基于声发射技术的锅炉四管泄漏检测系统陈鸿伟

1、基于声发射技术的锅炉四管泄漏检测系统陈鸿伟    基于声发射技术的锅炉"四管"泄漏检测系统陈鸿伟,等基于声发射技术的锅炉"四管"泄漏检测系统The"Four Tubes" Leakage Detection System for Power Plant BoilerBased on Acoustic Emission Technology陈鸿伟了盛1春波高建强(华北 在火力发电厂中,锅炉的过热器,再热器,水冷壁和省煤器(以下简称"四管,')泄漏是造成锅炉非计划停炉的主要原因之一

2、.锅炉"四管"是在高温,高压的恶劣环境下工作的,由于过热,磨损,腐蚀,热疲劳,焊接质量和异种钢焊接等原因的影响,使得管壁或 锅炉在运行时,炉内管道充满高温,高压介质.如果发生泄漏,这些高温,高压介质就会通过裂缝或破口喷射出来形成喷流.喷流流人周围环境气流时,高速喷流介质和周围环境介质急剧混合,从而使得射流边界层形成强烈的湍流脉动,产生喷流混合噪声.另外,泄漏同样也会在管道中激发出应力波,然后通过管道的相互作用,声源向外辐射能量形成声波'.从广义上来讲,声波的这两种传播方式均可认为是声发射现象.只是在锅炉内部特殊的仁作环境下,泄漏声波通过烟气到达声波传感器的检测技术更

3、加成熟可靠由于炉管泄漏时破口形状各异,会对空间声场的分布规律产生 定影响.另外,炉管的阵列结构,温度场和流场等物理因素对声音信号空间传播的影响,使得炉内声学环境参数异常复杂z所以严格来讲,要从根本上解决电站锅炉泄漏检测这一实际问题,还有许多一1_作要做.本文仅着重于介绍系统软,硬件的设计中的关键问题及解决方法.2硬件系统的设计系统的硬件设计应以能最大限度地捕捉泄漏信息作为检测的标准,同时兼顾维护和检修方便.与以往相比,硬件系统的设计和实现周期大大缩短,这主要得益于近年来计算机技术的迅猛发展,而且现场 图I系统结构框图Fig. I Block diagram of system stmeture

4、传感器用来接收炉膛内(包括炉管泄漏噪声)的所有声音信号.理想的传感器应具有较高的灵敏度,宽而平直的频率特性,足够的动态范围,良好的长期稳定性,小巧的体积等特点,同时满足没有指向性的要求,以免干扰被测量的声场.此外,由于炉膛内特定的燃烧环境,检测系统的传感器还需具备防水,防尘和耐高温的特性在硬件系统中,数据采集卡最高采样频率的选择和设定对于整个系统的可靠性具有举足轻重的作用.根据采样定理可知,为避免频谱混叠,采样频率至少为噪声信号中最高频率的两倍.航空声学中对喷流进行了一定的研究,下式可以作为对泄漏噪声峰值频率的估算Ili:"一u/ T oeI二办-.I-止兰I.d,T.)(I)式中:

5、S,为斯特劳哈数,无因次量;u为喷流速度,-/s;d为泄漏孔的直径,明孔为周围环境介质温度,K;界为喷流介质流出喷口时的绝对温度,K从式中可以看出,随着喷流速度的增大,噪声谱中的峰值向高频区域流动;随着喷口直径的增大,噪声谱中的峰值向低频区域移动.当泄漏发生时,泄漏介质流速较高,流经管壁的时间极短,可以认为介质同管壁之间没有热量交换,所以泄漏过程可视为一绝热过程,并且流动中的位能差为零.3软件系统的设计软件系统主要完成如下功能:数据采集卡的 锅炉在运行时存在各种各样的噪声源,如炉膛的燃烧噪声,燃烧器的射流噪声,烟气横掠管束的风吹声,吹灰器的噪声以及其它机械噪声等,而且在不同负荷下运行的锅炉以及

6、运行的不同时刻都有可能使背景噪声发生变化.因此,在实际检测声发射信号中,对所获得的信号进行滤波处理是必不可少的,但提取出传统的声发射参数如事件计数,振铃计数等是非常困难的.总的来说,锅炉"四管"泄漏的声发射信号具有如下特点:时域上与通常意义上的声发射波形是很不相同的,即不表现为衰减的一系列波包,从波形上提取上升时间,到达时间和波形的模态参数是非常困难的;泄漏所激发的声发射信号频域上是一个有相当带宽的信号,而且频谱具有很陡的尖峰,与背景噪声的分布差别较大,这个特点为检测泄漏提供了有利的抗干扰条件,因为这个特征很容易把信号从背景噪声中分离出来;泄漏所产生的声发射信号比较强,其幅

