基于声波在线监测系统在超超临界锅炉中的应用

邱思昱

基于声波在线监测系统在超超临界锅炉中的应用

邱思昱

（天津国投津能发电有限公司，天津 300480）

分析了某发电有限公司使用的声波在线监测系统的工作原理及使用现状，根据工控技术的发展进程，提出了将多通道信号处理主机微型化、集成化，对采集到的音频信号进行优化分析，实现在复杂背景中区别喷流噪声信号，有效地提高设备可靠性、抗干扰性以及定位的精准性。

声波检测；声波定位；炉管泄漏

某发电有限公司一期两台机组为2*1000MW超超临界Π型直流炉，锅炉自2007年投运至今，出现过多起承压管泄漏事件。由于装备有声波在线监测系统，能在泄漏发生的早期及时的发出报警信号，使得运行人员能够掌握泄漏情况并及时调整机组负荷，避免出现跳停对电网及设备造成冲击，影响设备寿命及经济效益。本文从声波在线监测系统的原理入手，主要分析其在超超临界Π型直流炉中的应用。

1 工作原理

声波在线监测系统主要是利用布置在锅炉水冷壁外部的多个声波导管、声波传感器以及位于电子间的数字信号处理系统，来实现在线监测和诊断锅炉炉膛内存在的声音频率、声音强度及声音持续时间等方面的特征，来判断炉膛内部是否发生泄漏。

超超临界Π型直流炉内的背景噪声主要分布在相对固定的低频段：燃烧器噪声：250～600Hz，燃烧器射流噪声：100Hz以下，炉膛内烟气冲刷锅炉水冷壁、分隔屏过热器、省煤器等管排所产生的湍流噪声：31～69Hz，吹灰器噪声：850～3000Hz。由于采用的声波在线监测系统的工作频率范围为200～15kHz，故而可直接排除燃烧器射流噪声及烟气冲刷引起的湍流噪声的影响。

1.1 炉管泄漏原理

直流锅炉管排发生破损的主因是金属管壁磨损或者金属疲劳产生裂隙或裂纹，泄漏发生时，炉管内流动的高温高压流体在炉管内外巨大的压力差（可达到26MPa）作用下通过裂隙喷射出来而形成喷流[1]，其理想化模型图如图1所示。

图1 喷流模型结构图

在超超临界直流炉中，位于炉内管排上的管道破裂所产生的多数喷流噪音，来源于过度及混合区内的湍流。高频喷流噪音主要产生于裂口附近，随着与裂口距离的增大，噪音频率迅速降低；频谱频率的峰值则产生于核心喷流的尖端[2]。

由图1可知，当泄漏发生时，通过探头采样到的音频中会出现频带较宽的高频背景噪音信号，正因为泄漏声波信号与炉膛内存在的背景噪音两者之间有着信号强度与信号频谱这两方面的主要差别，故而使用在线监测炉膛内部的声波信号特征来达成在线监测炉膛内外各个管路的状态，以判断是否存在泄漏的可能。

目前对泄漏音频检测捕捉的实现途径中主要有两种：（1）声波传感器通过炉膛内部的空气场检测到泄漏源音频的检测技术。（2）声波传感器通过水冷壁上的炉管的声波传递检测出泄露音源的检测技术。该厂目前采用的是第一种检测技术，从国内外的应用时长及应用效果来看，较为可靠。

1.2 定位原理

相较于之前采用的区域泄漏模糊报警+人工就地辨音的定位方式，新一代的声波在线监测系统对泄漏音频的定位是基于多传感器阵列的被动定位方法来实现的，能够以远程辨音的方式替代人工就地辨音，并在半径12m的半球空间检测范围内内实现半径4m的半球范围分辨率，其工作原理是：将声波传感器所采集到的来自炉膛内部的音频信号传送至机架式工控机，并在工控机内转化成数字信号之后，利用算法进行频谱特征分析，得出其空间坐标，是一种基于TDOA即声达时间差的定位技术[3]。在诸多的声波元件布置方式及计算方法中又以四元阵列模型具有较易在工程上进行实现，也便于定位计算：

图2 阵列定位原理图

（1）漏点在过热器的情况。泄漏音频信号源的方向与距离，可以依据极坐标系与直角坐标系、声音程差公式以及直角坐标系中两点间的距离公式[4]，表示为

（2）漏点在水冷壁的情况。依照同一坐标系中任意两点之间的间距公式以及声音程差公式简化后可以得出

为取得最终的漏点位置坐标，在此使用数据融合法进行归纳求解，用以解决使用阵列对炉管漏点的定位计算会存在多组不同解的问题。

由于超超临界直流锅炉实际运行环境中存在的不确定因素较多，所引起的误差较大，还需要基于大量实验对计算结果进行修正，才能得到实际的坐标，节约机务检修人员的定位时间及定位的准确性，利于提高锅炉“四管”防磨防爆工作的效率、质量并排除潜在隐患[5]。

1.3 频谱及功率谱分析

声波传感器通过采集炉膛内基于空气传播的音频信号，再经过机架式工控机对采集到的音频信号进行FFT即快速傅里叶变换和频谱分析，以实现在复杂的背景噪声信号中区别出喷流噪声信号并进行捕捉：

用户首先在本系统注册，提交完注册信息后就拥有注册用户初试积分，同时用户所在主机会在对系统内的主机发送请求，提出电子数据上传操作，并获取到系统其他主机的性能，计算出系统所有主机性能评分情况。然后系统会根据用户设定的电子数据分片数目，将数据进行分片并将其进行存储分发，同时将文件分片信息写入到区块链中，并更新用户在区块链上对应的积分数值，具体如图5所示。

