大型电站锅炉状态监测中的声学感知与诊断方法研究

In the large-scale power plant boiler, using acoustic method to achieve furnace condition monitoring and fault diagnosis is an important mean for improving boiler efficiency and guarantee the safety and economy of operation. However, because large gradient temperature changes (which changes from several hundred degrees to thousands of degrees in the range of more than ten meters) and cross-coupling effect of a variety of factors, radiation and propagation of sound waves in the furnace is very complex. Currently, acoustic diagnosis of condition monitoring in power plant boiler is still an unsolved problem. On the ground of preliminary studies, this thesis focuses on the application of a new generation acoustic techniques for fault diagnosis of large-scale power plant boiler and takes the reveal of the acoustic law in the combustion temperature field as its goal. This thesis mainly studies the acoustic sensing and diagnostics in condition monitoring of large power plant boiler. The main research points of this thesis include: (1) acoustic radiation characteristics of furnace typical source; (2) sound field characteristics and sound propagation in the furnace combustion temperature field; (3) acoustic inversion in the furnace combustion temperature field; (4) acoustic diagnosis and location of the furnace fault source. Finally, the article on this thesis is to explain the new phenomenon which has discovered in the experiment, reveal the acoustic law in the furnace combustion temperature field and explain the acoustic sensing and diagnostic methods in the furnace state detection.

在大型电站锅炉中，用声学方法来实现炉内状态监测和故障诊断是提高锅炉效率、保障安全经济运行的重要手段，但由于炉内燃烧温度场具有大梯度变化的物理特征（在十多米范围内由几百度变到上千度）和多种因素的交叉耦合作用，导致声波在炉内的辐射与传播过程十分复杂。目前，对电站锅炉状态监测中的声学感知与诊断方法仍是一个尚未解决的难题。本课题将在前期研究工作的基础上，针对大型电站锅炉故障诊断的新一代应用声学技术，以揭示炉内燃烧温度场中的声学规律为目的，重点探讨大型电站锅炉状态监测中的声学感知与诊断方法。主要研究内容包括：（1）炉内典型声源的声学辐射特征；（2）炉内燃烧温度场中的声场分布特征及声传播规律；（3）炉内状态参量的声学感知及其反演；（4）炉内故障源的声学诊断与定位方法。通过课题研究，解释实验中已发现的新现象，揭示炉内燃烧温度场中的声学规律，探索炉内状态检测中的声学感知与诊断方法。

本课题以揭示炉内燃烧温度场中的声学规律为目的，重点探讨电站锅炉状态监测中的声学诊断方法。（1）炉内典型声源的声学辐射特征。采用大涡模拟进行喷注噪声频谱特性与辐射特性研究，得出：泄漏喷流速度越大，流场动压逐渐增大；管道中心间距相同时，并列双管结构的动压幅值大于串列双管的情况；横向增加管排数目，流场动压及速度会逐渐减小；管内压强固定，增大泄漏孔径，其远场声辐射能力增大；泄漏孔径固定，增加管内压强，其声辐射能力也随之增强。（2）炉内燃烧温度场中的声场分布特征及声传播规律。炉内声场分布采用有限元模拟，由结果分析可知炉膛内高温处声能量很低，声波能量集中在低温处。对于强声波在锅炉中的传播特性，其冲击波形成距离与声波频率成反比，随着声波频率的增大，非线性效应减弱，耗散效应增强。对于换热器中的声传播规律，基于声子晶体理论进行研究，声波在管阵列中传播存在禁带与导带，同一阵列在不同方向由于晶格参数不同其带隙结构不同。（3）炉内状态参量的声学感知及其反演研究中主要进行声学测温以及烟气流速测量，采用CGLS算法和LSQR算法对三维温度场重建中的病态矩阵方程进行求解，LSQR算法具有更好的数值稳定性和更强的抗噪声能力，适合于电站锅炉的温度场重建。根据时差法求气体流速的原理，结合直接互相关算法和经PHAT加权的广义互相关算法对声波飞渡时间进行估计，成为电站锅炉烟气流速在线监测的有效方法。（4）炉内故障源的声学诊断与定位方法研究。对于水冷壁的泄漏定位方法，基于时差法和改进的Chan算法进行三维空间声学定位仿真，并进行实验相验证；对于锅炉的多源泄漏定位方法采用PHAT加权广义互相关函数算法测量多时延值；并对炉内管道的微弱泄漏信号检测方法采用可变模态分解方法与改进的经验模态分解方法进行研究。选用改进的算法与实验进行对比，可得到误差范围减小，精度提高，可有效分离多源信号并定位，提高检测系统实时性的结果，同时研究了管阵列对声传播及定位的影响。