一种基于声学法的炉膛温度场重构装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于声学法的炉膛温度场重构装置及方法，包括设置锅炉炉膛内设置若干个声波发生器及与声波发生器相适配的声波拾取器；声波发生器和声波拾取器上设置有位移检测装置，位移检测装置连接设置有数据采集传输装置；还包括和数据采集传输装置、声波发生器、声波拾取器相接的数据处理中心；声波发生器和声波拾取器位于炉膛同一个截面上，声波发生器和声波拾取器构成的声波传递路径分布成平面网络状。本发明专利技术能够有效解决现有基于声学法的炉膛温度场重构装置及方法在温度场重构时，温度场的重构精度低，影响到运行人员的操作，进而影响锅炉运行的经济性和安全性的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及炉膛温度场重构领域，尤其涉及一种基于声学法的炉膛温度场重构装置及方法。
技术介绍
在利用锅炉燃烧化石燃料或其他燃料来产生热能或其他二次能源的过程中，炉膛温度场的分布情况是反映燃烧过程、污染物生成情况、设备状态的重要参数，对于锅炉控制和燃烧诊断具有十分重要的意义，还直接影响到锅炉的经济性、安全性和环保性能。由于炉膛中的燃烧过程具有瞬变性、随机湍流和环境恶劣等特征，给有关热物理量场参数的测量带来了困难，尤其是温度分布的测量更加困难。传统的测温技术上采取高温热电偶的方法对燃烧或者烟气以及其他高温环境进行测量，受元件材料高温性能的限制和影响，只能做短时间的测量，无法实现在线的监测。声学测温法作为一种基于声学理论的锅炉燃烧在线监测的新型温度测量技术，受外部条件的影响小，适用于各种高温、腐蚀、多尘的恶劣环境。声学测温法能够给出整个炉膛温度场的各部分准确的温度数据，能够对炉膛温度场进行连续测量；具有测量精度高、测量范围广、实时监测和远程控制等诸多优点。声学测温方法的基本原理是基于声波在气体介质中的传播速度是该气体组分和绝对温度的函数，其关系可表示为式中，C为介质中声波传播速度，L飞渡路径的长度，τ为声波的飞渡时间，α为与介质有关的常数，T为介质的绝对温度。使用采用声学法准确测定炉内介质温度时需要确定(1)声波发射和接收装置之间的飞渡路径的长度L；(2)声波在发射、接收装置之间的飞渡时间τ。声学测温方法的声波发射和接收装置安装于锅炉的炉壁上。锅炉的炉壁是由各种复杂的管系和钢结构组成的整体，受热后将产生膨胀。在锅炉热态运行时，冷态安装好的炉壁要膨胀变形；炉内受热面的结构和热负荷不同，汽水管道结构及内部工质热力参数不同，产生的膨胀量也不同，无法用函数精确表示，且这种膨胀是动态变化的。这导致锅炉热态运行时声波发射和接收装置间的相对位置会经常发生变化，即声波发射和接收装置之间的飞渡路径的长度是动态变化的。现有的声学法炉膛温度场重构系统及其方法，系统无法检测声波发射和接收装置间的相对位置变化情况，在对温度场重建时将飞渡路径的长度视为冷态安装时的长度值或者采取估值补偿的方法。如果温度场重构时仍将各声波飞渡路径的长度按照冷态安装时的飞渡路径长度进行处理、或者按有限经验进行估值补偿，势必会降低温度场重建的精度，温度场测量的不准确直接影响到运行人员的操作，进而影响锅炉运行的经济性和安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于声学法的炉膛温度场重构装置及方法，解决现有声学法炉膛温度场重构系统及其方法存在的如下问题：现有的声学法炉膛温度场重构系统及其方法无法检测声波发射和接收装置间的相对位置变化情况，在对温度场重建时将飞渡路径的长度视为冷态安装时的长度值或者采取估值补偿的方法。如果温度场重构时仍将各声波飞渡路径的长度按照冷态安装时的飞渡路径长度进行处理、或者按有限经验进行估值补偿，势必会降低温度场重建的精度，温度场测量的不准确直接影响到运行人员的操作，进而影响锅炉运行的经济性和安全性的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于声学法的炉膛温度场重构装置，包括设置在锅炉炉膛内的若干个声波发生器及与声波发生器相适配的声波拾取器；声波发生器和声波拾取器上设置有位移检测装置，位移检测装置连接设置有数据采集传输模块；还包括和数据采集传输模块、声波发生器、声波拾取器相接的数据处理中心；声波发生器和声波拾取器位于炉膛同一个截面上，声波发生器和声波拾取器构成的声波传递路径分布成平面网络状。