專利名稱：聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鍋爐尤其是四角切圓鍋爐熱態(tài)運行的監(jiān)測設備，特別是一種聲學
法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置。
背景技術：
到2020年我國人均裝機預計0. 6千瓦左右，達到目前世界平均，全國總裝機容量達到9. 5億千瓦左右，發(fā)電量將達到4. 2萬億千瓦時左右。我國是以煤炭為主要一次能源的國家，煤電在發(fā)電中的主導地位在短期內難以改變。按發(fā)電量計算，目前我國燃煤電量占僅80% 。 2003年我國煤炭產量16. 7億噸，發(fā)電以及熱電用煤炭總產量的50% ，火電消耗水量約53. 4億立方米。到2020年，燃煤機組容量也將達到6億千瓦左右，比現在增加一倍，發(fā)展受到煤炭資源、水資源以及運輸能力的極大制約。我國現有火電機組設備總體技術水平落后，性能與世界先進水平相比有較大差距，發(fā)電煤耗高；能源利用率低，進一步加劇了煤炭燃燒造成的氣體排放及環(huán)境污染。 電力生產的飛速發(fā)展，客觀上亦對各相關測量技術的先進性提出了要求。其中，鍋爐爐內煙氣動力場的測量是基本和必要的一項，也是難度最大的。電站及工業(yè)鍋爐的爐膛及水平煙道內煙氣動力場的合理與穩(wěn)定是鍋爐正常運行的前提，所以其方便、可靠的測量十分重要，將為鍋爐的安全及優(yōu)化運行提供直接的依據。 爐膛動力場主要指的是燃燒別及爐膛內的空氣(包括空氣攜帶的燃料)以及燃燒產物的流動方向和速度值的分布。鍋爐運行的可靠性和經濟性與爐膛空氣動力場的好壞有著密切的關系。阻止良好的爐膛空氣動力場可以保證鍋爐燃燒穩(wěn)定、燃燼迅速、有合宜的爐膛燃燒中心和良好的爐膛火焰充滿度，而且爐膛氣流無偏斜也不貼邊沖刷爐壁。這樣就可保持經濟而可靠的燃燒從而使鍋爐能高效而安全地運行。在新鍋爐投入運行和已運行鍋爐出現燃燒故障時常需查明爐內實際工況，以便發(fā)現問題及時進行燃燒調整。為此，就需進行爐膛空氣動力場測試。 爐膛空氣動力場的測試一般有兩類， 一類稱為爐膛熱態(tài)空氣動力場測試，另一類稱為爐膛冷態(tài)空氣動力場測試。前者是在鍋爐運行時，亦即爐膛是熾熱時，進行的爐膛空氣動力場測試，其難度較大，因而一般較少測定；后者是在爐膛停用時，亦即爐膛為冷態(tài)時，進行的爐膛空氣動力場測試，此時，可以采用爐膛照常通風的方法進行測定，較之前者，其測定過程大為簡化，因而是一種常用的判別爐膛空氣動力工況優(yōu)劣的測定手段。[0006] 爐膛內動力場和溫度場互相影響和耦合，爐膛燃燒空氣動力場的監(jiān)測對于爐膛燃燒優(yōu)化調整和控制有十分重要的意義。鍋爐爐內空氣動力工況不僅直接影響著鍋爐的燃燒工況與效率，還影響著爐膛及受熱面的安全性，為解決鍋爐結焦、殘余旋轉等問題，并為鍋爐的改造或熱態(tài)燃燒調整提供可靠的科學依據，鍋爐試驗人員要經常在現場進行冷態(tài)空氣動力場試驗。爐內冷態(tài)空氣動力場試驗通常用飄帶與風速儀測量相結合的方法進行用飄帶網來觀察某一截面的全面氣流狀況，用風速儀在爐內測量爐內選定點的速度大小。這種方法工作繁重，困難大，難于給出不受干擾情況下的爐內空氣動力特性。另外也有研究嘗試
3測量技術主要有熱線風速儀法，利用熱線風速儀與示蹤法測量不同工況下某一W型爐內的空氣動力場；也有嘗試用激光多普勒法對燃燒器湍流流場進行研究，但都有較大的局限性。另外，用較早時期的自編軟件，或后來的商用CFD軟件對鍋爐內的空氣動力場甚至燃燒過程等進行模擬計算，也是一種十分有用和常用的研究手段，常常用來對鍋爐的設計和運行進行預測和模擬，以達到輔助性的優(yōu)化和解決鍋爐運行中出現的問題的目的。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置用以在線快速監(jiān)測四角切圓鍋爐爐內流場。 