（检测技术与自动化装置专业论文）声学法温度场图像重建的研究.pdf

ji，j，1 jl_i jj at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o ni n s t r u m e n t s k e s e a r c n0 na c o u s t i cr e c o n s t r u c t i o n a0 i 1 r l t e m p e r a t u r ef i e l d b y s h a o y a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h a of u q u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a r c h2 0 0 8 i，” 伊 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：叼p 纪 签字日期：劬护 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：刁侈男 签字日期 ： 导师签名： 签字日期： 。 _ r 东北大学硕士学位论文摘要 声学法温度场图像重建的研究 摘要 燃烧温度测试技术是燃烧理论和技术发展的重要基础之一，炉内火焰的温度场对于 锅炉控制和燃烧诊断具有极为重要的意义。声学测温法作为一种新型的测温方法，具有 快速、精确、测量范围宽等特点，在工业生产、科学研究中能够满足温度场测量和在线 控制的需要，对于优化燃烧、降低污染、设备安全运行、以至炉膛设计都具有重要的指 导意义。 本文介绍了声学温度场检测技术的基本理论、国内外发展现状。基于声波在传感器 间传播时间的测量，本文对燃煤锅炉炉膛内的温度场进行了重建仿真研究。在炉膛纵向 上选择二个典型平面，对这二个平面所包围的空间的温度场进行重建。设每一个平面上 均匀安放八个收发二合一的声音传感器，每一支传感器所发出的声音，可被同一平面上 的其它所有传感器接收到。根据测得的声波在不同传感器间传播的时间，利用最小二乘 法，获得二个平面上的二维温度场的重建，然后再对二个平面之间的温度场通过线性立 方插值实现对单峰对称温度场、单峰偏斜温度场和双峰温度场的重建。针对典型的炉内 温度场呈对称分布情况，利用先假定单路径函数，再划分网格，用插值方法求网格点温 度值的算法，但是该算法有一定的局限性，仅对单峰对称温度场有较好的重建效果。对 由于温度梯度场中声波路径的弯曲效应引起声音传播测量时间的变化导致温度场的重 建精度的影响以及传感器数目、传感器位置、被测区域划分等因素也进行了研究，误差 分析表明考虑这些因素能提高重建温度场的精度。这与理论结果是一致的。 关键词：声学法；温度场；弯曲效应 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho na c o u s t i cr e c o n s t r u c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d a b s t r a c t c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e t e s t i n gt e c h n i q u e i so n eo ft h e i m p o r t a n t f o u n d a t i o ni n c o m b u s t i o nt h e o r ya n dt e c h n i q u ed e v e l o p i n g t h et e m p e r a t u r ef i e l do ff l a m ei nt h eh e a r t hh a s e p o c h m a k i n gm e a n i n ga sf o rc o n t r o l l i n gt h e b o i l e ra n dd i a g n o s i n gc o m b u s t i o n a sa n e w s t y l et e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o d ，t h ea c o u s t i cm e t h o di sm u c hf a s t e ra n dw i t hah i g h p r e c i s i o na sw e l la sab r o a d e rm e a s u r i n gr a n g e i tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fm e a s u r i n g a c c u r a t e