偽隨機(jī)序列聲源信號(hào)在電站鍋爐聲學(xué)測(cè)溫中的應(yīng)用

張世平， 安連鎖， 李庚生， 沈國清， 馮 強(qiáng)， 鄧 喆

（華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

電站鍋爐中高溫?zé)煔獾臏囟仁侨紵?jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是鍋爐啟動(dòng)和正常運(yùn)行過程中非常重要的操作參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程的有效控制，必須對(duì)高溫?zé)煔獾臏囟确植歼M(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量.聲學(xué)測(cè)溫是一種非接觸式高溫測(cè)量方法，是少數(shù)幾種能夠得到大量溫度信息而投入要求較低的技術(shù)之一［1］.目前，國外已經(jīng)有成型的產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用［2］，而國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)室研究階段［3－4］.由于鍋爐爐膛燃燒環(huán)境的復(fù)雜性，該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用還存在一定困難［5］.近年來，偽隨機(jī)序列越來越受到人們的重視，其應(yīng)用范圍越來越廣，包括導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船等的軌道測(cè)量和跟蹤，雷達(dá)、導(dǎo)航、一般通信和保密通信、通信系統(tǒng)性能的測(cè)量以及其他方面［6］.筆者在以往研究的基礎(chǔ)上開發(fā)了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)，引入偽隨機(jī)序列聲源信號(hào)，并成功將其應(yīng)用于國內(nèi)200MW及300MW鍋爐上，獲得了大量的寶貴數(shù)據(jù)，為聲學(xué)測(cè)溫在國內(nèi)的推廣提供了重要的參考.

1 聲學(xué)測(cè)溫原理

聲學(xué)測(cè)溫是根據(jù)聲波在介質(zhì)中的傳播速度來間接得到介質(zhì)的溫度，兩者關(guān)系如下［7］：

式中：v為介質(zhì)中聲的傳播速度，m／s；L為測(cè)點(diǎn)間距離，m；τ為聲波飛渡時(shí)間，s；R 為通用氣體常數(shù)，J／（mol·K）；γ為氣體的絕熱指數(shù)（比定壓熱容與比定容熱容之比值）；T為氣體溫度，K；m為氣體分子質(zhì)量，kg／mol.

2 偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生原理

如果一個(gè)序列，一方面它是可以預(yù)先確定并且可以重復(fù)生產(chǎn)和復(fù)制的，另一方面它又具有某種隨機(jī)序列的隨機(jī)特性（即統(tǒng)計(jì)特性），這種序列便稱為偽隨機(jī)序列［8］.偽隨機(jī)序列是一種周期序列，具有均衡性、游離分布性及隨機(jī)性.偽隨機(jī)序列還具有雙值自相關(guān)函數(shù)的特性，即

式中：P為序列的周期（或長度）；K＜1.

當(dāng)K接近0時(shí)，這種雙值自相關(guān)函數(shù)特性很接近白噪聲的自相關(guān)函數(shù)特性，只是幅度概率不再服從高斯分布.偽隨機(jī)序列具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)，周期足夠長，可確保其抗干擾，編碼足夠多，工程上易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制.

偽隨機(jī)序列一般由反饋移位寄存器構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，an，an－1，an－2，…，a3，a2，a1分別是第一級(jí)，第二級(jí)，…，第n級(jí)存儲(chǔ)器.其中，a1只取“0”或“1”兩種狀態(tài)，使之成為二元，在時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，各存儲(chǔ)器的狀態(tài)依次右移輸出成一個(gè)序列.

圖1 移位寄存器工作原理Fig.1 Working principle of the shift register

筆者采用偽隨機(jī)序列中采用最多的m序列進(jìn)行研究，m序列又稱最長線性反饋移位寄存器序列，可由線性反饋移位寄存器生成.

線性反饋移位寄存器的反饋邏輯函數(shù)為：

式（3）稱為線性反饋移位寄存器的聯(lián)級(jí)多項(xiàng)式.聯(lián)級(jí)多項(xiàng)式是本原多項(xiàng)式時(shí)，n級(jí)線性反饋移位寄存器將產(chǎn)生m 序列［9］.

采用Carnegie Mellon大學(xué)Philip Koopman教授推算的本原多項(xiàng)式，利用Matlab和Labview混合編程，并根據(jù)移位寄存器的原理進(jìn)行偽隨機(jī)序列聲源信號(hào)的制取.

