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      一種基于聲學法的爐膛溫度場重構裝置的制作方法

      文檔序號:11559340閱讀:247來源:國知局
      一種基于聲學法的爐膛溫度場重構裝置的制造方法

      本實用新型涉及爐膛溫度場重構領域,尤其涉及一種基于聲學法的爐膛溫度場重構裝置。



      背景技術:

      在利用鍋爐燃燒化石燃料或其他燃料來產(chǎn)生熱能或其他二次能源的過程中,爐膛溫度場的分布情況是反映燃燒過程、污染物生成情況、設備狀態(tài)的重要參數(shù),對于鍋爐控制和燃燒診斷具有十分重要的意義,還直接影響到鍋爐的經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性能。由于爐膛中的燃燒過程具有瞬變性、隨機湍流和環(huán)境惡劣等特征,給有關熱物理量場參數(shù)的測量帶來了困難,尤其是溫度分布的測量更加困難。傳統(tǒng)的測溫技術上采取高溫熱電偶的方法對燃燒或者煙氣以及其他高溫環(huán)境進行測量,受元件材料高溫性能的限制和影響,只能做短時間的測量,無法實現(xiàn)在線的監(jiān)測。聲學測溫法作為一種基于聲學理論的鍋爐燃燒在線監(jiān)測的新型溫度測量技術,受外部條件的影響小,適用于各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境。聲學測溫法能夠給出整個爐膛溫度場的各部分準確的溫度數(shù)據(jù),能夠對爐膛溫度場進行連續(xù)測量;具有測量精度高、測量范圍廣、實時監(jiān)測和遠程控制等諸多優(yōu)點。

      聲學測溫方法的基本原理是基于聲波在氣體介質中的傳播速度是該氣體組分和絕對溫度的函數(shù),其關系可表示為式中,C為介質中聲波傳播速度,L飛渡路徑的長度,τ為聲波的飛渡時間,α為與介質有關的常數(shù),T為介質的絕對溫度。使用采用聲學法準確測定爐內介質溫度時需要確定(1)聲波發(fā)射和接收裝置之間的飛渡路徑的長度L;(2)聲波在發(fā)射、接收裝置之間的飛渡時間τ。

      聲學測溫方法的聲波發(fā)射和接收裝置安裝于鍋爐的爐壁上。鍋爐的爐壁是由各種復雜的管系和鋼結構組成的整體,受熱后將產(chǎn)生膨脹。在鍋爐熱態(tài)運行時,冷態(tài)安裝好的爐壁要膨脹變形;爐內受熱面的結構和熱負荷不同,汽水管道結構及內部工質熱力參數(shù)不同,產(chǎn)生的膨脹量也不同,無法用函數(shù)精確表示,且這種膨脹是動態(tài)變化的。這導致鍋爐熱態(tài)運行時聲波發(fā)射和接收裝置間的相對位置會經(jīng)常發(fā)生變化,即聲波發(fā)射和接收裝置之間的飛渡路徑的長度是動態(tài)變化的。

      現(xiàn)有的聲學法爐膛溫度場重構系統(tǒng)及其方法,系統(tǒng)無法檢測聲波發(fā)射和接收裝置間的相對位置變化情況,在對溫度場重建時將飛渡路徑的長度視為冷態(tài)安裝時的長度值或者采取估值補償?shù)姆椒?。如果溫度場重構時仍將各聲波飛渡路徑的長度按照冷態(tài)安裝時的飛渡路徑長度進行處理、或者按有限經(jīng)驗進行估值補償,勢必會降低溫度場重建的精度,溫度場測量的不準確直接影響到運行人員的操作,進而影響鍋爐運行的經(jīng)濟性和安全性。



      技術實現(xiàn)要素:

      本實用新型的目的是提供一種基于聲學法的爐膛溫度場重構裝置,解決現(xiàn)有聲學法爐膛溫度場重構系統(tǒng)無法檢測聲波發(fā)射和接收裝置間的相對位置變化情況,在對溫度場重建時將飛渡路徑的長度視為冷態(tài)安裝時的長度值或者采取估值補償?shù)姆椒?,如果溫度場重構時仍將各聲波飛渡路徑的長度按照冷態(tài)安裝時的飛渡路徑長度進行處理、或者按有限經(jīng)驗進行估值補償,勢必會降低溫度場重建的精度,溫度場測量的不準確直接影響到運行人員的操作,進而影響鍋爐運行的經(jīng)濟性和安全性的問題。

