电站锅炉声学测温系统声波飞渡时间测量方法研究

发布时间：2020-07-12 08:25

【摘要】：声学测温法作为一种新型非接触式温度测量技术,在用于锅炉燃烧在线监测时具有诸多优点,比如在恶劣环境中的良好适应性,测量的连续性,宽量程和高分辨率,以及维修费用低。因此它在电厂中有着广阔的应用前景。声波飞渡时间的测量是电站锅炉声学测温中的关键技术,它的测量精度将直接影响到炉膛温度场重建的准确度。现代电站锅炉结构复杂,尺寸庞大,声学测温信号在高温烟气中长时间传播时会发生明显的衰减;另外,锅炉内存在的大量热态背景噪声会对声波飞渡时间的测量结果产生极强的干扰;又由于受到工艺水平的限制,不能单一地通过增强发声装置的功率来提高声波飞渡时间的测量精度。因此,如何在面临声波衰减问题和大量强背景噪声的情况下实现对声波飞渡时间的精确测量就成为声学法获取炉膛内真实烟气温度的关键,也是声学测温技术在电站锅炉中应用时需要重点解决的问题。为了解决这一问题,一方面需要找到一种适合在电站锅炉声学测温中应用的时延估计算法;另一方面,需要选择一种合适的声源信号,这样更利于时延估计算法将其与大量强背景噪声有效地区分开,从而得到准确的声波飞渡时间。本文基于以上两方面开展研究工作,主要内容包括:1、本文基于高阶累积量的基本理论及自适应时延估计算法的相关知识,针对电站锅炉声学测温的特定环境,选择四阶累积量及ETDGE算法作为信号处理手段,尝试将基于高阶累积量的自适应声波时延估计算法进行改进,提出了FOC-ETDGE算法。通过MATLAB仿真实验,将该算法与现场广泛应用的互相关时延估计算法在不同信噪比环境下进行了时延估计性能的比较,初步验证了本文提出的声波时延估计算法的优越性。2、基于伪随机序列的相关理论,针对电站锅炉声学测温的特殊环境,设计了几种自相关特性明显、抗噪性能优良的声源信号,并进行了相关的参数优化。通过MATLAB仿真实验,将上述声源信号与现场广泛应用的扫频信号进行自相关特性及抗噪性能比较,初步验证了本文设计的m序列、滤波后m序列及BPSK信号这几种声源信号的潜在优势。3、分别通过实验室冷态实验及现场声学测温系统中的热态实验对上述时延估计算法及声源信号进行了进一步优化及筛选。实验结果验证了本文提出的FOC-ETDGE算法及BPSK信号在锅炉稳定工况及变工况下的优越性,为电站锅炉声学测温系统的进一步成熟应用打下了坚实的基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM621.2
【图文】：

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东南大学硕士学位论文声波飞渡时间，就可以计算出声波的平均传播速度这就是声学测温的基本原理。原理一个声波接收器分别安装在炉膛相对壁面上，且两者从声波发射器到声波接收器的飞渡时间为 t，则声速lct 得路径上的烟气平均温度[7]，如式(1.4)所示。22 2lTZ t 对温度，K；l 是声波发射器到声波接收器的距离，声波接收器的飞渡时间，s。

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这样会形成 24 条声波传播路径，如图1-2 所示。各个声波发射器会按照一定的顺序依次开启，发射的声波穿过炉膛内烟气介质被其它声波接收器接收到后，就可以得到这 24 条声波传播路径上的声波飞渡时间。利用这些数据，依托于声学测温原理，通过相应的温度场重建技术，就能获得该横截面上大致的温度分布情况。需要说明的是，图 1-2 中的直线仅用来示意，不代表声波在炉内温度场中真实的传播路径。同时，进行温度场的重建工作时，需要针对声波在梯度温度场中的“折射效应”作相应的修正和补偿，这样才能得到比较合理的重建结果。

声学测温,单路

图 1-3 单路径声学测温装置示意图通道 1 和通道 2 中的声波接收器接收到的信号分别如下： 1x t s t w t(1.5) 2( )ty t as t D w t(1.6)式中， s t 为声波发射器发出的声源信号；tD 为声波时间延迟的真实值；a 代表声波的衰减因子( a (0,1])。 1w t 和 2w t 分别为两个声波接收器接收到的炉膛背景噪声。现场应用时都会把模拟信号转换成数字信号以便分析，因此利用t kT（T 为采样周期）把上式转换成离散形式： 1x k s k wk(1.7) 2y ( k ) as k D w k(1.8)式中， s ( k )为非高斯、零均值平稳信号； s k D 为 s k 的时延信号； 1w k 和 2w k 是与信号s ( k )统计独立、空间相关的零均值高斯噪声；D为时间延迟的估计值，可用式(1.9)表示。int( ) /tD D d D T(1.9)式中，d 为离散信号的分数时延。声学测温时延估计的目标就是利用某种时延估计算法，从有限长度的接收信号 x ( k )和 y ( k )中

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