本實用新型的目的是通過如下技術方案來實現的 所述的聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是在爐膛同一斷面的四壁均勻設置8組聲波發(fā)射器及聲波接收器，構成平面內24條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器分別通過計算機的I/O卡與功率放大器的輸出端連接，所述多個聲波接收器的電源端分別與開關電源的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡與計算機連接，計算機通過D/A卡與功率放大器的相應音頻輸入口連接。所述I/O卡、A/D卡及D/A卡的采樣頻率均大于240KHZ。開關電源的輸入端與220V連接。功率放大器的供電電源的電壓大于24V。[0010] 與現有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點[0011] 1、為非接觸式。不會對所測場造成干擾； 2、快速便捷。進行一次完整的斷面切圓流場聲波法測量只需約8秒鐘； 3、成本低。省去了傳統(tǒng)動力場測量時須在爐內搭腳手架，并由工作人員進入爐膛
進行逐點測量的大量工作和時間，及期間風機運行費用。 4、為全場測量。聲波法測量可以較好地反映全斷面切圓場的流速分布，而傳統(tǒng)方法只能測斷面內中心十字架上的有限點的速度； 5、有望用于熱態(tài)運行爐內動力場的實時、在線測量，以隨時了解爐內空氣動力場運行狀況，并進行相應的控制調節(jié)； 6、可以利用系統(tǒng)的聲傳感器所接收的爐內聲波信號分析是否有四管爆破異常。[0017] 本實用新型由于這項流場監(jiān)測技術的突出特點是實時性，非接觸性，及對連續(xù)場的再現，同時該技術對所測流場介質及環(huán)境沒有要求，因此該技術可以在四角切圓鍋爐上廣泛應用。本實用新型具有體積小，便于安裝及系統(tǒng)造價低等特點。
圖l是測試原理圖， 圖2是本實用新型的結構示意圖， 圖3是軟件系統(tǒng)流程圖， 圖中l(wèi)-功率放大器，2-聲波發(fā)射器，3-聲波接收器，4-開關電源，5-計算機，6-1/0卡，7-A/D卡，8-D/A卡，9-供電電源。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。圖1、2中，所述的聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是在爐膛同一斷面的四壁均勻設置8組聲波發(fā)射器2及聲波接收器3，構成平面內24條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器2分別通過計算機的I/O卡6與功率放大器1的輸出端連接，所述多個聲波接收器3的電源端分別與開關電源4的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡7與計算機5連接，計算機5通過D/A卡8與功率放大器1的相應音頻輸入口連接。所述I/O卡6、A/D卡7及D/A卡8的采樣頻率均大于240KHZ。開關電源4的輸入端與220V連接。功率放大器的供電電源9的電壓大于24V。[0023] 圖3中，所述基于聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置的測試方法是具體步驟是第一步，設置采樣參數；第二步，各聲波發(fā)射器依次發(fā)出短促的聲波信號，并由各聲波接收器接收聲波信號并準確辨識，采樣模塊得到含噪聲的信號數據；第三步，信號濾波去噪，得到較好的有用信號；第四步，信號相關分析模塊計算各路信號相反兩方向的傳播時間，由每一個聲投射路徑始、末端信號通過相關法得到聲波在該方向的傳播時間；第五步，由各聲投射路徑上的傳播時間來重建所測斷面的流場，即斷面二維速度分布。[0024] 所述重建算法是采用復雜、高效的矢量層析的方法，得到全斷面場的近似氣流速度分布，得到其切圓的位置大小，可了解所形成的動力場的合理程度。 實施例前進行了如下幾項工作選擇合適的數據采集卡。由于實驗室模型爐膛尺寸較小，聲波傳播時間短，需要較高的聲波數據采樣頻率，開始采用循環(huán)采樣的A/D卡，每通道采樣頻率最多只能達到100kHz，經實驗達不到所需的約10-6的精度要求，后采用同步采集卡，每通道采樣頻率達240kHz ，使聲波法重建結果有所改善。 設計適合模型實驗要求的拾音器及壓電揚聲器。對拾音器要求放大倍數適中，揚聲器功率適當大，使得所接收到的聲波信號有較大的信噪比，有利于信號的有效辨識。[0027] 對速度場重建算法和程序進行了大量深入細致的調試和優(yōu)化，使重建結果更趨合