优选的，声波发生器包括用于将声学信号转换为电能信号的换能探头和用于实现信号的放大和滤波功能的信号调整电路板；位移检测装置为激光测距仪。优选的，数据处理中心设置有自适应滤波器，该自适应滤波器为多通道型数字带通滤波器。优选的，数据采集传输模块为基于Linux内核的嵌入式系统，其处理器采用ARM11内核；该嵌入式系统中内置了16位模数转换器，模数转换器的采样频率为100KHz；嵌入式系统还配置有可实现基于TCP/IP协议的网络通信的RJ45接口。优选的，声波发生器为气动式声波发生器，声强在140dB以上；换能探头为传声器，信号调整电路板内置转折频率为2KHZ的高通滤波器。一种基于声学法的炉膛温度场重构方法，包括如下步骤：步骤(1)：将若干声波发生器和声波拾取器设置在锅炉炉膛的同一截面上，声波发生器和声波拾取器之间的飞渡路径分布程平面网络状；通过位移检测装置测量出炉膛冷态时各声波发生器、声波拾取器间与该层锅炉平面安装基准点间的距离及方位角信息数据，并将相应的数据通过数据采集传输模块录入数据处理中心；每个声波发生器、声波拾取器均设置有位移检测装置，各位移检测装置以冷态时设定的参考位置为工作原点；；声波发生器的主发声频率在2～16KHZ，具有多个相隔1KHz以上的谐波；步骤(2)：在炉膛热态时，数据中心依照设定的时序控制各个声波发生器依次发声，并实时通过数据采集传输模块读取各位移检测装置的位移数据；步骤(3)：数据中心每次获取各位移检测装置的位移数据后，根据步骤(1)获取的炉膛冷态时各声波发生器、声波拾取器与该层锅炉平面安装基准点间的距离及方位角信息数据，使用几何学算法通过各位移检测装置的位移数据计算出该发声时刻声波发生器和声波拾取器之间的实时距离；步骤(4)：数据处理中心每次通过声波拾取器获取完声波波形信号后，经过自适应滤波器滤波后，通过归一化型互相关算法计算出各飞渡路径上的飞渡时间；步骤(5)：数据中心根据步骤(3)获取的热态飞渡距离和步骤(4)获取的飞渡时间计算出各飞渡路径上的声波平均速度；步骤(6)：数据中心根据步骤(5)获取的各飞渡路径上的声波平均速度通过温度场重构算法重构出炉膛内的温度场分布。进一步，步骤(3)所述热态飞渡距离得到方式如下：热态飞渡距离得的简化计算方式如下：其中L1为冷态时以该锅炉平面安装基准点为参考点的各声波发生器和声波拾取器之间的距离；ΔX1为第一测点的热态横向位移；ΔY1为第一测点的热态纵向位移ΔY1；ΔX2为第二测点的热态横向位移；ΔY2为第二测点的热态纵向位移。进一步，步骤(4)所述飞渡时间通过归一化型互相关算法计算得到，自适应滤波器先对每次声波信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析，抽取其中若干个幅度峰值处所对应的频率数值Fi(n＝1，2，...n)，选择幅度最高的3个频率值；构造以峰值频率值为中心频率的FIR型带通滤波器，所述的FIR型带通通滤波器具有的差分方程形式，通过调整bk序列的参数值构造N个带通范围为Fi±0.1khz，滚降率大于120dB的带通滤波器；使用生成的N个滤波器依次对每个声波拾取器的采样数据段进行滤波，对第i个声波拾取器的采样数据段Si进行滤波后得到N份经滤波后的数据对滤波后的每个数据段使用进行规约化得到对应的规约化数据段其中：Floor()表示向下取整，Vi为数据段中第Ti时刻点处对应的数值，MIN为该段数据中的最小值，MAX为该段数据中的最大值，A为规约的范围值；将一条路径上对应于声波发射点和声波接收点的规约化数据按照上标匹配的方式进行分组，将对应于声波发射点的规约化数据为对应于声波接收点的规约化数据为将其分组为共计N组数据，将每个分组数据用于互相关算法中求取该组数据对应的飞渡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：包括设置在锅炉炉膛内的若干个声波发生器及与声波发生器相适配的声波拾取器；声波发生器和声波拾取器上设置有位移检测装置，位移检测装置连接设置有数据采集传输模块；还包括和数据采集传输模块、声波发生器、声波拾取器相接的数据处理中心；声波发生器和声波拾取器位于炉膛同一个截面上，声波发生器和声波拾取器构成的声波传递路径分布成平面网络状。