      本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于聲學法的爐膛溫度場重構裝置,包括設置鍋爐爐膛內設置若干個聲波發(fā)生器及與聲波發(fā)生器相適配的聲波拾取器;聲波發(fā)生器和聲波拾取器上設置有位移檢測裝置,位移檢測裝置連接設置有數(shù)據(jù)采集傳輸裝置;還包括和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置、聲波發(fā)生器、聲波拾取器相接的數(shù)據(jù)處理中心;聲波發(fā)生器和聲波拾取器位于爐膛同一個截面上,聲波發(fā)生器和聲波拾取器構成的聲波傳遞路徑分布成平面網(wǎng)絡狀;聲波發(fā)生器的主發(fā)聲頻率在10±0.2kHz,具有多個相隔1kHz以上的諧波。

      優(yōu)選的,聲波發(fā)生器包括用于將聲學信號轉換為電能信號的換能探頭和用于實現(xiàn)信號的放大和濾波功能的信號調整電路板;位移檢測裝置為激光測距儀。

      優(yōu)選的,數(shù)據(jù)處理中心設置有自適應濾波器,該自適應濾波器為多通道型數(shù)字帶通濾波器。

      優(yōu)選的,數(shù)據(jù)采集傳輸裝置為基于Linux內核的嵌入式系統(tǒng),其處理器采用ARM11內核;該嵌入式系統(tǒng)中內置了16位模數(shù)轉換器,模數(shù)轉換器的采樣頻率為100KHz;嵌入式系統(tǒng)還配置有可實現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的RJ45接口。

      優(yōu)選的,聲波發(fā)生器為氣動式聲波發(fā)生器,聲強在140dB以上;換能探頭為傳聲器,信號調整電路板內置轉折頻率為2kHZ的高通濾波器。

      進一步的,聲波發(fā)生器選用主發(fā)聲頻率在2~16kHZ,具有多個相隔1kHz以上的諧波的聲波發(fā)生器。

      本實用新型的有益效果:通過聲波發(fā)生器、聲波拾取器、位移檢測裝置三者的配合能夠大幅度地提升溫度場重構的精度,從而測量到更為準確的溫度場分布;為運行人員的操作提供可靠依據(jù)并為熱工控制的自動化裝置提供爐內溫度信號,避免出現(xiàn)燃燒不均、爐膛超溫等影響鍋爐安全運行的情況。通過溫度監(jiān)控,降低鍋爐減溫水耗量,實現(xiàn)燃燒優(yōu)化、提高鍋爐效率;通過溫度監(jiān)控,使設備工作在低NOx生成的溫度區(qū)間,降低污染物生成和排放。

      以下將結合附圖和實施例,對本實用新型進行較為詳細的說明。

      附圖說明

      圖1為本實用新型的結構框圖。

      圖2為鍋爐熱膨脹位移計算的示意圖,

      圖3為鍋爐爐膛測溫網(wǎng)絡路徑分布圖。

      具體實施方式

      實施例,如圖1、圖2所示,一種基于聲學法的爐膛1溫度場重構裝置,包括設置鍋爐爐膛1內設置若干個聲波發(fā)生器2及與聲波發(fā)生器2相適配的聲波拾取器3;聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3上設置有位移檢測裝置4,位移檢測裝置4連接設置有數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5;還包括和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5、聲波發(fā)生器2、聲波拾取器3相接的數(shù)據(jù)處理中心6;聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3位于爐膛1同一個截面上,聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3構成的聲波傳遞路徑分布成平面網(wǎng)絡狀。聲波發(fā)生器2的數(shù)量與鍋爐爐膛1形狀相關;聲波發(fā)生器2選用主發(fā)聲頻率在2~16kHZ,優(yōu)選10±0.2kHz,具有多個相隔1kHz以上的諧波的聲波發(fā)生器。