l ya n dc o n t r o l l i n go n l i n eo nt h et e m p e r a t u r ef i e l di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n sa n d s c i e n t i f i ci n v e s t i g a t i o n s i th a si m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n gf o ro p t i m i z i n gc o m b u s t i o n , r e d u c i n gp o l l u t i o n , e q u i p m e n tm o v i n gs a f e l ya n dd e s i g n i n gt h eh e a r t h t h ep r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n tb ya c o u s t i c t o m o g r a p h ya r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s b yu s i n ga c o u s t i cs e n s o r s ，t h er e c o n s t r u c t i o na n d e m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d si nac o a lf h e db o i l e rw a ss t u d i e d t w op l a n e sa l o n gt h eb o i l e r a x i a li ss e l e c t e da n dt h e3 dt e m p e r a t u r ef i e l d se n c l o s e db yt h et w op l a n e sw a sr e c o n s t r u c t e d e i g h ta c o u s t i cs e n s o r sw e r ea s s u m e dt ob ea m o u n t e do ne a c hp l a n ea n dt h es o u n de m i t t e db y a n yo n eo ft h ee i g h tc o u l db er e c e i v e db yt h eo t h e r s b a s e do nt h em e a s u r e m e n to ft i m eo f f l i g h to fa c o u s t i cw a v et r a v e l i n gb e t w e e na c o u s t i cs e n s o r sa n db yu s i n gl e a s ts q u a r er o o t , t h e 2 dt e m p e r a t u r ef i e l d sw e 亿o b t a i n e df i r s t , a n dt h e nt h e3 dt e m p e r a t u r ef i e l d sa b o u tt h e r e c o n s t r u c t i o no ft h es i n g l e p e a l 【s y m m e t r yt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es i n g l e p e a ka s y m m e t r y t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ed o u b l e - p e a kt e m p e r a t u r ef i e l dw e r er e c o n s t r u c t e db yu s i n gl i n e a r c u b i ci n t e r p o l a t i o na c c o r d i n gt ot h e2 dt e m p e r a t u r ef i e l d so b t a i n e d a i m e da tt h et y p i c a l s y m m e t r i c a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nf u r n a c e ，t h e a l g o r i t h mb y u s e das i n g l e p a t h