离散功率谱的计算目的是通过对信号所蕴含的能量在频域中分布情况的描述，能够精准分辨出采样到的信号所蕴含的能量在哪段频率中所占的百分比最高，公式如下[6]

在此基础上对其执行跟踪分析的策略，并在信号达到阈值后发出告警。为了区别蒸汽吹灰器及声波吹灰器的干扰，在投入蒸汽吹灰时以“吹灰器投运”的报警方式将信号进行整体剔除，而来自声波吹灰器的干扰则通过频谱特征予以剔除。

2 硬件系统构成

某发电有限公司一期两台超超临界直流炉所采用的声波在线监测系统主要由音频信号采集系统、数字信号处理监视系统及声波导管除灰系统三部分构成[7]。

2.1 信号采集系统

依据电力设计院《测点布置图》的规定，布置在锅炉水冷壁及炉顶大包区域的声波导管，主要用来联通声波传感器和炉膛内环境，以便于提供来自炉膛内音频信号的传播通道，采集到更为真实的锅炉内部音频信号（图3所示）。

图3 信号采集系统

将采集到的炉膛内音频信号转换成信号处理系统能识别的电流信号的声波传感器被安装在声波导管尾部。通过高保真通讯电缆，将采集到的信号传输到部署在电子间机柜内的，由信号处理、声频采集和自检测试三部分组成的信号处理监视系统。

2.2 信号处理监视系统

随着计算机技术的不断发展，信号处理监视系统已经由早期的使用“带通滤波”法的带有多通道卡件的信号处理主机的1代产品，发展为高度集成第1代产品中“电子间信号处理主机”和其相关的接线板，提高了设备在高盐碱环境中长期运行的可靠性且降低杂波干扰的第2代产品。其优势在于将所有的信号处理板卡微型化并集成在工控主机箱内，依据功能的不同，分成监听采样卡、高性能数字采集卡和DI/DO卡这三块卡件。监听采样卡：1.将声波传感器采集到的电流信号，再通过100Ω采样，转换为所需的电压信号，传输至高性能数据采集卡。2.将转换后的电压信号再还原成音频信号，再通过位于工控机在线监测软件内HMI中监听选择画面，来达成在线监听超超临界直流炉炉膛内的各种音频的最终目的。

高性能数字采集卡，通过多芯电缆构成的带屏蔽的数据总线，将声波传感器采集到的模拟信号转换成为数字信号之后，利用系统IO通道传输至主数据处理板。并在主数据处理板处进行FFT即快速傅里叶变换，生成间隔为300Hz的实时棒形频谱图以及运行趋势图，并在跟踪此两种图形的变化的基础上，针对超超临界直流炉炉管泄漏的功率谱及频谱特征，进行甄别报警。系统在加入追忆历史功能之后，可以实现报警发出后的数据分析。对于声波传导管的堵灰判断，则是在基于各个测点处背景噪音的数据处理后实现的。

DI/DO卡主要用于实现DCS光字牌报警、蒸汽吹灰状态抑制、气源清灰电磁阀控制和传感器自检功能。

2.3 除灰系统

该子系统的吹扫动力气源从仪用压缩空气母管一次门后引出，通过布置在现场的直流低压常闭电磁阀来控制每个吹扫支管，每个支管负责4个测点的吹扫工作，用以清理声波传导管内的积灰，避免由于声波传导管堵塞导致声波传感器无法采集到炉膛内部的背景声音。

3 实际应用效果

单柱状图用以显示带宽为300Hz频段内的音频信号能量总和，横坐标为200Hz～15kHz范围区间频谱分布情况，纵坐标用分贝值表示采集到的信号的能量大小（图4）。当纵坐标能量过高时，且持续一定时间（吹灰状态除外），即检测到泄漏状态，同时在DCS系统的光字牌中发出报警（图5）。

4 结束语

该厂多年的运行经验来看，声波在线监测系统为超超临界Π型直流炉提供了有效的实时监测手段，能够提供早于人工巡检的8～10h的报警，使得运行监盘人员能够掌握泄漏情况并及时调整机组负荷，避免出现跳停对华北电网及设备造成冲击，影响设备使用寿命及频繁启停带来的机组发电煤耗的增长。尤其是基于第二代技术的声波在线监测系统，能够较第一代提供更高的MTBF（平均无故障时间）。

图4 信号频谱分布图（单通道/实时）

图5 单通道泄漏能量图

[1] 王利平. 大容量锅炉“四管”爆漏分析及检测技术[J]. 东北电力技术，1997, 2(13): 19-23.

[2] 沈国清，张世平，安连锁，等. 电站锅炉炉管泄露数值模拟及定位算法的研究[J]. 动力工程学报，2014, 9: 678-684.

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[7] 赵娜. 杨柳青热电锅炉炉管泄漏监测系统应用分析[J]. 华电技术，2018, 7: 25-28, 34.

Application of digital acoustic detection system in ultra supercritical boiler

QIU Si-yu

(Tianjin SDIC Jinneng Power Generation Co., Ltd. Tianjin 300480)

This paper analyzes the working principle and application status of acoustic on-line monitoring system which some power generation co., Ltd had been used, and according to the development process of industrial control technology,the miniaturization and integration of multi-channel signal processing host can be proposed.To optimize and analyze the collected audio signal,can distinguish jet noise signal in complex background,it also can improve equipment reliability, anti-interference and positioning accuracy effectively.

acoustic detection；acoustic positioning；boiler pipe leakage

2022-02-20

邱思昱（1984-），黑龙江齐齐哈尔人，工程师，工程硕士，主要从事电站热工控制系统研究，qiusiyu_1984@hotmail.com。

TM75

A

1007-984X(2022)04-0025-04