專利名稱：一種聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍋爐尤其是四角切圓鍋爐熱態(tài)運行的監(jiān)測設(shè)備，特別是一種聲學(xué)法燃 燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
到2020年我國人均裝機預(yù)計0. 6千瓦左右，達到目前世界平均，全國總裝機容量 達到9. 5億千瓦左右，發(fā)電量將達到4. 2萬億千瓦時左右。我國是以煤炭為主要一次能源 的國家，煤電在發(fā)電中的主導(dǎo)地位在短期內(nèi)難以改變。按發(fā)電量計算，目前我國燃煤電量占 僅80%。2003年我國煤炭產(chǎn)量16. 7億噸，發(fā)電以及熱電用煤炭總產(chǎn)量的50%，火電消耗水 量約53. 4億立方米。到2020年，燃煤機組容量也將達到6億千瓦左右，比現(xiàn)在增加一倍， 發(fā)展受到煤炭資源、水資源以及運輸能力的極大制約。我國現(xiàn)有火電機組設(shè)備總體技術(shù)水 平落后，性能與世界先進水平相比有較大差距，發(fā)電煤耗高；能源利用率低，進一步加劇了 煤炭燃燒造成的氣體排放及環(huán)境污染。電力生產(chǎn)的飛速發(fā)展，客觀上亦對各相關(guān)測量技術(shù)的先進性提出了要求。其中，鍋 爐爐內(nèi)煙氣動力場的測量是基本和必要的一項，也是難度最大的。電站及工業(yè)鍋爐的爐膛 及水平煙道內(nèi)煙氣動力場的合理與穩(wěn)定是鍋爐正常運行的前提，所以其方便、可靠的測量 十分重要，將為鍋爐的安全及優(yōu)化運行提供直接的依據(jù)。爐膛動力場主要指的是燃燒別及爐膛內(nèi)的空氣(包括空氣攜帶的燃料)以及燃燒 產(chǎn)物的流動方向和速度值的分布。鍋爐運行的可靠性和經(jīng)濟性與爐膛空氣動力場的好壞有 著密切的關(guān)系。阻止良好的爐膛空氣動力場可以保證鍋爐燃燒穩(wěn)定、燃燼迅速、有合宜的爐 膛燃燒中心和良好的爐膛火焰充滿度，而且爐膛氣流無偏斜也不貼邊沖刷爐壁。這樣就可 保持經(jīng)濟而可靠的燃燒從而使鍋爐能高效而安全地運行。在新鍋爐投入運行和已運行鍋爐 出現(xiàn)燃燒故障時常需查明爐內(nèi)實際工況，以便發(fā)現(xiàn)問題及時進行燃燒調(diào)整。為此，就需進行 爐膛空氣動力場測試。爐膛空氣動力場的測試一般有兩類，一類稱為爐膛熱態(tài)空氣動力場測試，另一類 稱為爐膛冷態(tài)空氣動力場測試。前者是在鍋爐運行時，亦即爐膛是熾熱時，進行的爐膛空氣 動力場測試，其難度較大，因而一般較少測定；后者是在爐膛停用時，亦即爐膛為冷態(tài)時，進 行的爐膛空氣動力場測試，此時，可以采用爐膛照常通風(fēng)的方法進行測定，較之前者，其測 定過程大為簡化，因而是一種常用的判別爐膛空氣動力工況優(yōu)劣的測定手段。爐膛內(nèi)動力場和溫度場互相影響和耦合，爐膛燃燒空氣動力場的監(jiān)測對于爐膛燃 燒優(yōu)化調(diào)整和控制有十分重要的意義。鍋爐爐內(nèi)空氣動力工況不僅直接影響著鍋爐的燃燒 工況與效率，還影響著爐膛及受熱面的安全性，為解決鍋爐結(jié)焦、殘余旋轉(zhuǎn)等問題，并為鍋 爐的改造或熱態(tài)燃燒調(diào)整提供可靠的科學(xué)依據(jù)，鍋爐試驗人員要經(jīng)常在現(xiàn)場進行冷態(tài)空氣 動力場試驗。爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場試驗通常用飄帶與風(fēng)速儀測量相結(jié)合的方法進行用飄 帶網(wǎng)來觀察某一截面的全面氣流狀況，用風(fēng)速儀在爐內(nèi)測量爐內(nèi)選定點的速度大小。這種 方法工作繁重，困難大，難于給出不受干擾情況下的爐內(nèi)空氣動力特性。另外也有研究嘗試測量技術(shù)主要有熱線風(fēng)速儀法，利用熱線風(fēng)速儀與示蹤法測量不同工況下某一 W型爐內(nèi)的 空氣動力場；也有嘗試用激光多普勒法對燃燒器湍流流場進行研究，但都有較大的局限性。 