t e m p e r a t u r ef u n c t i o nf i r s t l y ，t h e np l o t t e dt h eg a da n di n t e r p o l a t e di sp r o p o s e d b u tt h i s m e t h o dh a sl i m i t e di ns o m ed e t e r m i n a t ew h i c hh a sb e t t e rr e c o n s t r u c t i o ne f f e c tf o rs i n g l e p e a l 【 s y m m e t r yt e m p e r a t u r ef i e l d t h ee f f e c to fc u r v a t u r eo ft h et r a v e l i n gp a t h so fa c o u s t i cw a v e c a u s e db yf e r m a te f f e c to nt h em e a s u r e m e n tt i m eo ff l i g h tr e s u l ti nr e c o n s t r u c t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l d sp r e c i s i o nw e r ea l s os t u d i e d t o w a r dt h en u m b e ro ft h es e n s o r s ，t h ep o s i t i o n o ft h es e n s o r s ，t h ed i s t r i b u t i o n0 fs u p p o r td o m a i na n do t h e rc o r r e l a t i o nf a c t o rh a sb e e n r e s e a r c h e d c o n s i d e r i n gt h i s f a c t o rc a n i m p r o v e t h e p r e c i s i o no ft h e r e c o n s t r u c t i o n t e m p e r a t u r ef i e l db ya n a l y z i n gt h ee f f o r s t h i si sa c c o r d a n tw i t ht h et h e o r yr e s u l t k e y w o r d s ：a c o u s t i cm e t h o d ；t e m p e r a t u r ef i e l d s ；b e n d i n ge f f e c t i i i 东北大学硕士学位论文 。 目录 目录 独创性声明i 摘要1 l a b s t ra c t 。i l l 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义二1 1 2 常见锅炉温度测量技术综述1 1 2 1 接触式测温法2 1 2 2 非接触式测温法。4 1 3 国内外声学法温度场测量研究现状和发展7 1 3 1 国内7 1 3 2 国外7 1 4 本文工作主要内容一9 第二章声学法测量温度场原理1 1 2 1 声学测温基本理论1 l 2 2 声学测温的典型装置介绍1 1 2 3 波动方程。1 2 2 3 1 运动方程一1 2 2 3 2 连续性方程1 3 2 3 3 动态方程1 3 2 3 4 线性声波的运动方程1 3 2 4 声速c 与温度t 之间的关系1 4 2 5 声学法测量温度场的工作原理及系统组成1 5 2 5 1 声学法测量温度场的工作原理1 5 2 5 2 系统组成1 6 2 5 3 典型产品介绍1 7 2 6 本章小结。1 9 第三章声学法温度场重建算法2 1 3 1 声学法温度场重建算法概述2 1 3 2 最d - - 乘算法重建温度场2 l 3 2 1 理论基础2 1 3 2 2 插值算法2 2 3 2 3 重建步骤2 3 3 3 基于单路径函数和插值算法的网格点法重建温度场2 4 1 v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 1 双线性模型法2 4 3 3 2 抛物线模型法2 5 3 4 本章小结。：2 8 第四章声学法温度场仿真3 1 4 1 温度场仿真概述3 1 4 2 仿真软件介绍3 2 4 3 最d - - 乘法三维温度场仿真3 2 4 3 1 仿真步骤3 2 4 3 2 仿真数学模型3 4 4 3 3 重建结果与分析。