【技术特征摘要】
1.一种基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：包括设置在锅炉炉膛内的若干个声波发生器及与声波发生器相适配的声波拾取器；声波发生器和声波拾取器上设置有位移检测装置，位移检测装置连接设置有数据采集传输模块；还包括和数据采集传输模块、声波发生器、声波拾取器相接的数据处理中心；声波发生器和声波拾取器位于炉膛同一个截面上，声波发生器和声波拾取器构成的声波传递路径分布成平面网络状。2.根据权利要求1所述的基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：声波发生器包括用于将声学信号转换为电能信号的换能探头和用于实现信号的放大和滤波功能的信号调整电路板；位移检测装置为激光测距仪。3.根据权利要求1或2所述的基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：数据处理中心设置有自适应滤波器，该自适应滤波器为多通道型数字带通滤波器。4.根据权利要求3所述的基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：数据采集传输模块为基于Linux内核的嵌入式系统，其处理器采用ARM11内核；该嵌入式系统中内置了16位模数转换器，模数转换器的采样频率为100KHz；嵌入式系统还配置有可实现基于TCP/IP协议的网络通信的RJ45接口。5.根据权利要求4所述的基于声学法的炉膛温度场重构装置，其特征在于：声波发生器为气动式声波发生器，声强在140dB以上；换能探头为传声器，信号调整电路板内置转折频率为2KHZ的高通滤波器。6.一种基于声学法的炉膛温度场重构方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)：将若干声波发生器和声波拾取器设置在锅炉炉膛的同一截面上，声波发生器和声波拾取器之间的飞渡路径分布程平面网络状；通过位移检测装置测量出炉膛冷态时各声波发生器、声波拾取器间与该层锅炉平面安装基准点间的距离及方位角信息数据，并将相应的数据通过数据采集传输模块录入数据处理中心；每个声波发生器、声波拾取器均设置有位移检测装置，各位移检测装置以冷态时设定的参考位置为工作原点；声波发生器的主发声频率在2～16KHZ，具有多个相隔1KHz以上的谐波。步骤(2)：在炉膛热态时，数据中心依照设定的时序控制各个声波发生器依次发声，并实时通过数据采集传输模块读取各位移检测装置的位移数据；步骤(3)：数据中心每次获取各位移检测装置的位移数据后，根据步骤(1)获取的炉膛冷态时各声波发生器、声波拾取器与该层锅炉平面安装基准点间的距离及方位角信息数据，使用几何学算法通过各位移检测装置的位移数据计算出该发声时刻声波发生器和声波拾取器之间的实时距离；步骤(4)：数据处理中心每次通过声波拾取器获取完声波波形信号后，经过自适应滤波器滤波后，通过归一化型互相关算法计算出各飞渡路径上的飞渡时间；步骤(5)：数据中心根据步骤(3)获取的热态飞渡距离和步骤(4)获取的飞渡时间计算出各飞渡路径上的声波平均速度；步骤(6)：数据中心根据步骤(5)获取的各飞渡路径上的声波平均速度通过温度场重构算法重构出炉膛内的温度场分布。7.根据权利要求6所述的基于声学法的炉膛温度场重构方法，其特征在于：步骤(3)所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一平，杨庆峰，蒲学森，伍建平，马祥，陈建均，肖先勇，
申请(专利权)人：深圳东方锅炉控制有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44