7、度大小与泄漏速率成正比,与信号的均方根值成正比;在烟气中传播的泄漏信号为连续型信号传统声发射信号特征参数的物理和数学的意义与"四管"泄漏的噪声信号不具备实际严格的对应关系,这样就会不可避免地忽略声发射波形所携带的关于声源和声传播的大量信息.随着数字化技术和 要识别泄漏信号,必须找到与泄漏信号密切相关的特征.由于泄漏声发射信号检测的特殊性,关于如何选择合适的特征识别泄漏方面的文献并不多.我们在这里只是列举几种常用的特征,在实际应用中选择一个或几个特征所构成的特征组作为识别泄漏的有效手段.在时域方面,有效电压值(RMS)是和信号能量密切相关的特征值.对于连续的信号,有效电压值定

8、义为:基于声发射技术的锅炉"四管"泄漏检测系统陈鸿伟.等*.二/粤ITxr(t)dt (2)勺 I无式中:x(t)为随时间变化的连续信号;7'为信号周期.而一般我们通过采集卡A/D转换后得到的信号为离散信号,这时的特征值应为信号的方均根值,定义为:,二/'S.二.n) 12.=0,1,2,-,N) (3)N "V -式中:x(n)为离散时间序列;N为采样个数.在频域方面,虽然时频分布,小波变换等现代信号处理理沦已应用在这一领域,但在实际应用中,一般还是采用以傅立叶变换为基础的经典谱估计,离散傅立叶变换的定义如下:X(k)二艺二(n)e nnx0(,

9、二.11,2,-,N)和以参数模型理论为上的现代谱估计,如AR模型模型,ARMA模型,PRONY指数模型等.(4),MA此外,可以通过分析信号频谱,并与预先得到的背景信号频谱相比较,若有较大差别即判断有泄漏发生.还可以通过计算谱比例进行分析,利用幅度谱中不同频率段的能量之比,也可以对是否发生泄漏进行判断tai,不过这需要预先在现场进行大量调试,以便得到合适的频率段进行比较.4结束语由上述可知:锅炉"四管"泄漏的喷流噪声可以认为是广义的声发射信号,其峰值频率主要和喷流介质的出口速度的喷口尺寸有关;虽然采用滤波器可以去除一部分噪声,但锅炉运行时背景噪声复杂多变,而且所采集的声发

10、射信号也可能是在炉内多次反射叠加的结果.所以,怎样最大的去除背景噪声,对空间声场分布进行详细研究,才可以尽可能地对声发射信号本身进行分析,从而提高泄漏信号的识别率;关于泄漏信号的识别,虽然有多种判据可以选择,但大多建立在声发射时域信号变换的基础上,所以仍需进一步研究时域信号以便建立高效准确的判据参考文献I TA海.工A浏时风基于声发射技术的管道泄漏"11统J1.自动化仪表,2002,23(5):20 -232安连锁,姜根山,干松岭,等.换热器管壁圆形泄漏目空间辐射声场分布特征数值研究【N中国电机工程学报,2003,23(5):144一148.3沈豪声学手册【M了北京:科学出版社,19

11、83-4 P. K.峪nasundnram. Leak Dedteetion iu Pressurised Henry Wmer Re-actor by Aoouefie Emission '1'eehnique J 1. efitish Joumd of NUT1992,34(11) :539一543收稿1!期.2005 -06一14第一作者陈鸿伟,男1965年生,1996年毕业于东南大学热能工程专业获得博士学位,教授;主要从事煤燃烧及热力系统节能方面的研究和教学工作(上接第41页)组件页中的QuickRep和QRBand组件来设置报表,使用Preview( )函数激活预览功

12、能.4结束语整个系统已在广东某热水器公司正式使用,该热水器综合性能检测系统与同类产品相比有如下优点:整个系统按照GB6932一2001家用燃气快速热水器的各项测试要求和GB/T16155一2001家用燃气具检验标准的相关内容设计.测试性能严格符合国家标准;采用了多线程,高精度的多媒体定时器和SQL2000数据库及其完善的控制软件设计,使系统测试精度高,功能完善,运行稳定,实时性好;采用采集卡和多个串口独立模块结合的设计方法,使系统硬件维护方便.本系统设计合理,操作简单,人机界面清晰直观,其技术性能在国内热水器/两用炉的检测系统中处于领先水平,具有很好的推广价值.参考文献1家用燃气热水器生产许可证审查部家用燃气热水器标准M:上海:家用燃气热水器生产许可证审查部,20012余昌盛C+ Bu0Je.6数据库系统开发实例导航M_北京:人民邮电出版社,20033梅成刚C+ Builder项目开发实践M北京:中国铁道出版社,20日34王伟,徐国华.多媒体定时器在工业控制中的应用【1.微型机S应用,zool