3 4 4 4 基于单路径函数法温度场的仿真4 2 4 4 1 仿真步骤及数学模型4 2 4 4 2 重建结果与分析4 2 4 5 仿真结论4 4 第五章影响温度场重建结果的因素4 5 5 1 弯曲效应对温度场重建的影响4 5 5 1 1 弯曲效应的概念及其理论依据4 5 5 1 2 基于f e r m a t 原理解决弯曲效应4 6 5 1 3 考虑“弯曲效应 温度场重建的具体实现4 9 5 1 4 仿真结果与分析4 9 5 2 传感器个数对温度场重建结果的影响5 3 5 3 传感器位置分布对温度场重建结果的影响5 3 5 4 被测区域划分方法对温度场重建结果的影响5 4 5 5 壁温对温度场重建结果的影响5 5 5 6 测量声波传播时间对温度场重建的影响5 6 5 7 不确定气体成分对温度场重建结果的影响5 8 5 8 本章小结5 8 第六章总结与展望6 1 6 1 本文总结6 l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 j l 受谢6 7 v 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 大型火力发电厂锅炉的燃烧系统是火电生产的重要环节，燃烧过程中温度场分布所 表现出来的燃烧稳定性、单位煤耗量、结渣性和污染物排放量是衡量锅炉安全和经济运 行的重要指标。长期以来，其设计运行都是依据实验所得的经验公式，或者直接对模型 和实物进行现场实验。但是，随着大型锅炉的发展，其容量越来越大，炉膛尺寸也越来 越大，很难在现场实现测量所需要的温度值，更难找出炉内温度场的分布规律。 电站锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并维持稳定、均匀的燃烧火焰，燃烧工况 组织不合理造成的燃烧不均匀、火焰中心偏斜、火焰刷墙等是导致炉膛结焦、炉管爆炸、 炉膛灭火、炉膛爆炸等运行事故的重要原因。炉膛内燃烧空气动力场分布直接体现了燃 烧过程的稳定性，与温度场分布结合可以帮助运行人员直观地观察锅炉，根据实际情况 进行燃烧控制1 1 1 。从锅炉燃烧控制方面来说，建立在炉内燃烧空气动力场检测技术之上 的自动控制技术对于锅炉运行的安全性、高效性和低污染性能提供有效的保证。就锅炉 本身来说，锅炉高温烟气温度场直接反映锅炉安全和经济运行特性，炉内高温烟气温度 测量十分重要，一旦掌握了炉膛内温度和流场状况，也就为燃烧的优化控制，合理组织 生产提供了依据【烈。由于工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、 环境恶劣等特征，而且，炉内是高温气体，这给有关参数的在线测量带来困难。 因此，寻找一种简便、快捷的方法进行温度场的测量尤为重要，这对提高燃烧效率 及锅炉的生产效率，提高产品质量、节约能源、炉子热工过程的模化及结构设计的优化、 寻求最佳热制度及最优控制策略、降低金属烧损率及减小环境污染等方面都有重要的意 义。 1 2 常见锅炉温度测量技术综述 各种测温方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度之间一定的关系，例如物体 的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关。当温度不同时， 以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化，就可闯接地知道被 测物体的温度。鉴于温度参数对于火焰燃烧过程的重要性，测温方法的研究一直是燃烧 领域的热点问题。研究者基于物体这些物理化学性质与温度的关系，结合科学技术的新 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 成果，经过长期不懈的努力，开发了形式繁多的温度测量方法及其相应的测量装置。下 面将对目前已在炉内温度测量中得到应用的主要测温方法进行介绍1 3 1 。一般来说，温度 测量方法分为接触式测温法和非接触式测温法两大类【4 1 。如图1 1 。 r 图1 1 温度测量方法分类图 f i g 1 1t h em e t h o dc a t e g o r yo ft e m p e r a t u r em e a s t l r f 1 2 1 接触式测温法 接触式测量法是测量仪表的感温元件直接与被测介质接触，测量方法比较简单而且 直观。这些方法有明显的缺点，由于测量仪表直接插入被测介质难免会影响介质的温度 场，因而带来测量误差。这种方法是基于热力学第零定律，大多需等待平衡时才能正确 测定温度，测量过程会受被测对象特性及传热方式的影响，因此其实时性很难保证，所 测定温度与实时温度不可能一致。当介质具有腐蚀性，在高温条件下测温元件的使用期 限相对缩短，测量准确度也会相应降低。下面列举了两种主要的接触式测温法1 5 1 。 ( 1 ) 热电偶测温法 热电偶测温法由热电偶、电测仪表和连接导线组成测温仪器，是最常用的接触测温 2 t 东北大学硕士学位做第一章绪论 方法。