另外，用較早時期的自編軟件，或后來的商用CFD軟件對鍋爐內(nèi)的空氣動力場甚至燃燒過 程等進行模擬計算，也是一種十分有用和常用的研究手段，常常用來對鍋爐的設(shè)計和運行 進行預(yù)測和模擬，以達到輔助性的優(yōu)化和解決鍋爐運行中出現(xiàn)的問題的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法，用 以在線快速監(jiān)測四角切圓鍋爐爐內(nèi)流場。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的所述的聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置，其特征是在爐膛同一斷面的四 壁均勻設(shè)置8組聲波發(fā)射器及聲波接收器，構(gòu)成平面內(nèi)M條交織的聲波傳播路徑，多個聲 波發(fā)射器分別通過計算機的I/O卡與功率放大器的輸出端連接，所述多個聲波接收器的電 源端分別與開關(guān)電源的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡與計算機連接，計算機 通過D/A卡與功率放大器的相應(yīng)音頻輸入口連接。所述I/O卡、A/D卡及D/A卡的采樣頻率 均大于Μ0ΚΗΖ。開關(guān)電源的輸入端與220V連接。功率放大器的供電電源的電壓大于MV。所述基于聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置的測試方法是第一步，設(shè)置采樣 參數(shù)；第二步，各聲波發(fā)射器依次發(fā)出短促的聲波信號，并由各聲波接收器接收聲波信號并 準(zhǔn)確辨識，采樣模塊得到含噪聲的信號數(shù)據(jù)；第三步，信號濾波去噪，得到較好的有用信號； 第四步，信號相關(guān)分析模塊計算各路信號相反兩方向的傳播時間，由每一個聲投射路徑始、 末端信號計算得到聲波在該方向的傳播時間；第五步，由各聲投射路徑上的傳播時間來重 建所測斷面的流場，即斷面二維速度分布。所述重建算法是采用復(fù)雜、高效的矢量層析的方法，得到全斷面場的近似氣流速 度分布，得到其切圓的位置大小，可了解所形成的動力場的合理程度。技術(shù)關(guān)鍵主要有兩個方面，一是穿過切圓場的聲信號的準(zhǔn)確辨識，二是流場重建 算法的正確與優(yōu)化。經(jīng)過大量的科學(xué)研究與實驗，相關(guān)問題已得到較好的解決，并具有與傳 統(tǒng)測量方法吻合較好的實驗結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、為非接觸式。不會對所測場造成干擾；2、快速便捷。進行一次完整的斷面切圓流場聲波法測量只需約8秒鐘；3、成本低。省去了傳統(tǒng)動力場測量時須在爐內(nèi)搭腳手架，并由工作人員進入爐膛 進行逐點測量的大量工作和時間，及期間風(fēng)機運行費用。4、為全場測量。聲波法測量可以較好地反映全斷面切圓場的流速分布，而傳統(tǒng)方 法只能測斷面內(nèi)中心十字架上的有限點的速度；5、有望用于熱態(tài)運行爐內(nèi)動力場的實時、在線測量，以隨時了解爐內(nèi)空氣動力場 運行狀況，并進行相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)；6、可以利用系統(tǒng)的聲傳感器所接收的爐內(nèi)聲波信號分析是否有四管爆破異常。本發(fā)明由于這項流場監(jiān)測技術(shù)的突出特點是實時性，非接觸性，及對連續(xù)場的再 現(xiàn)，同時該技術(shù)對所測流場介質(zhì)及環(huán)境沒有要求，因此該技術(shù)可以在四角切圓鍋爐上廣泛應(yīng)用。具有體積小，便于安裝及系統(tǒng)造價低等特點，易為用戶所接受，因此具有較強的應(yīng)用 可行性。且爐膛尺寸越大越顯示出其優(yōu)越性，特別是在電站大型燃煤鍋爐爐膛溫度場的檢 測更具有優(yōu)越性。


