1、第37卷第4期2003年7月原子能科學技術Vol.37,No.4July2003AtomicEnergyScienceandTechnology小波變換在快堆蒸汽發生器聲學泄漏檢測中的應用牛曉東,楊獻勇(清華大學熱能工程系,北京 100084)摘要:根據在清華大學液態金屬實驗室實驗鈉回路上得到的實驗數據,采用基于小波變換的奇異性檢測理論進行快堆蒸汽發生器水/水蒸氣泄漏的故障診斷研究。結果表明:此方法使得聲學泄漏探測系統的靈敏度得到了提高,且對泄漏發生時間的定位十分準確,是快堆蒸汽發生器水/水蒸氣泄漏檢測的有效方法。關鍵詞:快堆;泄漏檢測;小波變換中圖分類號:TL329 文獻標識碼:A 文章編號

2、:1000 6931(2003)04 0289 05ApplicationofWaveletTransformonAcousticLeakDetectionforSteamGeneratorsinLiquidMetalFastBreederReactorNIUXiao dong,YANGXian yong(DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Amethoddetectingwater/steamleaksofsteamgeneratorsinliquidmetalfastb

3、reederreactor(LMFBR)isdescribed,whichisbasedontheprincipleofsingularitydetectionofwavelettransformaccordingtothedatafromtheacousticleakdetectionsystemofsodiumloopintheliquidmetallabofTsinghuaUniversity.Themethodsareprovedtobeeffectivetoimprovethesensibilityofacousticleakdetectionsystemanddetecttheti

4、meofleakscorrectly.Keywords:liquidmetalfastbreederreactor;acousticleakdetection;wavelettransform 在快堆核電站中,蒸汽發生器管路長期運行在高溫、高壓、鈉環境的惡劣條件下,運行中可能發生水/水蒸氣管路的泄漏。泄漏的高壓水/水蒸氣向鈉側噴射,將發生劇烈的鈉水反應。反應時,鈉水反應區附近的溫度、壓力急劇升高,釋放大量的熱量,使漏孔腐蝕擴大,造成泄漏的擴大和蔓延,對蒸汽發生器管束造成破收稿日期:2002 05 22;修回日期:2002 07 15作者簡介:牛曉東(1975 ),男,北京人,碩士,工程熱物理專

5、業壞。因此,及時檢測泄漏并采取相應的安全保護措施以控制事故的蔓延是保證快堆安全運行的重要條件。在快堆電站中,微氫探測系統是主要的探測設備,但這種探測器的響應時間長,不適于探測快速發展的小泄漏。聲學泄漏探測技術利用水/水蒸氣泄漏時鈉水反應產生的聲頻噪聲來探測泄漏,它適宜290探測發展快速的中小泄漏。聲頻信號傳遞到蒸汽發生器外殼并通過外殼上的傳感器轉換成電信號,傳送到檢測系統進行信號處理以確定泄漏的發生。聲學泄漏探測技術雖具有響應時間短、設備簡單的優點,但泄漏信號往往被淹沒在背景噪聲之中,造成該方法的靈敏度不高。因此,采用有效的信號處理方法提取泄漏信號,提高探測系統的靈敏度是聲學泄漏探測技術的主要

6、研究課題。在已見諸報道的有關聲學泄漏探測技術研究中,信號處理多采用傳統的傅立葉(Fourier)變換。泄漏信號具有非平穩性,而建立在平穩隨機過程理論之上的Fourier變換對它并非完全適用。小波變換是近幾年發展起來的一門新的信號分析理論,它在時頻兩域均具有表征信號局部特征的能力,又具有多分辨率分析特點,可聚焦到信號的任意細節,尤其適用于非平穩信號的處理。本文研究將小波變換引入快堆水/水蒸氣聲學泄漏探測系統的信號處理中,利用其奇異性檢測原理進行泄漏故障檢測。817原子能科學技術 第37卷由式(1)、(3)可得信號x(t)在母小波(1)(2) (t)和 (t)下的小波變換:1)(1)WT(ax(t

7、)=x(t)* a(t)=x(t)*ad a(t)=ax(t)* a(t)dtdt(4)2)(2)WT(ax(t)=x(t)* a(t)=x(t)*d2 a(t)2a=ax(t)* a(t)dt2dt22(5)式中: a(t)=。aax(t)* (t)a(t)可看成是低通平滑函數(1)(2)在尺度a下對函數x(t)進行平滑的結果,從式(4)、(5)知:小波變換WTax(t)和WTax(t)分別是函數x(t)在尺度a下由 (t)平滑后再取一階與二階導數。由上述分析知,WT(a1)x(t)的零點對應于(1)平滑后信號x(t)* a(t)的極值點,WTax2)(t)的局部極值點既對應于WT(ax(t