它被广泛用来测量1 0 0 1 6 0 0 范围内的温度。 从原理上说热电偶测温有较高的准确度和复现性。同时能把温度信号转变成电信 ： 号，便于信号远传，实现多点切换以及便于接入自动控制系统，装置简单，易于操作及 维护，测量时不必知道被测火焰中所含的气体组分、热力学参数及辐射性态。因此，目 前广泛应用于煤粉燃烧的工业生产和科学研究领域中。 但是，作为传统的温度测量技术，热电偶能很准确地测量端点所处场的温度，即只 能完成“点的测量。然而，在火力发电厂的锅炉燃烧中，整个炉内的温度场和空间的 温度分布才是我们关心的重点，而且热电偶对于高温和腐蚀性很强的炉内燃烧环境显然 是不适合的1 6 l 。从以前的使用经验来看，热电偶测温法通常存在着以下的几个问题： ( a ) 经常发生内部材料的熔焊，且导致错误的测量读数。 ( b ) 不适合持续高温测量。 ( c ) 易烧坏，一根新的热电偶在很短的时间内，几乎当天就被烧坏。 ( d ) 在不锈钢套管中的使用寿命只有2 3 天。 ( c ) 更换费用高。主要体现在零部件价格高，更换麻烦、费时。 ? + 另外，热电偶的热交换主要依靠空气对流，传热效果相对较差。由于周围环境的热 辐射，热电偶元件的热平衡会受到影响，产生误差。实际应用中大型热电偶，如屏蔽探 针和真空高温计的辐射误差能达到3 以上。 电厂里常用的抽气式高温计就是采用装在3 0 英尺长的探头上的水冷热电偶来测量 温度的。探头靠人工通过通道插入炉膛。由于热电偶具有辐射屏蔽罩，及高速抽入的烟 气覆盖在热电偶上，所以，减少了热电偶的辐射热损失，辐射屏蔽罩和高速度的结合使 热电偶测出的温度更接近真实的烟气温度。 由于许多原因，用抽气式高温计测量炉膛温度是困难的。探头很重，一般需两个人 操作，才能插入相应的长通道和无阻空间。因此，其应用受到可达性的限制。另外，在 测量期问，熔渣快速地堆积在探头的辐射屏蔽罩上，把误差引入了温度读数。所以，要 求每1 0 1 5 分钟更换一次屏蔽罩，经常更换屏蔽罩就意味着长时间将探头维持在某一 点以便连续监测是不可行的。 由于逐点测量温度，所以，用抽气式高温计，温度读数也可能出现误差，用这种方 法，测量炉膛的整个断面一般需要1 - - 3 小时。在这段时间内，由于堆积在炉膛水冷壁 上的熔渣等诸因素的影响，炉膛的运行工况，例如温度，可能变化较大。 ( 2 ) 黑体腔式热辐射高温计 3 ( c ) 为了保证相对的准确性，光学高温计需要不断的重新校准。 ( d ) 光学高温计能够永久性安装，但是镜头容易结垢，而且电路元件有相对的最低温 4 ：， 一 。一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 度限制。 ( e ) 光学高温计仅可以在现场读数，给测量和操作带来极大不便。 ( 2 ) 红外发射一吸收c t 法 该方法采用c t 技术实现温度测量。c t 技术是基于投影重建的原理，它不仅已在 医学领域得到了广泛应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作用。利用光学c t 方法 测量火焰温度分布，被测量的量可以是介质折射率，也可以是辐射强度。利用介质的发 射、吸收特性与温度的关系进行温度测量是一种较为普遍的方法。考虑到水分、气态燃 烧产物的辐射和吸收区，测量的光谱波段通常选择在红外区。因此该方法被称红外发射 一吸收c t 法。据报道，利用这种方法在碳黑火焰的实验室研究中已获得了较好的测量 结果，其主要优点在于试验应用较为简单，数据处理也并不复杂，所得温度值对介质的 参数并不敏感。此外，该方法还常用于实验室中的小型燃气火焰测温，许多研究者将火 焰简化为轴对称，因此燃烧介质被划分为一系列的同心圆。其内部的发射系数通过代数 重建的方法导出，而内部吸收系数则通过带或不带参考光源的辐射强度计算获得。 j ( 3 ) 基于数字图像处理的炉膛火焰检测法 在火焰电视得到广泛应用的同时，也暴露出一些缺点。它一般仅通过判断火焰颜色 和亮度来保证燃烧火焰不熄灭，不能作为定量判断依据，也不能联入自动控制系统。因 此，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发挥其效能，使火焰监视由单纯的保证锅炉正 常安全运行向提高锅炉运行经济性、降低污染物排放、形成锅炉燃烧在线诊断与调整专 家系统等更高层次的应用领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重点内容。近年来随 着计算机技术特别是多媒体技术的发展，使c c d 摄像机输出的视频信号能够转化为计 算机可以处理的数字化图像，意味着原先定性的火焰图像信号可以进行定量分析了。这 样就为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。