聲學(xué)測溫基本原理及其在鍋爐爐膛溫度中的應(yīng)用

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

聲學(xué)測溫基本原理

眾所周知,聲波在介質(zhì)中的傳指速度隨介質(zhì)溫度的變化而變化。在聲波測距系統(tǒng)中,聲速的變化被當(dāng)作誤差,并且須得到糾正,但在聲學(xué)測溫技術(shù)中,正是利用聲速的變化來測量溫度的。

聲學(xué)測量方法的原理很簡單。理論上講,聲學(xué)測溫所需的裝置就是一個安裝在爐墻一側(cè)的聲波發(fā)射器與接收器和安裝在另一側(cè)的接收器。發(fā)射器發(fā)出一定頻帶的噪聲信號,被接收器檢測到,利用相關(guān)分析算法計算聲波的傳播時間。由于兩者之間的距離是已知井且固定的,可以計算出聲波脈沖傳播路徑上的平均溫度,其原理如圖1所示。

圖1 單路徑聲學(xué)測溫示意圖

1. 波動方程

圖2 波動示意

根據(jù)波動學(xué)理論,當(dāng)平面波動沿x軸方向傳播時,波動方程的推導(dǎo)過程為(如圖2所示):設(shè)煤質(zhì)密度為ρ,則這段煤質(zhì)的質(zhì)量為為ρdx。設(shè)煤質(zhì)中正應(yīng)力T,則這段煤質(zhì)的左面將受到左方煤質(zhì)施加的作用力T(特殊情況下即為聲壓P)。右面將受到右方煤質(zhì)的作用力為:

因此,如果這段煤質(zhì)的振動位移為ξ,振速為μ,則這段煤質(zhì)的運動方程為:

即

2. 聲速C和溫度T之間的關(guān)系

由于聲學(xué)原理可知,工業(yè)爐內(nèi)介質(zhì)可視為無限大、各向同性、均勻、無衰減的流體,聲波只有縱波的形式存在。在這種情況下,聲應(yīng)力即聲壓P(所謂聲壓就是疊加在流體靜壓上的由聲波引起的交變壓強)。在聲壓作用下,長度為dx的煤體體積v產(chǎn)生變化為dv,因面積不變,故體積的相對變化為dv/v,實際上相當(dāng)于厚度相對變化dξ/ξ。設(shè)煤質(zhì)的體積彈性模量為B,則根據(jù)B的定義:

由于P=T,則(2)式化為:

上式即為流林煤質(zhì)中縱波平面方程。又由波動理論可知,沿x軸正向或負(fù)向傳播的波動方程為:

由(3)(4)式得:

對于理想氣體,把聲波的傳播看成快速絕熱過程,則根據(jù)絕熱過程方程:PV等于恒量,可得到:

其中P為靜壓,γ為定壓比熱和定容比熱的比值。

再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=M/m·RT,可得出氣體中聲速C和溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式:

其中,R為理想氣體普適常數(shù),m為氣體分子量,T為氣體絕對溫度,γ為特定氣體在定壓定容下的系數(shù),C為某種氣體中聲波的速度,Z為某種特定氣體為一常數(shù),對煙道混合氣體為19.08。

又由運動學(xué)關(guān)系式C=d/t,可得聲學(xué)測溫法的基本計算公式:

其中,d為發(fā)射/接收器兩點之間的距離,t為聲波在兩傳感器之間的傳播時間。

圖3 聲波測溫原理圖,圖片來源于華北電力大學(xué)

由于聲波發(fā)射器和接收器這兩點之間的距離是可準(zhǔn)確檢測的常數(shù),則測定聲波的傳播時間就可以計算出傳播路線的氣體平均溫度。為算出氣體的平均溫度,可將上述公式寫成:

式中,T為氣體溫度,d為發(fā)射/接收器兩點之間的距離,t為傳播時間。

在鍋爐爐膛溫度測量中的應(yīng)用

早在1873年,Mara就第一次提出了利用聲學(xué)方法來確定氣體介質(zhì)的溫度。直到20世紀(jì)70年代初,聲學(xué)測溫技術(shù)才作為一門新興的科學(xué)枝術(shù)正式被提出。到了80年代該技術(shù)才得到深入的研究和發(fā)展,主要的奠基人是美國內(nèi)華達大學(xué)的John A Kleppe教授。他在前人的基礎(chǔ)上,做了大量的總結(jié)和創(chuàng)新工作。