8、)的過零點,又對應于x(t)* a(t)的拐點,即極限情況下的階躍點。當a較小時,用 a(t)對x(t)平滑的結果對x(t)的突變部分的位置與形態的影響不大;當a較大時,平滑過程將使x(t)的一些細小的突變消去而僅剩下大尺寸的突變。(1)由此可知:信號以 (t)為小波基的小波變換(2)的局部極值點對應于信號的突變點,而以1 小波變換的奇異性檢測原理信號x(t)的小波變換(WTax(t)可表示成如下卷積形式:WTax(t)=x( ) ()d =aax( ) a(t- )d =x(t)* a(t)(1)(t)為小波基的小波變換的過零點也對應于信號的突變點。這就是用小波變換的過零點和極值點來檢測信號

9、局部突變的原理。采用檢測信號小波變換系數的過零點和局部極值點的方法可以檢測信號的突變。這兩種檢測方法中,采用局部極值點進行檢測更具優越性。1)過零點易受噪聲干擾。2)過零點有時反映的并非突變點,而是信號在慢變區間的轉折點;x(t)* a(t)的拐點既對應于它的一階導數模的極大值點,又對應于極小值點,而WT(a1)x(t)的極大值點對應于式中: (t)為母小波;a>0,為尺度因子;符號!*表示求卷積; a(t)由 (t)在a下作伸縮得到,即()(2)aa所以,小波變換WTax(t)可看成是信號x(t)a(t)=通過沖激響應為 a(t)的系統后的輸出。(1)(2)若 (t)和 (t)分別為某

10、一低通函數(t)的一階導數和二階導數,即(t)=dt(1)2 (t)=dt2(2)(1)(2)(3)信號快變化點的位置,WT(a1)x(t)的極小值點對應于信號變化最慢點的位置,因此,單憑檢測二階導數的過零點很難判定是信號的突變點還可以證明: (t)和 (t)是帶通函數,且滿第4期 牛曉東等:小波變換在快堆蒸汽發生器聲學泄漏檢測中的應用2913)過零點僅給出拐點的位置信息而不能給出變化點變化的快慢信息,而局部極值點則確定對應信號的快變點,且可推測出拐點處的導數值,以獲得信號變化的快慢信息。基于Haar函數的Haar小波是檢測信號局部性常用的小波,對實驗鈉回路最大背景噪聲下泄漏率為10mL/h時

11、的泄漏信號使用Haar小波進行3層小波變換(圖1)。圖1中S為原始信號;CA為低頻分解系數,CD為高頻分解系數,后續數字代表分解層數,即尺度數。2 泄漏信號的奇異性檢測在快堆蒸汽發生器中,水/水蒸氣在傳熱管內流動,鈉在傳熱管外流動。當蒸汽發生器正常運行,即無水/水蒸氣泄漏時,聲學泄漏探測系統采集的正常信號是系統的背景噪聲本底信號。背景噪聲主要來自鈉、水的流動噪聲和蒸汽形成及流動的噪聲。如果傳熱管壁出現漏洞或裂縫而發生泄漏時,由于水/水蒸氣側壓力比鈉側壓力高,高壓水/水蒸氣將沖入鈉中,導致鈉水反應。在泄漏開始的瞬間,背景噪聲本底上因疊加了泄漏信號而發生能量突變。泄漏噪聲信號在蒸汽發生器內的換熱管

12、束之間傳播,通過液態鈉傳到蒸汽發生器的器壁上,安裝在蒸汽發生器外壁上的加速度傳感器可將蒸汽發生器內部的各種噪聲傳送到信號接收系統。從以上分析可知:在快堆蒸汽發生器中,泄漏信號總是疊加在各種背景噪聲本底之上,在泄漏故障發生的瞬間,信號波形將發生幅值的突變,不同于正常時的本底信號。信號的突變帶有泄漏的重要信息,通過對信號突變的檢測即可以判斷泄漏的發生。由于突變信號往往具有很寬的頻譜能量分布,采用傳統的基于傅立葉變換的頻譜分析方法很難作出故障識別,且傅立葉變換缺乏空間局部性,只能確定信號奇異性的整體性質,難以確定突變發生的時域位置。小波變換具有空間局部化性質,因此,利用小波變換檢測信號的奇異性判斷泄

