围的信号。因此f o u r i e r 变换无法表述信号的时频 局部性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本和最关键的性质。为了分析和处理 非平稳信号，人们对傅立叶分析进行了推广乃至根本性的革命，提出并发展了一系 列新的信号分析理论：短时傅立叶变换、g a b o r 变换、时频分析、r a n d o n - w i g n e r 变换、分数阶傅立叶变换、线调频小波变换、循环统计量理论和调幅调频信号分析、 小波分析等。 小波变换是一种信号的时间尺度( 时间频率) 分析方法，它具有多分辨率分 析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定 不变但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低 频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分 辨率和较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其 成分，所以被誉为分析信号的显微镜，利用连续小波变换进行动态系统故障检测与 诊断具有良好的效果。 小波分析的应用是与小波分析的理论研究紧密地结合在一起的，现在它已经在 各个领域取得了重要的成就。现今，信号处理已经成为当代科学技术工作的重要部 分，信号处理的目的就是：准确的分析、诊断、编码压缩和量化、快速传递或存储、 精确地重构( 或恢复) 。从数学角度来看，信号与影像处理可以统一看作是信号处 理( 影像可以看作是二维信号) ，在小波分析地许多分析的许多应用中，都可以归 结为信号处理问题。现在，对于其性质随实践是稳定不变的信号，处理的理想工具 仍然是傅立叶分析【”】。但是在实际应用中的绝大多数信号是非稳定的，而特别适用 于非稳定信号的工具就是小波分析。 小波分析用于信号与影像压缩是小波分析应用的一个重要方面。它的特点是压 缩比高，压缩速度快，压缩后能保持信号与影像的特征不变，且在传递中可以抗干 扰。基于小波分析的压缩方法很多，比较成功的有小波包最好基方法，小波网域纹 理模型方法，小波变换零树压缩，小波变换向量压缩等。小波在信号分析中的应用 也十分广泛。它可以用于边界的处理与滤波、时频分析、信噪分离与提取弱信号、 求分形指数、信号的识别与诊断以及多尺度边缘侦测等。在工程技术等方面的应用。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 包括电脑视觉、电脑图形学、曲线设计、湍流、远端宇宙的研究与生物医学方面。 3 2 小波分析与傅立叶变换的比较 小波分析是傅立叶分析思想方法的发展与延拓。它自产生以来就一直与傅立叶 分析密切相关。它的存在性证明，小波基的构造以及结果分析都依赖于傅立叶分析， 二者是相辅相成的。两者的不同是傅立叶变换用到的基本函数具有唯一性：小波分 析用到的函数则不具有唯一性，同一个工程问题用不同的小波函数进行分析有时结 果相差甚远。小波函数的选用是小波分析应用到实际中的一个难点，目前往往是通 过经验或不断的实验选择小波函数。 一 傅立叶变换的缺点： ( 1 ) 傅立叶级数的正弦与余弦系数为常数，不能反映振幅变化的情况： ( 2 ) 求傅立叶系数需要所考虑的时间域上所有信息，不能反映局部信息特征； ( 3 ) 加窗傅立叶变换时间窗是固定不变的，高频与低频的时间局部化不能同 时满足。 ： 小波分析与经典的f o u r i e r 分析相比具有如下优点【4 0 l ： ( 1 ) 它在时域和频域都具有良好的局部化性质。它在时频两域都具有表征信 号局部特征的能力，是一种窗口大小即窗口面积固定不变但其形状可改变时间窗和 频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频时具有较高的频率分辨率和较 低的时间分辨率，在高频时时间分辨率较高，而频率分辨率较低很适合探测正常 信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，这种特性使小波变换具有对信号的自适 应性。 ( 2 ) 它具有多分辨率的特点，可以由粗及精地逐步观察信号。根据这一特性， 常把小波变换誉为分析信号的数学显微镜。因为一个信号的频率与其周期长度成反 比，对高频谱的信息，时间间隔要相对小以给出较好的精度，对低频谱的信息，时 间间隔要相对大以给出完全的信息即要有一个灵活可变的时间频率窗，使在高中 心频率时自动变窄，而在低中心频率时自动变宽。小波分析的尺度伸缩和平移性质 正好满足这一要求。 因此小波变换作为一种数学理论和方法在科学技术界引起了越来越多的关注 和重视。在工程应用领域，特别是在信号处理、图像处理、模式识别、故障诊断与 监控、非线性分析、数值计算等领域，它被认为是近年来在工具和方法上的重大突 破。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 3 小波的定义 设少o ) 为一平方可积函数，即少o ) r 似) ( r 俾) 表示平方可积的实数空间，即 能量有限的信号空间) ，若其傅立叶变换y 如) 满足条件： 印潜舨 我们称、王，( d 为一个基本小波或母小波。 3 4 小波变换的主要形式 小波变换的形式主要包括连续小波变换、离散小波变换和小波包分解。 3 4 1 连续小波变换 ( 3 - 1 ) 对于任意的函数o ) r 也) 在小波基下展开，称这种展开为函数( f ) 的连续小 波变换( c w t ) ，其表达式为： ： 眄沁) = ( 删p ) ) = i 口i 一眇h 等弘 2 ) 由以上定义，可看出小波变换和傅立叶变换一样，也是一种积分变换，吗( 口，r ) 为小波变换系数。但是小波基与傅立叶变换不同昀是，函数一经小波变换，将一个 时间函数投影到二维的时间一尺度相平面上，这有利手提取信号函数的本质特征。 若采用的小波满足可容条件，则连续小波变换存在着逆变换( 重构公式) 为： s ( o = 击j c o 窘哆如) 去缈( 等) d f 3 ， 连续小波变换具有以下几个重要的性质： ( 1 ) 线性性：一个多分量信号的小波变换等于各个分量的小波变换之和。 ( 2 ) 平移不变性：若f ( t ) 的小波变换为( 口，b ) ，则f ( t r ) 的小波变换为 ( 口，b f ) 。 ( 3 ) 伸缩共变性：若f ( t ) 的小波变换为吩( 口，b ) ，则f ( c t ) 的小波变换为 1 5 华北电力大学硕士学位论文 了1 ，c 6 ) c o 、，c ( 3 - 4 ) ( 4 ) 自相似性：对应不同尺度参数a 和平移参数b 的连续小波变换之间是自相 似的。 ( 5 ) 冗余性：连续小波变换中存在信息表述的冗余度( r e d u n d a n c y ) 。事实上这 也是自相似性的直接反应，它主要表现在：由连续小波变换恢复原信号的重构分式 不是唯一的，小波变换的小波基函数存在许多可能的选择，它们可以是非正交小波、 正交小波、双正交小