目前，越来越多的学者将数字图像处理 技术与热辐射原理相结合，用以测量炉膛中的火焰动态投影温度场等参数，并进而用于 锅炉的燃烧与控制。 但是，采用内窥式风冷c c d 摄像头，存在着在高温粉尘和熔渣等现场恶劣环境下 长期连续工作的寿命与维修等问题，分辨率不高而产生的“偷看”问题，小视角的检测 镜头难于随时对准漂移的火焰着火区问题等。 “) 辐射测温方法 全辐射体( 黑体) 的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐射体的辐射 出射度可知道其温度。辐射测温的原理是来自于辐射能量分布的p l a n c k 辐射定律。利用 5 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 p l a n c k 定律，针对不同的测量对象，开发了单色法、双色法、比色法和多色法等测温技 术。 由于具有非接触测温法的响应快、不干扰测量对象的优点，单色测温得到了广泛的 应用。特别是近年来电子技术的发展，热像仪的出现为单色测温法提供了一种方便的测 量手段，然而单色法测温需要知道测量对象的黑度。对于介质吸收性较强的燃烧系统， 黑度较难确定，降低了测量的精确度。 ( 5 ) 热交换分析法 ：热交换分析法是基于传热学理论的温度计算方法。其主要缺陷是间接测量温度，即 从炉膛出口的锅炉对流烟道取得的读数来推算烟气温度。在这些计算中，通过对流区域 的每一断面只能得出一个温度值。作为一种结果，该值不能够获得有关温度分布的二维 数据。 此外，该技术不能估算低于辐射区域的烟气温度。热交换分析法也需要许多对热电 偶，通常热电偶只有6 个月的使用期限，还必须精确地测量通过各个回路的蒸汽流量和 温度。 ( 6 ) 声波法 目前，采用声波作为介质来测量温度主要有声音传播速率法( 简称声速法) 和频率 变化两种方法。该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引起的速率或频率 变化来求解温度或温度场。 基于声波理论的锅炉燃烧在线监测技术，作为非接触式测温技术，不受外部条件的 影响，适应各种高温、腐蚀、多尘的恶劣环境，能够给出整个炉膛温度场的各部分准确 的温度数据，能够对炉膛温度场进行连续测量，实时监测和远程控制。 正由于声学炉内温度场实时监测系统自身有着诸多的巨大优势，在火力发电厂中有 着极其广泛的应用： ( a ) 可根据炉内温度场实时监测的结果及时调整燃烧器平衡，控制火焰中心位置。防 止火焰直接冲刷水冷壁，减小水冷壁的应力和磨损，改善水循环( 特别是对四角喷燃炉) 。 同时还能帮助识别燃烧器的非正常工况，如堵粉、下粉不匀等。 ( b ) 根据实时的烟气温度监测值和火焰分布，调整、优化风、煤比或多种燃料分配比 例，提高燃烧的经济性。 ( c ) 根据实时温度监测数据，控制炉内s o x 、n o x 吸收剂喷射区域温度，优化炉内 脱硫、脱硝反应，降低s o x 、n o x 排放【8 l 。 6 ： i 、： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 此外，还可以代替维护量大的热电偶元件监测过热器和再热器区域的烟气温度，在 机组冷态启动或负荷波动时，防止受热面金属超温；实时测量受热面前、后高温烟气温 差，作为吹灰器切投的依据等。值得一提的是，目前仍有不少国内外学者正在对声波法 测量炉内速度场进行研究1 9 1 2 l ，这也是声波测量在锅炉中的应用之一。 1 3 国内外声学法温度场测量研究现状和发展 1 3 1 国内 1 9 9 0 年，冯鸣翻译了( p o w e re n g i n e e r i n g 1 9 8 9 年1 1 月份l j m u z i o 的一篇文章， 这是国内最早的一份报道，国内从事电力行业人开始了解到了电站锅炉中声学测温这一 新技术。遗憾的是在后面的1 0 年左右的时间中，并没有得到国内同行的关注。 1 9 9 9 年，广东省电力试验研究所的曾庭华等将声学测温法和基于图像处理的温度场 测量法作了比较和讨论1 1 3 1 ，认为非接触式测温比传统测温方法具有较大优势，但其技术 的发展和成熟仍需时日。 1 9 9 9 年，东北大学的邵富群教授等人在国内最早成立课题组，正式研究声学测温， 并按照m a u r ob r a m a n t i 于1 9 9 6 年提出的思路，基于二维傅立叶函数展开法对重建算法 进行了仿真，发现等温线与炉墙正交现象严重，结果差强人意1 1 4 1 。舻。 2 0 0 0 年，吉林省电力科学研究院的黄庆康对国外开发的声学炉内温度场实时监测系 统的工作原理、系统硬件和软件构成、应用等作了较为详细的报道，对国内从事相关研 究的人员提供借鉴。 。 2 0 0 1 年开始至今，东北大学的田丰等人主要针对声学测温中的重建算法作了深入研 究，提出了最小二乘法，基于高斯函数展开法等，并对重建过程中的迭代和正则化作了 尝试，取得了较为满意的结果f 1 5 , 1 6 。 