1、基于聲發射技術的鍋爐四管泄漏檢測系統陳鴻偉    基于聲發射技術的鍋爐"四管"泄漏檢測系統陳鴻偉,等基于聲發射技術的鍋爐"四管"泄漏檢測系統The"Four Tubes" Leakage Detection System for Power Plant BoilerBased on Acoustic Emission Technology陳鴻偉了盛1春波高建強(華北 在火力發電廠中,鍋爐的過熱器,再熱器,水冷壁和省煤器(以下簡稱"四管,')泄漏是造成鍋爐非計劃停爐的主要原因之一

2、.鍋爐"四管"是在高溫,高壓的惡劣環境下工作的,由于過熱,磨損,腐蝕,熱疲勞,焊接質量和異種鋼焊接等原因的影響,使得管壁或 鍋爐在運行時,爐內管道充滿高溫,高壓介質.如果發生泄漏,這些高溫,高壓介質就會通過裂縫或破口噴射出來形成噴流.噴流流人周圍環境氣流時,高速噴流介質和周圍環境介質急劇混合,從而使得射流邊界層形成強烈的湍流脈動,產生噴流混合噪聲.另外,泄漏同樣也會在管道中激發出應力波,然后通過管道的相互作用,聲源向外輻射能量形成聲波'.從廣義上來講,聲波的這兩種傳播方式均可認為是聲發射現象.只是在鍋爐內部特殊的仁作環境下,泄漏聲波通過煙氣到達聲波傳感器的檢測技術更

3、加成熟可靠由于爐管泄漏時破口形狀各異,會對空間聲場的分布規律產生 定影響.另外,爐管的陣列結構,溫度場和流場等物理因素對聲音信號空間傳播的影響,使得爐內聲學環境參數異常復雜z所以嚴格來講,要從根本上解決電站鍋爐泄漏檢測這一實際問題,還有許多一1_作要做.本文僅著重于介紹系統軟,硬件的設計中的關鍵問題及解決方法.2硬件系統的設計系統的硬件設計應以能最大限度地捕捉泄漏信息作為檢測的標準,同時兼顧維護和檢修方便.與以往相比,硬件系統的設計和實現周期大大縮短,這主要得益于近年來計算機技術的迅猛發展,而且現場 圖I系統結構框圖Fig. I Block diagram of system stmeture

4、傳感器用來接收爐膛內(包括爐管泄漏噪聲)的所有聲音信號.理想的傳感器應具有較高的靈敏度,寬而平直的頻率特性,足夠的動態范圍,良好的長期穩定性,小巧的體積等特點,同時滿足沒有指向性的要求,以免干擾被測量的聲場.此外,由于爐膛內特定的燃燒環境,檢測系統的傳感器還需具備防水,防塵和耐高溫的特性在硬件系統中,數據采集卡最高采樣頻率的選擇和設定對于整個系統的可靠性具有舉足輕重的作用.根據采樣定理可知,為避免頻譜混疊,采樣頻率至少為噪聲信號中最高頻率的兩倍.航空聲學中對噴流進行了一定的研究,下式可以作為對泄漏噪聲峰值頻率的估算Ili:"一u/ T oeI二辦-.I-止蘭I.d,T.)(I)式中:

5、S,為斯特勞哈數,無因次量;u為噴流速度,-/s;d為泄漏孔的直徑,明孔為周圍環境介質溫度,K;界為噴流介質流出噴口時的絕對溫度,K從式中可以看出,隨著噴流速度的增大,噪聲譜中的峰值向高頻區域流動;隨著噴口直徑的增大,噪聲譜中的峰值向低頻區域移動.當泄漏發生時,泄漏介質流速較高,流經管壁的時間極短,可以認為介質同管壁之間沒有熱量交換,所以泄漏過程可視為一絕熱過程,并且流動中的位能差為零.3軟件系統的設計軟件系統主要完成如下功能:數據采集卡的 鍋爐在運行時存在各種各樣的噪聲源,如爐膛的燃燒噪聲,燃燒器的射流噪聲,煙氣橫掠管束的風吹聲,吹灰器的噪聲以及其它機械噪聲等,而且在不同負荷下運行的鍋爐以及

6、運行的不同時刻都有可能使背景噪聲發生變化.因此,在實際檢測聲發射信號中,對所獲得的信號進行濾波處理是必不可少的,但提取出傳統的聲發射參數如事件計數,振鈴計數等是非常困難的.總的來說,鍋爐"四管"泄漏的聲發射信號具有如下特點:時域上與通常意義上的聲發射波形是很不相同的,即不表現為衰減的一系列波包,從波形上提取上升時間,到達時間和波形的模態參數是非常困難的;泄漏所激發的聲發射信號頻域上是一個有相當帶寬的信號,而且頻譜具有很陡的尖峰,與背景噪聲的分布差別較大,這個特點為檢測泄漏提供了有利的抗干擾條件,因為這個特征很容易把信號從背景噪聲中分離出來;泄漏所產生的聲發射信號比較強,其幅