      聲波發(fā)生器2包括用于將聲學信號轉換為電能信號的換能探頭和用于實現(xiàn)信號的放大和濾波功能的信號調整電路板。

      數(shù)據(jù)處理中心6設置有自適應濾波器,該自適應濾波器為多通道型數(shù)字帶通濾波器。

      數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5為基于Linux內核的嵌入式系統(tǒng),其處理器采用ARM11內核;該嵌入式系統(tǒng)中內置了16位模數(shù)轉換器,模數(shù)轉換器的采樣頻率為100kHz;嵌入式系統(tǒng)還配置有可實現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信的RJ45接口。數(shù)據(jù)處理中心6采用以一臺IBM服務器為主設備,其還附設外圍設備用于發(fā)出控制電平信號。

      聲波發(fā)生器2為氣動式聲波發(fā)生器2,其發(fā)聲頻率在10±0.2kHz,聲強在140dB以上;換能探頭為傳聲器;信號調整電路板內置轉折頻率為2kHZ的高通濾波器可以有效地濾除低頻背景噪聲的干擾,提升信噪比。位移檢測裝置4為激光測距儀。

      基于上述爐膛1溫度場重構裝置的爐膛1溫度場重構方法,包括如下步驟:

      步驟(1):將若干聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3設置在鍋爐爐膛1的同一截面上,聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3之間的飛渡路徑分布程平面網(wǎng)絡狀;通過位移檢測裝置4測量出爐膛1冷態(tài)時各聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3間的飛渡距離數(shù)據(jù)及各聲波發(fā)生器2、聲波拾取器3和鍋爐平面安裝基準點間的距離及方位角信息數(shù)據(jù),并將相應的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5錄入數(shù)據(jù)處理中心6;設定各個位移檢測裝置4的參考位置原點,參考位置原點用于求取熱態(tài)時的橫向位移(安裝水平面上x方向位移)和縱向位移(安裝水平面上y方向位移)。

      步驟(2):在爐膛1熱態(tài)時,數(shù)據(jù)中心依照設定的時序控制各個聲波發(fā)生器2依次發(fā)聲,并實時通過數(shù)據(jù)采集傳輸裝置5讀取各位移檢測裝置4的位移數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)中心依照單向循環(huán)式時序控制各個聲波發(fā)生器2依次發(fā)聲;

      步驟(3):數(shù)據(jù)中心每次獲取各位移檢測裝置4的位移數(shù)據(jù)后,根據(jù)步驟(1)獲取的鍋爐冷態(tài)時的聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3間的飛渡距離,使用幾何學算法計算出該發(fā)聲時刻各飛渡路徑的熱態(tài)飛渡距離;如獲得第一測點7的熱態(tài)橫向位移ΔX1和縱向位移ΔY1、第二測點8的熱態(tài)橫向位移ΔX2和縱向位移ΔY2,結合冷態(tài)時各聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3與該鍋爐平面安裝基準點間的距離及方位角信息即可計算出該發(fā)聲時刻第一測點7和第二測點8間的實時熱態(tài)飛渡距離;熱態(tài)飛渡距離得的簡化計算方式如下:其中L1為冷態(tài)調試期的距離。

      步驟(4):數(shù)據(jù)處理中心6每次通過聲波拾取器3獲取完聲波波形信號后,經(jīng)過自適應濾波器濾波后,通過歸一化型互相關算法計算出各飛渡路徑上的飛渡時間;自適應濾波器先對每次聲波信號進行快速傅里葉變換(FFT)分析,抽取其中若干個幅度峰值處所對應的頻率數(shù)值Fi(n=1,2,...n),優(yōu)選地選擇幅度最高的3個頻率值;構造以峰值頻率值為中心頻率的FIR型帶通濾波器,所述的FIR型帶通通濾波器具有的差分方程形式,通過調整bk序列的參數(shù)值構造N個帶通范圍為Fi±0.1khz,滾降率大于120dB的帶通濾波器;使用生成的N個濾波器依次對每個聲波拾取器3的采樣數(shù)據(jù)段進行濾波,對第i個聲波拾取器3的采樣數(shù)據(jù)段Si進行濾波后得到N份經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)對濾波后的每個數(shù)據(jù)段使用進行規(guī)約化得到對應的規(guī)約化數(shù)據(jù)段其中:Floor()表示向下取整,Vi為數(shù)據(jù)段中第Ti時刻點處對應的數(shù)值,MIN為該段數(shù)據(jù)中的最小值,MAX為該段數(shù)據(jù)中的最大值,A為規(guī)約的范圍值,優(yōu)選地A可取4096;將一條路徑上對應于聲波發(fā)射點和聲波接收點的規(guī)約化數(shù)據(jù)按照上標匹配的方式進行分組,如:對應于聲波發(fā)射點的規(guī)約化數(shù)據(jù)為對應于聲波接收點的規(guī)約化數(shù)據(jù)為將其分組為(共計N組數(shù)據(jù)),將每個分組數(shù)據(jù)用于互相關算法求取該組數(shù)據(jù)對應的飛渡時間;所述飛渡時間通過互相關算法計算得到,可表示為:由使得ρxy(m)取最大值的m值和采樣頻率確定兩列信號的飛渡時間差值,優(yōu)選地計算ρxy(m)值的過程采用基于FFT及IFFT的快速算法;經(jīng)過互相關算法計算后可以獲取N個飛渡時間值,取其算術平均值或中位值作為該路徑上的飛渡時間。