圖1是測試原理圖，圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是軟件系統(tǒng)流程圖，圖4所測斷面流場實施例圖之一，圖5所測斷面流場實施例圖之二。圖中1-功率放大器，2-聲波發(fā)射器，3-聲波接收器，4-開關(guān)電源，5-計算機， 6-1/0卡，7-A/D卡，8-D/A卡，9-供電電源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。圖1、2中，所述的聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速 度場的測量裝置的特征是在爐膛同一斷面的四壁均勻設(shè)置8組聲波發(fā)射器2及聲波接收 器3，構(gòu)成平面內(nèi)M條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器2分別通過計算機的I/O卡 6與功率放大器1的輸出端連接，所述多個聲波接收器3的電源端分別與開關(guān)電源4的輸 出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡7與計算機5連接，計算機5通過D/A卡8與功率 放大器1的相應(yīng)音頻輸入口連接。所述I/O卡6、A/D卡7及D/A卡8的采樣頻率均大于 Μ0ΚΗΖ。開關(guān)電源4的輸入端與220V連接。功率放大器的供電電源9的電壓大于MV。圖3中，所述基于聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置的測量方法是第一步，設(shè) 置采樣參數(shù)；第二步，各聲波發(fā)射器依次發(fā)出短促的聲波信號，并由各聲波接收器接收聲波 信號并準(zhǔn)確辨識，采樣模塊得到含噪聲的信號數(shù)據(jù)；第三步，信號濾波去噪，得到較好的有 用信號；第四步，信號相關(guān)分析模塊計算各路信號相反兩方向的傳播時間，由每一個聲投射 路徑始、末端信號通過相關(guān)法得到聲波在該方向的傳播時間；第五步，由各聲投射路徑上的 傳播時間來重建所測斷面的流場，即斷面二維速度分布。所述重建算法是采用復(fù)雜、高效的矢量層析的方法，得到全斷面場的近似氣流速 度分布，得到其切圓的位置大小，可了解所形成的動力場的合理程度。實施前進行如下幾項工作選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡。由于實驗室模型爐膛尺寸較 小，聲波傳播時間短，需要較高的聲波數(shù)據(jù)采樣頻率，開始采用循環(huán)采樣的A/D卡，每通道 采樣頻率最多只能達到100kHz，經(jīng)實驗達不到所需的約10-6的精度要求，后采用同步采集 卡，每通道采樣頻率達240kHz，使聲波法重建結(jié)果有所改善。設(shè)計適合模型實驗要求的拾音器及壓電揚聲器。對拾音器要求放大倍數(shù)適中，揚 聲器功率適當(dāng)大，使得所接收到的聲波信號有較大的信噪比，有利于信號的有效辨識。對速度場重建算法和程序進行了大量深入細致的調(diào)試和優(yōu)化，使重建結(jié)果更趨合
理可靠。研究了不同的重建算法，一是Helmholtz矢量分解定理，質(zhì)量守恒及Newmarm邊界 條件等物理定律和條件基礎(chǔ)上的一般場重建，一是將四角切圓場簡化為由六個參數(shù)確定的旋轉(zhuǎn)場模型，實踐證明，兩個模型各有優(yōu)勢，后者更易于進行近似的重建。針對現(xiàn)場實驗中實際爐膛尺寸，應(yīng)重新設(shè)計拾音器的關(guān)鍵參數(shù)，使其信號放大倍 數(shù)相適宜。同時根據(jù)預(yù)先的計算及測距實驗，將更換揚聲器的功放由原來的12V電源更換 為MV電源，其有效傳播距離預(yù)計可滿足現(xiàn)場實驗要求。