到了90年代初期,聲學(xué)測溫系統(tǒng)在國外已經(jīng)被開發(fā)成了產(chǎn)品,并商業(yè)化。被應(yīng)用到燃煤、燃油火力發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、化學(xué)用品回收鍋爐,水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)的熱力過程控制中。在英國,德國,意大利,日本,韓國也受到極大的重視。

加拿大CSI集團公司據(jù)此原理研究開發(fā)出了名為Boilerwatch的鍋爐爐膛溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以設(shè)計成測量8條單一線路上的平均溫度或按陣列編排的多達24條路線來測量溫度的分布。所測得的數(shù)據(jù)可以直接輸入場內(nèi)的分散控制系統(tǒng)(DCS)或輸入計算機供數(shù)據(jù)顯示和提取,也可通過DCS向運行人員提供溫度-時間曲線,利用一種專用軟件(TNS-WIN)令計算機畫出空間溫度分布形態(tài)或提供其他的數(shù)據(jù)顯示方式。

東京電力技術(shù)研究所的伊騰文夫,三菱重工長崎研究所的坂井正康設(shè)計了一套基于聲波傳感器的高溫測量系統(tǒng)(電聲系統(tǒng)),在實驗室爐上進行了實驗,得出一些有價值的結(jié)論:

聲波在爐膛煙氣中的衰減與煙氣中的CO2濃度、聲波的頻率成正比;
高溫?zé)煔庵新暡l率越高,聲波衰減越大,溫度越高,聲波的衰減也越大;
爐膛煙氣溫度越高聲波飛行速度越快;
從測量精度和衰減兩方面考慮聲發(fā)生/接收器的頻率應(yīng)在12KHz以內(nèi);
聲波高溫計的測量結(jié)果與抽氣式熱電偶測量結(jié)果相差±5%;
用最小二乘法可實現(xiàn)爐膛溫度場的重建。

并提出為適應(yīng)現(xiàn)場測量需要,今后應(yīng)改進聲學(xué)傳感器的耐熱性,該研究為日木聲學(xué)法爐膛溫度測量系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

美國電力研究院(EPRI)和英國發(fā)電委員會(CEG)資助使用聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)對電站鍋爐進行了爐膛燃燒診斷和測溫的實驗。結(jié)果表明聲學(xué)高溫計測量結(jié)果基本與抽氣型熱電偶所得結(jié)果一致,而聲學(xué)高溫計在實時性、可維護性上要明顯優(yōu)于抽氣型電熱偶。而輻射高溫計在準(zhǔn)確度上是無法與其匹敵的。他們預(yù)言:聲學(xué)高溫計將成為一種新型的鍋爐診斷工具及科研開發(fā)工具并隨后向市場推出產(chǎn)品。

日本Gifu大學(xué)的Kazunori Wakai等人開發(fā)出基于聲波傳感器的垃圾處理爐爐膛溫度測量系統(tǒng)(電聲系統(tǒng)),通過對垃圾處理爐爐膛溫度測量和控制提高燃燒效率,降低污染物排放,但系統(tǒng)沒有詳細(xì)報道。

美國Nevada大學(xué)的J.A.Kleppe等人研究開發(fā)了聲學(xué)高溫測量系統(tǒng),據(jù)稱系統(tǒng)在各種惡劣的、嘈雜的工業(yè)環(huán)境中可以精確、反復(fù)的測量(主要應(yīng)用在電站鍋爐)。所用發(fā)生-接收單元為氣聲系統(tǒng)。既聲發(fā)生-接收單元的發(fā)生部分以壓縮空氣(工業(yè)用氣)經(jīng)波導(dǎo)管內(nèi)孔板產(chǎn)生500-2000Hz的寬頻帶聲波,作為系統(tǒng)的聲源。接收部分是用耐腐蝕鎳基合金鋼制成的壓電式傳感器,用來接收發(fā)生單元的聲波信號。

