基于声发射技术的锅炉“四管”泄漏检测系统

【摘 要】针对电厂中锅炉“四管”泄漏时产生的广义声发射现象，对空间声场分布和声发射信号进行了分析研究。通过采集这种声发射信号并分析处理，建立了检测锅炉“四管”泄漏的检测系统，即锅炉炉管泄漏自动报警系统，给出了检测系统的软、硬件设计。该系统能够实现对锅炉炉管泄漏的早期测报，并判断出泄露的区域位置及泄漏程度，防止事故扩大，减少经济损失。

【关键词】声发射；泄漏；设计

电站锅炉的水冷壁、过热器、再热器、省煤器，简称锅炉“四管”，是锅炉的主要受热面。随着电站锅炉的大型化及运行参数的提高，导致锅炉“四管”爆破及泄漏事故发生。国内外先进的检测锅炉“四管”泄漏的方法是通过声波传感器捕捉炉管内高压流体泄漏喷射所形成的噪声，即采用声发射技术达到检测炉管早期泄漏的目的。

一、炉管泄漏声发射检测基本原理

锅炉在运行时，炉内管道充满高温、高压介质。管道因材料腐蚀老化或其他外力作用产生裂纹或者腐蚀孔，管道内外存在压力差而使管道中的流体向外泄漏。如果发生泄漏，这些高温、高压介质就会通过裂缝或破口喷射出来形成喷流。喷流流入周围环境气流时，高速喷流介质和周围环境介质急剧混合，从而使得射流边界层形成强烈的湍流脉动，产生喷流混合噪声。另外，泄漏同样也会在管道中激发出应力波，然后通过管道的相互作用，声源向外辐射能量形成声波。这就是管道泄漏声发射现象。通过仪器对这些因泄漏引起的声发射信号进行采集和分析处理，就可以对泄漏以及其位置进行判断。由于炉管泄漏时破口形状各异，会对空间声场的分布规律产生一定影响。另外，炉管的阵列结构、温度场和流场等物理因素对声音信号空间传播的影响，使得炉内声学环境参数异常复杂。而且工程现场背景噪声非常复杂，其包含复杂分布的噪声，而且系统本身中的电子器件也将引入噪声，如电磁噪声、热噪声等，所以需要通过先进的数字信号处理技术，降低系统的虚警率，提高系统对泄漏的识别率。

二、炉管泄漏自动报警硬件系统

锅炉炉管泄漏自动报警装置是集锅炉、声学、电子、计算机、机械等多学科技术，根据炉型特点，将特制的声波传感器组安装在锅炉本体的相应部位，利用声学检测原理由传感器采集炉内各种声信号，并转换成电流信号；通过高性能的数字滤波技术，剔除背景噪声；检测报警系统经频谱分析得到声信号的频谱，并以棒图形式显示；通过声场能量分析，对噪声强度、频谱特征及持续时间的分析计算判断锅炉炉管是否发生泄漏。实现对锅炉炉管泄漏的早期测报，并判断出泄漏的区域位置及泄漏程度。如图1所示为炉管泄露自动报警系统原理图。

图1 炉管泄露自动报警系统原理图

系统的硬件设计应以能最大限度地捕捉泄漏信息作为检测的标准，同时兼顾维护和檢修方便。与以往相比，硬件系统的设计和实现周期大大缩短。硬件配置主要包括增强型声波传感器、声波传导管、泄漏检测专用主机（CPU、硬盘、内存、数据采集卡、监听卡、DI/O卡）、彩色喷墨打印机、彩显、军工级线性电源、信号电缆、配件（预制电缆、金属软管、硬管变径管接头）等等。

增强型声波传感器用来接收炉膛内（包括炉管泄漏噪声）的所有声音信号。理想的传感器应具有较高的灵敏度、宽而平直的频率特性、足够的动态范围、良好的长期稳定性、小巧的体积等特点，同时满足没有指向性的要求，以免干扰被测量的声场。此外，由于炉膛内特定的燃烧环境，检测系统的传感器还需具备防水、防尘和耐高温的特性。在设计的这个锅炉炉管泄漏自动报警系统中，采用的传感器是XLB增强型声波传感器。