偽隨機(jī)序列聲源信號(hào)頻率范圍覆蓋了整個(gè)頻率域，頻帶過于寬大.筆者采用信號(hào)處理的方法將偽隨機(jī)信號(hào)的頻帶變窄，只產(chǎn)生500～3 000Hz的信號(hào).

3 200MW鍋爐試驗(yàn)研究

國內(nèi)某200MW鍋爐機(jī)組安裝自主研發(fā)的聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)，該鍋爐為北京巴布科爾·威爾科克（B＆W）有限公司生產(chǎn)的B＆WB－670／13.7－M 型超高壓一次中間再熱單鍋?zhàn)匀谎h(huán)煤粉鍋爐.測(cè)溫系統(tǒng)安裝在折焰角下方29.8m平臺(tái)左墻和右墻短吹孔上，對(duì)爐墻沒有破壞，標(biāo)定路徑長度為12.103m.定義聲波發(fā)射端傳聲器所在采樣通道為通道1，聲波接收端傳聲器所在通道為通道2.

3.1 爐膛噪聲特性提取

鍋爐在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)存在各種各樣的噪聲源，這些噪聲為聲波在爐膛中傳播的精確測(cè)量帶來很大困難.爐膛熱態(tài)背景噪聲主要包括燃燒噪聲、煙氣掠過管束的風(fēng)吹聲、燃燒器的射流噪聲、吹灰器吹灰噪聲以及其他機(jī)械噪聲.在聲學(xué)測(cè)溫試驗(yàn)前，先對(duì)爐膛背景噪聲進(jìn)行采樣分析.圖2（a）和圖2（b）分別給出了爐膛背景噪聲的波形圖，此時(shí)采樣頻率為102 400 Hz，采樣數(shù)65 536.圖2（c）和圖2（d）分別給出了兩通道噪聲的頻譜圖.通過分析可知，200MW鍋爐燃燒背景噪聲的大部分能量分布在700Hz以下，其概率分布接近高斯分布.

圖2 200MW機(jī)組爐膛背景噪聲波形圖和頻譜圖Fig.2 Waveforms and spectrograms of background noise in boiler furnace of a 200MW unit

3.2 鍋爐熱態(tài)測(cè)溫研究

設(shè)置采樣頻率為102 400Hz，采樣數(shù)為65 536，濾波區(qū)間為700～3 000Hz.圖3給出了雙通道接收濾波后的偽隨機(jī)信號(hào)波形圖，可以看出，聲音從測(cè)點(diǎn)1傳播至測(cè)點(diǎn)2衰減了大約400多倍.圖4給出了測(cè)點(diǎn)1接收聲信號(hào)和測(cè)點(diǎn)2接收聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)圖，通過互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的互相關(guān)點(diǎn)數(shù)可以計(jì)算出聲波在爐膛中的傳播時(shí)間，圖中峰值明顯，聲波的飛渡時(shí)間Fs為采樣頻率.由圖4得聲波飛渡時(shí)間為17.1582ms，進(jìn)一步計(jì)算得聲速為705.37m／s，此時(shí)負(fù)荷平穩(wěn)在160MW 左右.表1給出了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量20次得到的單路徑爐膛煙氣溫度值.

圖3 200MW機(jī)組偽隨機(jī)序列波形圖Fig.3 Waveforms of pseudo－random sequence signal in a 200MW unit

圖4 200MW鍋爐雙通道聲信號(hào)互相關(guān)函數(shù)圖Fig.4 Dual－receiver cross correlation chart for a 200MW boiler

表1 聲學(xué)法測(cè)得的200MW鍋爐煙氣溫度Tab.1 Measurements of flue gas temperature by acoustic pyrometry for a 200MW boiler ℃

4 300MW鍋爐試驗(yàn)研究

國內(nèi)某300MW鍋爐安裝聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)，該鍋爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒方式、自然循環(huán)汽包爐、單爐膛Π型布置鍋爐，燃用煙煤，一次中間再熱，平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，采用全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)層（標(biāo)高12.6m）以下全封閉，爐頂帶金屬防雨罩.鍋爐型號(hào)為DG 1028／18.2－Ⅱ6.測(cè)點(diǎn)安裝在鍋爐燃燒器上方34.5m平臺(tái)上，利用現(xiàn)有的短吹孔標(biāo)定路徑長度為13.581m.