2 0 0 3 年，华北电力大学的安连锁、姜根山等对声学测温的研究现状和关键技术进行 了总结，并提出了今后的研究重剧切，提出了基于级数展开法的声学c t 重建算法，提 出了基于高阶累计量分析的声波飞渡时间测量等，仿真实验和现场冷态实验的结果较 好，为声学测温技术的工程应用提供理论基础。 1 3 2 国外 1 9 8 3 年，英国中央电力产业局( c e n t r a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gb o a r d ，c e g b ) 的 s e g r e e n 第一次提出将声学测温技术应用于锅炉炉膛的温度分布测量，标志着这项新技 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 术的诞生，引来了全世界的关注【1 8 l 。 1 9 8 6 年，日本东京电力技术研究所的伊腾文夫，三菱重工长崎研究所的坂井正康对 燃煤锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，认为1 2 k h z 频率的声波是声学高温计 的适用频率【捌。 1 9 8 8 年7 月，在美国电力研究院( e l e a f i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 的资助下， 矿业能源研究公司( f o s s i le n e r g yr e s e a r c hc o r p ) 会同英国中央电力产业局( c e n t r a l e l e o f i d t yg e n e r a t i n gb o a r d ，c e g b ) ，在堪萨斯电力电灯公司( k p l ) 的劳伦斯能源中 心的5 号机组上，布置了声学测点，对利用声学方法测量炉内烟气温度的可行性进行了 为期两周的实验。1 9 8 9 年，l j m u z i o 等通过上述实验，对声学高温计首次作了独立评 价，表明其比传统的高温烟气测量有明显的优点，不仅可用于运行诊断，并可作为开发 性研究的工具【捌。 1 9 8 9 年，美国内华达大学电力工程系j a k l e p p e 在前人的基础上对声学测高温技术 进行了系统的总结，完善了声学测温系统的原理和结构组成【2 。但是，限于当时声学技 术、微处理器、信号分析、图像重建等技术水平的限制，现在看来一些知识已经过时， 但为后来的理论研究提供了指导，意义重大。 1 9 9 3 年，德国r w e 能源股份公司的w i l l yd e f i c h s 通过电站现场实验，初步归纳了 炉内温度分布与燃烧器布置、再循环烟气流量、二次风、锅炉负荷、吹灰、结渣积灰和 氮氧化物的关系，对声学测温用于监测锅炉安全运行打下基础。 1 9 9 5 年，明斯特大学的h e l m u ts i e l s c h o t t 在c o l l o c a t i o nm e t h o d 方法基础上首次提出 了加入先验信息的重建算法i 捌。 1 9 9 6 年，意大利国家研究委员会( i t a l i a nn a t i o n a lr e s e a r c hc o u n d l ，c n r ) 的m a u r o b r a m a n t i 等进行了声学高温计系统用于电站锅炉内的层析法热成像研究，分别利用模拟 和实际测量实验的数据得到了差强人意的重建结果f 2 3 1 ，实际数据来自意大利国家电力公 司( h a l i a nn a t i o n a le l e c t f i d t yb o a r d ，e n e l ) 在撒丁岛s a n t ag i u a 镇的一个电站实验。虽 然仿真重建结果和实际数据一定程度上相吻合，但是在现有锅炉上安装的测点数量和位 置受到了热力条件和机械条件的限制。因此，为了得到更好的结果，他们建议针对声波 测温系统的安装，在锅炉制造时考虑相应的设计。 1 9 9 6 年，j a k l e p p e 首次提出了将数字信号处理引入到声学测温中来，这对声学测 温精度的提高具有重要意义。 1 9 9 8 年，英国谢菲尔德大学的k j y o u n g 提出了声学测温在燃烧烟气中的误差分析 8 东二 匕大学硕士学位论文第一章绪论 【2 4 1 ，认为燃料的碳氢比、过量空气系数等对声学测温的影响可以用修正因子加以调整， 并且总测量误差不超过2 。，“巾咿 。 1 9 9 9 年，英国c o d e l 公司宣布推出新一代锅炉声学测温产品p y r o s o n i ci i 。 2 0 0 0 年，日本岐阜( g i f u ) 大学w a k a i 试验小组的j l n 等提出了声波在不均匀温 度场内传播的折射问题是不容忽视的，即存在声波的“弯曲效应 。