      步驟(5):數(shù)據(jù)中心根據(jù)步驟(3)獲取的飛渡距離和步驟(4)獲取的飛渡時間計算出各飛渡路徑上的聲波平均速度;聲波平均速度得到方式可表示為:式中,C為介質中聲波傳播速度,L為由步驟(3)計算出的熱態(tài)飛渡距離,τ為步驟(4)計算出的聲波飛渡時間。

      步驟(6):數(shù)據(jù)中心根據(jù)步驟(5)獲取的各飛渡路徑上的聲波平均速度通過溫度場重構算法重構出爐膛1內的溫度場分布;溫度場重構算法是一種用于劃分網(wǎng)格類型的由最小二乘法方式求解重構溫度場的方法。溫度場重構算法可表示為:將整個溫度場劃分成M個區(qū)域,依次用數(shù)字i(i=1,2,…,M)表示,每一個區(qū)域里的溫度是未知的,并且被假設為均勻的,溫度場重構的準確性取決于溫場劃分的方法,用ΔSik表示第k條聲波路徑穿過第i個區(qū)域的路徑長度,則第k條飛渡路徑的飛渡時間可以表述為由各路徑的ΔSik按行排列方式構造出S矩陣,由各路徑的聲波飛渡時間τ構造出路徑飛渡時間的列向量T,A是區(qū)域特性列向量,應用最小二乘法得ST·S·A=ST·T,進而得到A=(ST·S)-1·ST·T,各區(qū)域的平均溫度的(其中:Z為鍋爐氣體狀態(tài)確定的常數(shù),Ai是區(qū)域特性列向量A中對應于第i個區(qū)域的元素),將各區(qū)域平均溫度作為區(qū)域幾何中心點的溫度,利用插值(二維插值)算法,便可擬合出整個待測二維溫度場。

      在步驟(6)之后,數(shù)據(jù)處理中心6將相關的溫度場數(shù)據(jù)發(fā)送至預定的設備處。對應于冷態(tài)20米寬度的爐膛1距離,在鍋爐滿負荷運行時其距離會變化到20.8米。在對溫度場重構時將飛渡路徑的長度視為冷態(tài)安裝時的長度值,單條飛渡路徑計算出的平均溫度的誤差約為8.2%,溫度場分布的誤差約在14.6%,誤差較大。采用本實用新型所述的實時飛渡路徑長度的聲學法爐膛1溫度場重構系統(tǒng)及方法后,單條飛渡路徑計算出的平均溫度的誤差約為0.2%,溫度場分布的誤差約在0.5%,極大地提升溫度場重構的精度,獲得了良好的技術效果。

      實施例2:基于實施例1的基礎上,一個聲波發(fā)生器2和一個聲波拾取器3可以采用配對成套安裝的方式安裝于一個測點位置。位移檢測裝置4安裝在聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3上;當聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3成套安裝時,位于同一測點的聲波發(fā)生器2和聲波拾取器3可共用一個位移檢測裝置4。各區(qū)域的平均溫度的列向量Tm。

      以上結合附圖對本實用新型進行了示例性描述。顯然,本實用新型具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制。只要是采用了本實用新型的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進;或未經(jīng)改進,將本實用新型的上述構思和技術方案直接應用于其它場合的,均在本實用新型的保護范圍之內。

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