理可靠。 研究了不同的重建算法，一是Helmholtz矢量分解定理，質量守恒及Newmann邊界
條件等物理定律和條件基礎上的一般場重建，一是將四角切圓場簡化為由六個參數確定的
旋轉場模型，實踐證明，兩個模型各有優(yōu)勢，后者更易于進行近似的重建。 針對現場實驗中實際爐膛尺寸，重新設計了拾音器的關鍵參數，使其信號放大倍
數相適宜。同時根據預先的計算及測距實驗，將更換揚聲器的功放由原來的12V電源更換
為24V電源，其有效傳播距離預計可滿足現場實驗要求。另外，A/D卡的采樣頻率的要求對
于實際爐膛有所降低，因為其尺寸為實驗室模型的約14倍，這樣在同為冷態(tài)情況下，傳播
時間具有相當的比例，所以同樣的采樣卡，其相對精度也有約14倍的增大。 總之，聲波法用于測量爐內空氣動力場是可行的，且在硬件系統(tǒng)及重建算法得以
優(yōu)化的基礎上，可以較好地測量出爐內斷面氣流速度場的分布。而在系統(tǒng)得到進一步完善
的情況下，將使聲波法測量更為理想。已有的實驗室實驗及現場初步應用表明，聲波法爐內
斷面速度場測量具有顯著的工業(yè)應用價值和前景。
權利要求一種聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是在爐膛同一斷面的四壁均勻設置8組聲波發(fā)射器(2)及聲波接收器(3)，構成平面內24條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器(2)分別通過計算機的I/O卡(6)與功率放大器(1)的輸出端連接，多個聲波接收器(3)的電源端分別與開關電源(4)的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡(7)與計算機(5)連接，計算機(5)通過D/A卡(8)與功率放大器(1)的相應音頻輸入口連接。
2. 根據權利要求1所述聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是所述I/O卡(6) 、 A/D卡(7)及D/A卡(8)的采樣頻率均大于240KHZ。
3. 根據權利要求l所述聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是開關電源(4)的輸入端與220V連接。
4. 根據權利要求1所述聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，其特征是功率放大器的供電電源(9)的電壓大于24V。
專利摘要一種聲學法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置，在爐膛同一斷面的四壁均勻設置8組聲波發(fā)射器(2)及聲波接收器(3)，構成平面內24條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器(2)分別通過計算機的I/O卡(6)與功率放大器(1)的輸出端連接，所述多個聲波接收器(3)的電源端分別與開關電源(4)的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡(7)與計算機(5)連接，計算機(5)通過D/A卡(8)與功率放大器(1)的相應音頻輸入口連接。本實用新型具有實時性，及對連續(xù)場的再現強的優(yōu)點，同時該技術對所測流場介質及環(huán)境沒有要求，具有體積小，便于安裝及系統(tǒng)造價低等特點，特別是在電站大型燃煤鍋爐爐膛溫度場的檢測更具有優(yōu)越性。
文檔編號G01P5/22GK201522502SQ20092023010
公開日2010年7月7日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權日2009年11月20日
發(fā)明者李言欽, 陳世英 申請人:湖北省電力試驗研究院