泌l 他们在计算机上 利用最小二乘法及迭代方法进行了温度场重建的仿真。结果表明，该算法一定程度上可 以消除或弥补声波折射的影响，使得声学测温的准确性和精度得到进一步的提高。 2 0 0 0 年，美国燃烧专家有限公司( c o m b u s t i o ns p e c i a l i s t s ，h e ) 的g e o r g k y c h a k o f f 提出了声学测温在燃烧控制和尾气排放控制中的应用。 2 0 0 1 - 年，德国b u d i 公司的h p d r e s c h e r , m d e u s t e r 提出了利用声学测温获得的温 度场分布来定义一个温度场的非均匀指数，可望将之作为调整燃烧的重要参数，但是实 现一个闭环控制还需进一步研究。 2 0 0 5 年，g e o r g ek y c h a k o f 提出了声学测温在水泥制造工业中应用，并对声学测温 系统的发展作了回顾，对未来声学测温技术的发展充满信心。 啦， 由于声学的非接触式测量这一巨大优势的吸引，国际上对于炉内声学测温技术的研 究方兴未艾，尤其在美国和欧洲等发达国家引起大量研究机构和电力企业的关注同时， 由于巨大的市场和经济潜力导致商业化过快，一定程度上产品化超前于理论研究。虽然 从上世纪8 0 年代早期到本世纪初的二十年左右的时间中，声学测温产品在国外得到一 定的应用，但由于技术上缺乏深入的理论研究，仍然存在着一些问题。例如电站锅炉中 非均匀温度场、多相流动介质等对声波传播特性的影响，强炉膛背景噪声下声波时间延 迟估计误差较大，数字信号的采集、滤波等处理和分析过于简单，基于少量投影数据的 温度场重建精度不高等。 相对国外，国内的研究机构和人员较少，起步较晚，仅华北电力大学和东北大学两 家单位长期从事相关研究，取得了一定进展1 2 6 1 。而国内电力企业对该项技术的重视程度 不够，相关的投资和合作较少。因此应当针对电站锅炉中声波的传播特性、数据采集、 信号处理和重建算法展开更深入的研究，为该项技术在我国的早日应用打下基础。 1 4 本文工作主要内容 本文调查了国内炉膛烟气温度场研究情况，查阅了大量国外相关领域的技术进展， 提出将声学检测技术与锅炉燃烧诊断与控制相结合的设想，详细的介绍了两种利用声波 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 法重建炉膛温度场的原理。利用最小二乘温度场重建算法对单峰对称温度场、单峰偏斜 温度场和双峰温度场进行了研究和仿真，对重建结果进行误差分析，验证了重建算法的 可行性；利用一种基于单路径温度函数和插值算法的温度场重建算法，对温度分布对称 的温度场进行仿真，验证了其具有较高的重建精度；最后研究影响温度场重建结果的因 素及改善方法，提高了重建温度场的精度。具体内容安排如下： 第一章：介绍课题背景，常见锅炉温度测量方法以及国内外发展状况； 第二章：介绍声学法测量温度场基本原理，炉内声波传播特性研究； 第三章：基于声学高温测量原理，介绍声学法重建温度场的理论依据和算法实现； 第四章：对声学法温度场进行了仿真研究，验证了两种重建算法的可行性； 第五章：从七个方面对影响重建结果的因素进行了分析并提出改善措施； 第六章：总结与展望。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章声学法测量温度场原理 第二章声学法测量温度场原理 2 1 声学测温基本理论 声波在介质中的传播速度随介质温度的变化而变化。在声波测距系统中，声速的 变化被当作误差，并且必须得到纠正，但在声学测温技术中，正是利用声速的变化来测 量温度的。 理论上讲，声学测温所需的装置就是一个安装在炉墙一侧的声波发射器与接收器 和安装在另侧的接收器。发射器发出一个声波脉冲，被接收器检测到，利用相关算法 计算声波的飞行时间。由于两者之间的距离是已知并且固定的，可以计算出声波脉冲传 播路径上的平均温度嘲，其原理如图2 1 所示。 图2 1 单路径声学测温示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l er o u t ea c o u s t i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 2 2 声学测温的典型装置介绍 在使用声学方法来进行温度测量时，声波要在放入被测介质中的另外一种材料中传 播，这种材料是一种敏感材料，可以是另外一种气体，也可以是石英晶体或者金属丝等。 使用这种方法，可以获得某点处的温度值。一种以另一种气体介质为敏感材料的声学测 温装置的原理图如2 2 所示啪1 。以气体介质作为敏感材料时，将其装进一个导热良好的 薄壁管中，该气体能很快地与被测气体达到热平衡。在管的一端安装一只扬声器，另一 端装一只