4.1 爐膛噪聲特性提取

采用與3.1節(jié)相同的方法對(duì)300MW鍋爐爐膛背景噪聲進(jìn)行采集，圖5（a）和圖5（b）給出了兩通道背景噪聲波形圖，圖5（c）和圖5（d）給出了背景噪聲的功率譜密度值.由圖5可以看出，噪聲能量主要分布在500Hz以下的低頻段，噪聲的概率分布同樣為高斯分布.

4.2 鍋爐熱態(tài)測(cè)溫研究

設(shè)置采樣頻率為102 400Hz，采樣數(shù)為65 536，濾波區(qū)間為500～3 000Hz.圖6給出了雙通道接收濾波后的偽隨機(jī)信號(hào)波形圖，由圖6可以看出，聲音從測(cè)點(diǎn)1傳播至測(cè)點(diǎn)2衰減了大約400多倍.

圖7給出了測(cè)量的互相關(guān)圖.由圖7得聲波飛渡時(shí)間為19.375 1ms，進(jìn)一步計(jì)算得此時(shí)聲速為700.95m／s.表2給出了聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量20次得到的煙氣溫度值.試驗(yàn)時(shí)，鍋爐機(jī)組負(fù)荷從230MW上升至270MW，煙氣溫度開始升高.

圖5 300MW機(jī)組爐膛背景噪聲波形圖和頻譜圖Fig.5 Waveforms and spectrograms of background noise in boiler furnace of a 300MW unit

圖6 300MW機(jī)組偽隨機(jī)序列波形圖Fig.6 Waveforms of pseudo－random sequence signal in a 300MW unit

圖7 300MW鍋爐雙通道聲信號(hào)互相關(guān)函數(shù)圖Fig.7 Dual－receiver cross correlation chart for a 300MW boiler

5 溫度標(biāo)定及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證所測(cè)溫度的準(zhǔn)確性，筆者采用特殊制造的K型陶瓷熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，分別將熱電偶從聲波發(fā)射端和接收端插入爐膛，改變插入深度，對(duì)20個(gè)不同位置的溫度進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)40組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，計(jì)算得200MW鍋爐測(cè)溫路徑上的平均溫度為1 107℃，300MW鍋爐測(cè)溫路徑上的平均溫度為1 197℃，聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)所測(cè)溫度值與熱電偶測(cè)量溫度值的誤差基本在2%以內(nèi)，表明聲學(xué)測(cè)溫滿足精度要求.

表2 聲學(xué)法測(cè)得的300MW鍋爐煙氣溫度Tab.2 Measurements of flue gas temperature by acoustic pyrometry for a 300MW boiler ℃

為了觀測(cè)聲學(xué)測(cè)溫結(jié)果與機(jī)組負(fù)荷之間的規(guī)律，分別選取了200MW 鍋爐機(jī)組2011－04－06T14：30—07T14：30，300MW 鍋爐機(jī)組2011－05－17T14：30—18T14：30之間的24h作為研究時(shí)段.

圖8給出了爐膛溫度和機(jī)組負(fù)荷曲線.由圖8可以看出，200MW鍋爐機(jī)組高負(fù)荷時(shí)煙氣溫度為1 167.3℃，300MW鍋爐機(jī)組高負(fù)荷時(shí)煙氣溫度為1 258.4℃.聲學(xué)測(cè)溫得到的爐膛溫度曲線與鍋爐機(jī)組負(fù)荷曲線吻合，表明聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求.

圖8 爐膛溫度和機(jī)組負(fù)荷曲線Fig.8 History curves of furnace temperature and unit load

6 結(jié) 論

（1）偽隨機(jī)信號(hào)可以作為聲學(xué)測(cè)溫的聲源信號(hào)，但需對(duì)其發(fā)生頻率區(qū)間進(jìn)行處理，使頻帶變窄，能量集中.

（2）對(duì)自主研發(fā)的基于偽隨機(jī)序列信號(hào)聲源的聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)在國內(nèi)200MW機(jī)組和300MW機(jī)組上成功進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)，取得了大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的推廣提供重要的參考.

（3）聲學(xué)測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得的整條路徑溫度平均值與熱電偶測(cè)量溫度值的誤差在2%以內(nèi).

（4）聲學(xué)測(cè)量得到的煙氣溫度曲線與鍋爐機(jī)組負(fù)荷曲線吻合.

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