同時成立科學(xué)工程儀器公司SEI(Scientific engineering Instruments)專門從事聲學(xué)高溫計的研究與應(yīng)用,并在多個國家設(shè)有分公司。在中國也曾有其代銷處,但根據(jù)調(diào)研結(jié)果由于該系統(tǒng)安裝復(fù)雜,需鋪設(shè)專門的管道,聲波發(fā)生/接收單元尺寸較大,給現(xiàn)場實際安裝帶來困難,且售價較高等原因在國內(nèi)一直沒有用戶。

意大利Pisa大學(xué)的Mauro Bramanti等人成功研制出一套聲學(xué)高溫計叫(電聲系統(tǒng)),通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為1.8K的正弦信號,井由微處理器控制門電路產(chǎn)生一個6.6m的脈沖,經(jīng)放大后由揚聲器發(fā)出,在介質(zhì)中傳播一定時間后被麥克風(fēng)接收,再經(jīng)過放大,濾波,A/D轉(zhuǎn)換、峰值檢測等過程,最后由處理器計算出傳播時間,送存儲、顯示。

日本電力技未研究所開發(fā)了聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)(電聲系統(tǒng))。聲波發(fā)生/接收器采用同一樣單元結(jié)構(gòu),通過控制聲波發(fā)生/接收器的切換順序,測量鍋爐某一“典型層面”的聲波飛行時間作為投影數(shù)據(jù),用最小二乘法重建該“典型層面”的二維溫度場圖像。

為增加聲波發(fā)生效率和接收效果,聲波發(fā)生器采用喇叭形結(jié)構(gòu),接收器采用容性麥克。聲波發(fā)生器和接收器通過鍋爐看火孔等經(jīng)波導(dǎo)管安裝在爐壁外側(cè),以使聲波發(fā)生器/接收器遠(yuǎn)離熱源提高系統(tǒng)的耐熱性。該系統(tǒng)在日本武豐市火力發(fā)電站1號鍋爐上進行了實驗,得到與熱電偶基術(shù)相同的測試結(jié)果,結(jié)果表明:

(1) 在低溫段聲波高溫計測量結(jié)果與熱電偶基本一致,但隨著溫度升高,聲波高溫計測量結(jié)果高于熱電偶測量結(jié)果,主要原因是受看火孔數(shù)量及位置限制,所安裝的聲波發(fā)生/接收單元較少,所測量的聲波飛行時間投影數(shù)據(jù)少,且傳感器位置分布不對稱:

(2) 測量誤差隨聲波傳播路徑的長度和鍋爐負(fù)荷的增加而有所增大。

德國University of Saarland開發(fā)了聲學(xué)高溫測試系統(tǒng),并應(yīng)用于230MW及750MW電站鍋爐溫度場檢測,給出了測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),現(xiàn)場實時測試數(shù)據(jù)及溫度場重建圖像。

日本日立公司今田典幸等開發(fā)了基于聲波的電站鍋爐爐膛溫度場檢測系統(tǒng)(電聲系統(tǒng))。實際應(yīng)用在工業(yè)小型集中供暖鍋爐爐內(nèi)溫度場的測量,造紙廠回收鍋爐及發(fā)電廠1000MW世界最大鍋爐出口處氣體溫度的測量,井推出基于聲波傳感器的大型管道內(nèi)煙氣流速測量系統(tǒng),控制污染物排放。

佐伯正裕對爐腔內(nèi)聲波飛行時間的測量方法進行了一定的研究。提出通過向爐膛發(fā)不同頻率的正弦波,測量各種頻率下輸入信號和穩(wěn)定狀態(tài)時接收信號之間的相位差,測量聲波飛行時間的方法,在實驗室模擬環(huán)境下進行了實驗。實驗中采用頻率分別為1.5kHz和2kHz的正弦波信號,背景噪聲用錄音機錄制工業(yè)鍋爐內(nèi)的實際燃燒噪聲。

華北電力大學(xué)的張曉東、高波、宋之平采用掃頻聲源通過仿真分析和實驗的方法對無背景噪聲和有背景噪聲情況下,聲波飛行時間的測量進行了研究。研究結(jié)果表明,在有背景噪聲的情況下,如果背景噪聲高于接收端信號的水平,則隨著背景噪聲的增大測量結(jié)果的偏差迅速增大,井導(dǎo)致多次測量結(jié)果不穩(wěn)定,不能達到測溫的目的。