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(gè)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(jì)算聲波的傳播時(shí)間。由于兩者之間的距離是已知井且固定的,可以計(jì)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(dòng)方程

圖2 波動(dòng)示意

根據(jù)波動(dòng)學(xué)理論,當(dāng)平面波動(dòng)沿x軸方向傳播時(shí),波動(dòng)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(dòng)位移為ξ,振速為μ,則這段煤質(zhì)的運(yùn)動(dòng)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(qiáng))。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(shí)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(dòng)理論可知,沿x軸正向或負(fù)向傳播的波動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式C=d/t,可得聲學(xué)測溫法的基本計(jì)算公式:

其中,d為發(fā)射/接收器兩點(diǎn)之間的距離,t為聲波在兩傳感器之間的傳播時(shí)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(diǎn)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(shí)間就可以計(jì)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(diǎn)之間的距離,t為傳播時(shí)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(dá)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(tuán)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成測量8條單一線路上的平均溫度或按陣列編排的多達(dá)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(jì)算機(jī)供數(shù)據(jù)顯示和提取,也可通過DCS向運(yùn)行人員提供溫度-時(shí)間曲線,利用一種專用軟件(TNS-WIN)令計(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)驗(yàn)室爐上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得出一些有價(jià)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(jì)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(shí)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(jìn)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(huì)(CEG)資助使用聲學(xué)高溫測量系統(tǒng)對電站鍋爐進(jìn)行了爐膛燃燒診斷和測溫的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明聲學(xué)高溫計(jì)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(jì)在實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性上要明顯優(yōu)于抽氣型電熱偶。而輻射高溫計(jì)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(jì)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(bào)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(shí)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(jì)的研究與應(yīng)用,并在多個(gè)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(shí)際安裝帶來困難,且售價(jià)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(jì)叫(電聲系統(tǒng)),通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)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(gè)6.6m的脈沖,經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出,在介質(zhì)中傳播一定時(shí)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(jì)算出傳播時(shí)間,送存儲(chǔ)、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(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn),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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)間的測量方法進(jìn)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(shí)接收信號之間的相位差,測量聲波飛行時(shí)間的方法,在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jī)錄制工業(yè)鍋爐內(nèi)的實(shí)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(shí)驗(yàn)的方法對無背景噪聲和有背景噪聲情況下,聲波飛行時(shí)間的測量進(jìn)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(dá)到測溫的目的。