另外，A/D卡的采樣頻率的要求對 于實際爐膛有所降低，因為其尺寸為實驗室模型的約14倍，這樣在同為冷態(tài)情況下，傳播 時間具有相當(dāng)?shù)谋壤酝瑯拥牟蓸涌?，其相對精度也有約14倍的增大?？傊?，聲波法用于測量爐內(nèi)空氣動力場是可行的，且在硬件系統(tǒng)及重建算法得以 優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可以較好地測量出爐內(nèi)斷面氣流速度場的分布。而在系統(tǒng)得到進一步完善 的情況下，將使聲波法測量更為理想。已有的實驗室實驗及現(xiàn)場初步應(yīng)用表明，聲波法爐內(nèi) 斷面速度場測量具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值和前景。圖4、5表示了在所測斷面重建流場的實 施例圖。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置，其特征是在爐膛同一斷面的四壁均 勻設(shè)置8組聲波發(fā)射器( 及聲波接收器(3)，構(gòu)成平面內(nèi)對條交織的聲波傳播路徑，多個 聲波發(fā)射器( 分別通過計算機的I/O卡(6)與功率放大器(1)的輸出端連接，多個聲波 接收器⑶的電源端分別與開關(guān)電源⑷的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡(7) 與計算機( 連接，計算機( 通過D/A卡(8)與功率放大器(1)的相應(yīng)音頻輸入口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法，其特征 是所述I/O卡(6)、A/D卡(7)及D/A卡(8)的采樣頻率均大于240KHZ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法，其特征 是開關(guān)電源⑷的輸入端與220V連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法，其特征 是功率放大器的供電電源(9)的電壓大于MV。
5.一種基于聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場測量裝置的測量方法，其特征是第一步，設(shè) 置采樣參數(shù)；第二步，各聲波發(fā)射器( 依次發(fā)出短促的聲波信號，并由各聲波接收器(3) 接收聲波信號并準(zhǔn)確辨識，采樣模塊A/D卡(7)得到含噪聲的信號數(shù)據(jù)；第三步，信號濾波 去噪，得到有用信號；第四步，計算機(5)調(diào)用信號析模塊計算各路信號相反兩方向的傳播 時間，由每一個聲投射路徑始、末端信號計算得到聲波在該方向的傳播時間；第五步，由各 聲投射路徑上的傳播時間采用矢量層析方法，得到全斷面場的近似氣流速度分布，得到其 切圓的位置大小，重建所測斷面的流場，即斷面二維速度分布場。
全文摘要
一種聲學(xué)法燃燒鍋爐爐膛速度場的測量裝置及測量方法，在爐膛同一斷面的四壁均勻設(shè)置8組聲波發(fā)射器(2)及聲波接收器(3)，構(gòu)成平面內(nèi)24條交織的聲波傳播路徑，多個聲波發(fā)射器(2)分別通過計算機的I/O卡(6)與功率放大器(1)的輸出端連接，所述多個聲波接收器(3)的電源端分別與開關(guān)電源(4)的輸出端連接，其信號輸出端分別通過A/D卡(7)與計算機(5)連接，計算機(5)通過D/A卡(8)與功率放大器(1)的相應(yīng)音頻輸入口連接。本發(fā)明具有實時性，及對連續(xù)場的再現(xiàn)強的優(yōu)點，同時該技術(shù)對所測流場介質(zhì)及環(huán)境沒有要求，具有體積小，便于安裝及系統(tǒng)造價低等特點，特別是在電站大型燃煤鍋爐爐膛溫度場的檢測更具有優(yōu)越性。
文檔編號G01P5/24GK102072966SQ20091027288
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者李言欽, 陳世英 申請人:湖北省電力試驗研究院