聲學測溫基本原理及其在鍋爐爐膛溫度中的應用

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

聲學測溫基本原理

眾所周知,聲波在介質中的傳指速度隨介質溫度的變化而變化。在聲波測距系統中,聲速的變化被當作誤差,并且須得到糾正,但在聲學測溫技術中,正是利用聲速的變化來測量溫度的。

聲學測量方法的原理很簡單。理論上講,聲學測溫所需的裝置就是一個安裝在爐墻一側的聲波發射器與接收器和安裝在另一側的接收器。發射器發出一定頻帶的噪聲信號,被接收器檢測到,利用相關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 單路徑聲學測溫示意圖

1. 波動方程

圖2 波動示意

根據波動學理論,當平面波動沿x軸方向傳播時,波動方程的推導過程為(如圖2所示):設煤質密度為ρ,則這段煤質的質量為為ρdx。設煤質中正應力T,則這段煤質的左面將受到左方煤質施加的作用力T(特殊情況下即為聲壓P)。右面將受到右方煤質的作用力為:

因此,如果這段煤質的振動位移為ξ,振速為μ,則這段煤質的運動方程為:

即

2. 聲速C和溫度T之間的關系

由于聲學原理可知,工業爐內介質可視為無限大、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,實際上相當于厚度相對變化dξ/ξ。設煤質的體積彈性模量為B,則根據B的定義:

由于P=T,則(2)式化為:

上式即為流林煤質中縱波平面方程。又由波動理論可知,沿x軸正向或負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。

再根據理想氣體狀態方程PV=M/m·RT,可得出氣體中聲速C和溫度T之間的函數關系式:

其中,R為理想氣體普適常數,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,C為某種氣體中聲波的速度,Z為某種特定氣體為一常數,對煙道混合氣體為19.08。

又由運動學關系式C=d/t,可得聲學測溫法的基本計算公式:

其中,d為發射/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

由于聲波發射器和接收器這兩點之間的距離是可準確檢測的常數,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用

早在1873年,Mara就第一次提出了利用聲學方法來確定氣體介質的溫度。直到20世紀70年代初,聲學測溫技術才作為一門新興的科學枝術正式被提出。到了80年代該技術才得到深入的研究和發展,主要的奠基人是美國內華達大學的John A Kleppe教授。他在前人的基礎上,做了大量的總結和創新工作。

到了90年代初期,聲學測溫系統在國外已經被開發成了產品,并商業化。被應用到燃煤、燃油火力發電廠、垃圾焚燒爐、化學用品回收鍋爐,水泥回轉窯等工業的熱力過程控制中。在英國,德國,意大利,日本,韓國也受到極大的重視。

加拿大CSI集團公司據此原理研究開發出了名為Boilerwatch的鍋爐爐膛溫度實時監控系統。該系統可以設計成測量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。所測得的數據可以直接輸入場內的分散控制系統(DCS)或輸入計算機供數據顯示和提取,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或提供其他的數據顯示方式。

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

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;
高溫煙氣中聲波頻率越高,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生/接收器的頻率應在12KHz以內;
聲波高溫計的測量結果與抽氣式熱電偶測量結果相差±5%;
用最小二乘法可實現爐膛溫度場的重建。

并提出為適應現場測量需要,今后應改進聲學傳感器的耐熱性,該研究為日木聲學法爐膛溫度測量系統的研究奠定了基礎。

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

日本Gifu大學的Kazunori Wakai等人開發出基于聲波傳感器的垃圾處理爐爐膛溫度測量系統(電聲系統),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,但系統沒有詳細報道。

美國Nevada大學的J.A.Kleppe等人研究開發了聲學高溫測量系統,據稱系統在各種惡劣的、嘈雜的工業環境中可以精確、反復的測量(主要應用在電站鍋爐)。所用發生-接收單元為氣聲系統。既聲發生-接收單元的發生部分以壓縮空氣(工業用氣)經波導管內孔板產生500-2000Hz的寬頻帶聲波,作為系統的聲源。接收部分是用耐腐蝕鎳基合金鋼制成的壓電式傳感器,用來接收發生單元的聲波信號。

同時成立科學工程儀器公司SEI(Scientific engineering Instruments)專門從事聲學高溫計的研究與應用,并在多個國家設有分公司。在中國也曾有其代銷處,但根據調研結果由于該系統安裝復雜,需鋪設專門的管道,聲波發生/接收單元尺寸較大,給現場實際安裝帶來困難,且售價較高等原因在國內一直沒有用戶。

意大利Pisa大學的Mauro Bramanti等人成功研制出一套聲學高溫計叫(電聲系統),通過信號發生器產生一個頻率為1.8K的正弦信號,井由微處理器控制門電路產生一個6.6m的脈沖,經放大后由揚聲器發出,在介質中傳播一定時間后被麥克風接收,再經過放大,濾波,A/D轉換、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了聲學高溫測量系統(電聲系統)。聲波發生/接收器采用同一樣單元結構,通過控制聲波發生/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據,用最小二乘法重建該“典型層面”的二維溫度場圖像。

為增加聲波發生效率和接收效果,聲波發生器采用喇叭形結構,接收器采用容性麥克。聲波發生器和接收器通過鍋爐看火孔等經波導管安裝在爐壁外側,以使聲波發生器/接收器遠離熱源提高系統的耐熱性。該系統在日本武豐市火力發電站1號鍋爐上進行了實驗,得到與熱電偶基術相同的測試結果,結果表明:

(1) 在低溫段聲波高溫計測量結果與熱電偶基本一致,但隨著溫度升高,聲波高溫計測量結果高于熱電偶測量結果,主要原因是受看火孔數量及位置限制,所安裝的聲波發生/接收單元較少,所測量的聲波飛行時間投影數據少,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荷的增加而有所增大。

德國University of Saarland開發了聲學高溫測試系統,并應用于230MW及750MW電站鍋爐溫度場檢測,給出了測量系統的基本結構,現場實時測試數據及溫度場重建圖像。

日本日立公司今田典幸等開發了基于聲波的電站鍋爐爐膛溫度場檢測系統(電聲系統)。實際應用在工業小型集中供暖鍋爐爐內溫度場的測量,造紙廠回收鍋爐及發電廠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煙氣流速測量系統,控制污染物排放。

佐伯正裕對爐腔內聲波飛行時間的測量方法進行了一定的研究。提出通過向爐膛發不同頻率的正弦波,測量各種頻率下輸入信號和穩定狀態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鍋爐內的實際燃燒噪聲。

華北電力大學的張曉東、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果的偏差迅速增大,井導致多次測量結果不穩定,不能達到測溫的目的。