监测系统采用国际标准机箱，分为中心处理单元及显示报警单元，安装在立屏上或组合在机柜中。在进行A/D转换之前和D/A转换之后需要对信号进行调理，这些电路称为外围电路。外围电路主要完成多路转换、信号放大、抗混叠滤波、采样保持、平滑滤波等功能。而在此系统的设计中，在此处的信号调理中我们主要采用一个抗混叠滤波器对信号进行滤波调理。

多通道高速A/D采集卡将增强型声波传感器传输过来的电流信号采样，转换成数字量信号，通过总线送到主处理板，进行快速付里叶变换，得出实时频谱棒形图及趋势图的变化，针对泄露特有的频谱模式，经判断后进行泄漏报警。同时具有历史追忆功能，用于报警后数据分析。另外对测点处背景噪音的数据进行处理，用于传导管堵灰判断。

三、炉管泄漏自动报警软件系统

软件系统主要完成如下功能：数据采集卡的控制、数据的处理、人机对话及数据的存储、删除等。如上所述，在设计本系统时，认为硬件只负责采集数据，而数据的分析和处理等主要功能就由软件来实现。所以，本系统的设计目标软件完成系统的大部分重要功能。如图2所示为炉管泄露自动报警系统软件流程图。

图2炉管泄露自动报警系统软件流程图

锅炉在运行时存在各种各样的噪声源，如炉膛的燃烧噪声、燃烧器的射流噪声、烟气横掠管束的风吹声、吹灰器的噪声以及其它机械噪声等，而且在不同负荷下运行的锅炉以及运行的不同时刻都有可能使背景噪声发生变化。因此，在实际检测声发射信号中，对所获得的信号进行滤波处理是必不可少的。

在信号处理时我们使用高性能的数字滤波技术对采集到的信号进行滤波处理，因为炉管内的背景噪音主要是低频信号，而泄露信号主要集中在中高频段，所以我们可以设计一个高通数字滤波器剔除背景噪音。炉管内的声音信号是一个随时间变化的连续信号，声波的振幅表示声音信号的强弱程度。声波的频率反映出声音的音调，高频信号声音尖锐，低频信号声音低沉。通常，我们认为小于300HZ的频率为低频信号，大于300HZ小于1000HZ的频率为中频信号，大于1000HZ的频率为高频信号。同时具体设计也是要根据实际的炉膛噪音的基本情况来定的。

在实际中提取出传统的声发射参数如事件计数、振铃计数等是非常困难的。总的来说，锅炉“四管”泄漏的声发射信号具有如下特点：

1.时域上与通常意义上的声发射波形是很不相同的，即不表现为衰减的一系列波包，从波形上提取上升时间、到达时间和波形的模态参数是非常困难的；

2.泄漏所激发的声发射信号频域上是一个有相当带宽的信号，而且频谱具有很陡的尖峰，与背景噪声的分布差别较大，这个特点为检测泄漏提供了有利的抗干扰条件；

3.泄漏所产生的声发射信号比较强，其幅度大小与泄漏速率成正比，与信号的均方根值成正比；

4.在烟气中传播的泄漏信号为连续型信号。

借助于傅里叶变换，信号通常可以分解为若干不同频率的正弦分量的线性组合。其中每个正弦分量都具有各自的频率、幅度和相位。组成信号的所有正弦分量，其幅度和相位都随频率变化就构成了信号的频谱，时频信号与频谱一一对应。从频谱的角度对信号进行分析称为信号的频域分析。频谱是信号在频域的一种表现形式，反映了信号的频率特性。通过傅里叶变换结果的实虚部可转换成幅值谱和相位谱。

四、结论

锅炉“四管”的爆破泄漏事故是火力发电厂最频发的事故，是影响机组稳定可靠運行的关键因素。通过研究表明，锅炉“四管”泄漏的喷流噪声可以认为是广义的声发射信号，其峰值频率主要和喷流介质的出口速度的喷口尺寸有关。虽然采用滤波器可以去除一部分噪声，但锅炉运行时背景噪声复杂多变，而且所采集的声发射信号也可能是在炉内多次反射叠加的结果。所以，怎样最大的去除背景噪声，对空间声场分布进行详细研究，才可以尽可能地对声发射信号本身进行分析，从而提高泄漏信号的识别率。

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作者简介：

张里阳（1987.08），男（汉），山东青岛人，助理工程师，研究方向为热工自动化及其控制系统。