13、漏的發生是較為有效的。圖1 泄漏信號的3層小波變換Fig.1 Wavelettransformofleaksignalwithscale3由圖1可看出:小波變換很好地檢測出了泄漏發生時的信號的突變,特別是在尺度1的高頻分解系數CD1上的極大值十分明顯,大約5000點,信號突變的時域定位非常準確。信號的突變部分包含豐富的高頻信息,在小波分解中,第1層的高頻系數CD1將信號的突變點表現得最為明顯。而且,由理論分析可知,尺度越小,平滑函數 a(t)的平滑區域越小,小波系數極大值點對突點變位置的定位越準確。在大尺度下,對噪聲進行了一定的平滑,使其定位產生了偏差。隨著水泄漏率的增大,泄漏的高壓水/水蒸氣

14、沖激力的增大和鈉水反應劇烈程度的增加,使信號突變能量隨之增大,使用小波變換進行奇異性檢測更加有效。將圖1的各級小波分解系數進行重構,可觀察各級小波分解的細節和概貌信號(圖2),圖2中A為低頻概貌信號,D為高頻細節信號。由圖2可看出:小波變換第1層高頻分解系數CD1的重構信號D1在泄漏發生5000點以后的幅度值與其它層的高頻分解系數CD2、CD3的重構信號D2、D3的幅值相比,前者明顯3 數據處理利用清華大學實驗鈉回路聲學泄漏探測系統進行蒸汽發生器正常和不同泄漏率情況下的實驗研究。350#工況下的實驗條件為:鈉流量6.1m3/h、水流量50L/h(為實驗鈉回路最大背景噪聲),泄漏率在5400mL

15、/h范圍內292原子能科學技術 第37卷圖2 3層小波變換系數重構信號Fig.2 Reconstructedsignalofwavelettransformwithscale3圖3 原始信號與重構信號D1的RMS值Fig.3 RMSvaluesoforiginalsignalandreconstructedsignalD1大于后者,而它們在泄漏發生點之前的本底階段幅值相差不多,所以,可考慮用第1層高頻系數CD1的重構信號D1的均方根值(RMS值)進行泄漏的檢測。通過計算RMS值,可觀察信號的強度隨時間變化的情況。圖3中比較的是在實驗鈉回路最大背景噪聲下,泄漏率為10mL/h的原始泄漏信號RMS

16、值與其3層小波變換的第1層高頻分解系數CD1的重構信號D1的RMS值。從此圖中可看出:重構信號D1在背景噪聲本底階段和泄漏階段的能量都有所下降,但兩階段能量減小的幅度不同。由圖3不易直接觀察出兩階段能量的變化效果。實際測量中,最有意義的是信噪比,所以,應對信號進行歸一化處理,即原始泄漏信號以實驗鈉回路該工況下的背景噪聲的均值為相對量,重構信號D1以該工況下背景噪聲的第1層高頻小波分解系數的重構信號的均值為相對量。經過歸一化處理后的信號的RMS值結果示于圖4。從圖4可看出:重構信號D1在泄漏階段相對于背景噪聲的增值幅度明顯大于原始信號在泄漏階段相對于背景噪聲的增值幅度(將近增大了1.5倍)。因此

17、,如果將重構信號D1的背景噪聲放大至原始信號背景噪聲的水平時,相同泄漏率下重構信號D1在泄漏段的RMS值比原始信見:采用原始泄漏信號的小波變換第1層高頻分解系數的重構信號D1進行泄漏探測,可使探測系統的信噪比增大約1.5倍。從圖3、4還可看出:泄漏信號的小波變換第1層高頻分解系數的重構信號D1對泄漏發生時間的定位十分準確,其RMS值增大的時刻與原始泄漏信號完全相同。對泄漏率為5400mL/h的所有泄漏信號的處理表明,D1的歸一化RMS值在泄漏階段約為原始泄漏信號歸一化RMS值的2.53倍。圖4 原始信號與重構信號D1的歸一化RMS值Fig.4 NormalizedRMSvaluesoforig

18、inalsignalandreconstructedsignalD1第4期 牛曉東等:小波變換在快堆蒸汽發生器聲學泄漏檢測中的應用2934 結論根據在實驗鈉回路聲學泄漏探測系統獲得的實驗數據,使用小波變換進行泄漏信號的奇異性檢測。對原始泄漏信號的第1層小波高頻分解系數CD1進行重構,得到高頻細節信號D1,D1的歸一化RMS值在泄漏段約為原始信號歸一化RMS值的2.53倍。由此可通過設定閾值定量進行泄漏判斷,并可準確進行泄漏的時間定位。對實驗數據的處理結果表明:使用以上方法可對泄漏率在5400mL/h的所有泄漏信號進行成功檢測,并能進行準確的時間定位,與傳統的信號處理方法相比,泄漏探測系統的靈敏度得以較大提高,為快堆蒸汽發生器水/水蒸氣的聲學泄漏檢測技術