7、度大小與泄漏速率成正比,與信號的均方根值成正比;在煙氣中傳播的泄漏信號為連續型信號傳統聲發射信號特征參數的物理和數學的意義與"四管"泄漏的噪聲信號不具備實際嚴格的對應關系,這樣就會不可避免地忽略聲發射波形所攜帶的關于聲源和聲傳播的大量信息.隨著數字化技術和 要識別泄漏信號,必須找到與泄漏信號密切相關的特征.由于泄漏聲發射信號檢測的特殊性,關于如何選擇合適的特征識別泄漏方面的文獻并不多.我們在這里只是列舉幾種常用的特征,在實際應用中選擇一個或幾個特征所構成的特征組作為識別泄漏的有效手段.在時域方面,有效電壓值(RMS)是和信號能量密切相關的特征值.對于連續的信號,有效電壓值定

8、義為:基于聲發射技術的鍋爐"四管"泄漏檢測系統陳鴻偉.等*.二/粵ITxr(t)dt (2)勺 I無式中:x(t)為隨時間變化的連續信號;7'為信號周期.而一般我們通過采集卡A/D轉換后得到的信號為離散信號,這時的特征值應為信號的方均根值,定義為:,二/'S.二.n) 12.=0,1,2,-,N) (3)N "V -式中:x(n)為離散時間序列;N為采樣個數.在頻域方面,雖然時頻分布,小波變換等現代信號處理理淪已應用在這一領域,但在實際應用中,一般還是采用以傅立葉變換為基礎的經典譜估計,離散傅立葉變換的定義如下:X(k)二藝二(n)e nnx0(,

9、二.11,2,-,N)和以參數模型理論為上的現代譜估計,如AR模型模型,ARMA模型,PRONY指數模型等.(4),MA此外,可以通過分析信號頻譜,并與預先得到的背景信號頻譜相比較,若有較大差別即判斷有泄漏發生.還可以通過計算譜比例進行分析,利用幅度譜中不同頻率段的能量之比,也可以對是否發生泄漏進行判斷tai,不過這需要預先在現場進行大量調試,以便得到合適的頻率段進行比較.4結束語由上述可知:鍋爐"四管"泄漏的噴流噪聲可以認為是廣義的聲發射信號,其峰值頻率主要和噴流介質的出口速度的噴口尺寸有關;雖然采用濾波器可以去除一部分噪聲,但鍋爐運行時背景噪聲復雜多變,而且所采集的聲發

10、射信號也可能是在爐內多次反射疊加的結果.所以,怎樣最大的去除背景噪聲,對空間聲場分布進行詳細研究,才可以盡可能地對聲發射信號本身進行分析,從而提高泄漏信號的識別率;關于泄漏信號的識別,雖然有多種判據可以選擇,但大多建立在聲發射時域信號變換的基礎上,所以仍需進一步研究時域信號以便建立高效準確的判據參考文獻I TA海.工A瀏時風基于聲發射技術的管道泄漏"11統J1.自動化儀表,2002,23(5):20 -232安連鎖,姜根山,干松嶺,等.換熱器管壁圓形泄漏目空間輻射聲場分布特征數值研究【N中國電機工程學報,2003,23(5):144一148.3沈豪聲學手冊【M了北京:科學出版社,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第一作者陳鴻偉,男1965年生,1996年畢業于東南大學熱能工程專業獲得博士學位,教授;主要從事煤燃燒及熱力系統節能方面的研究和教學工作(上接第41頁)組件頁中的QuickRep和QRBand組件來設置報表,使用Preview( )函數激活預覽功

12、能.4結束語整個系統已在廣東某熱水器公司正式使用,該熱水器綜合性能檢測系統與同類產品相比有如下優點:整個系統按照GB6932一2001家用燃氣快速熱水器的各項測試要求和GB/T16155一2001家用燃氣具檢驗標準的相關內容設計.測試性能嚴格符合國家標準;采用了多線程,高精度的多媒體定時器和SQL2000數據庫及其完善的控制軟件設計,使系統測試精度高,功能完善,運行穩定,實時性好;采用采集卡和多個串口獨立模塊結合的設計方法,使系統硬件維護方便.本系統設計合理,操作簡單,人機界面清晰直觀,其技術性能在國內熱水器/兩用爐的檢測系統中處于領先水平,具有很好的推廣價值.參考文獻1家用燃氣熱水器生產許可證審查部家用燃氣熱水器標準M:上海:家用燃氣熱水器生產許可證審查部,20012余昌盛C+ Bu0Je.6數據庫系統開發實例導航M_北京:人民郵電出版社,20033梅成剛C+ Builder項目開發實踐M北京:中國鐵道出版社,20日34王偉,徐國華.多媒體定時器在工業控制中的應用【1.微型機S應用,zool