基于聲學(xué)法的堆積煤粉溫度場實時監(jiān)測

楊 庚，閆計棟，沈國清，安連鎖，李宗金

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

煤粉制備、運(yùn)輸及儲存過程中，通常以堆積形式存在，堆積煤粉中空氣通過煤粉粒之間的孔隙與煤粉粒表面的活性基團(tuán)接觸，發(fā)生氧化放熱反應(yīng)[1-2]。氧化反應(yīng)放出的熱量會引起煤堆的溫度升高，加劇氧化放熱反應(yīng)，最終使煤堆溫度超過自燃點(diǎn)發(fā)生自燃[3]。鄭蘭芳[4]研究發(fā)現(xiàn)，煤粉在60～80 ℃時耗氧速率開始明顯升高，煤粉發(fā)生局部自燃后擴(kuò)散速度較快，易造成巨大的安全隱患，故對于堆積煤粉內(nèi)部溫度的實時監(jiān)測十分重要。測量煤粉堆積溫度時，燃煤電廠通常采用在煤粉倉倉頂安裝熱電偶等方法，具有一定的時間遲延，當(dāng)熱電偶檢測溫度發(fā)生明顯變化時煤粉已經(jīng)自燃一段時間，而聲學(xué)測溫作為一種實時監(jiān)測的非接觸式測量方式[5]能有效解決延遲預(yù)警的問題。

聲波測溫是一種新興的測溫技術(shù)[6]。目前，聲波測溫在鍋爐爐膛[7-8]、冶鐵鍋爐[9-10]以及生物質(zhì)堆垛[11-12]等工程領(lǐng)域測溫的應(yīng)用已較成熟[13]，聲波測溫技術(shù)通過定周期發(fā)射特定聲波信號對測溫物體進(jìn)行非侵入式測量，能夠?qū)崿F(xiàn)實時連續(xù)測量以及遠(yuǎn)程控制，從而顯著提升發(fā)電過程控制的智能化程度。

1 堆積煤粉聲學(xué)測溫模型

聲波測溫系統(tǒng)通常由聲源、傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，通過測量聲波經(jīng)過不同傳感器的時間求得聲速，考慮到煤粉粒徑細(xì)小且具有一定的流動性，若聲源直接固定于堆積煤粉中，流動煤粉粒會進(jìn)入聲源內(nèi)部，直接與聲源振子接觸導(dǎo)致聲源損壞，故將聲源置于堆積煤粉外部。此時聲源發(fā)出聲波首先需透射進(jìn)入堆積煤粉內(nèi)部，之后在煤粉內(nèi)部傳播，故需綜合考慮煤粉的聲吸收特性以及聲波在堆積煤粉中的傳播特性。

圖1展示了一條聲波測溫路徑上聲源以及傳感器的布置，其中L表示2個傳感器之間的距離，聲源置于堆積煤粉上方，傳感器置于煤粉中。利用時延估算路徑上聲波的傳播時間，再反演相應(yīng)溫度信息。對于離散時延估計模型，2個傳感器信號簡化數(shù)學(xué)模型[14]為

圖1 聲波測溫應(yīng)用模型Fig.1 Application model of acoustic thermometry

x1(n)=s(n)+n1(n)，

(1)

x2(n)=αs(n+D)+n2(n)，

(2)

式中，x1(n)、x2(n)分別為傳感器1、2接收到的聲信號；s為聲源信號；n1(n)、n2(n)分別為加性噪聲信號；α為聲衰減系數(shù)；D為1、2傳感器之間的時延;n為聲波采集時間。

實際測量中使用互相關(guān)算法計算聲波傳播時間，互相關(guān)算法是一種廣泛使用的時延估計算法，通過對傳感器1和傳感器2接收的信號進(jìn)行相關(guān)性分析，最終得到聲波在傳感器之間的傳播時間，傳感器1、2之間的互相關(guān)函數(shù)R12(m)[15]可以表示為

(3)

式中，N為互相關(guān)分析所用信號的長度；m為延遲采樣點(diǎn)數(shù)；M對應(yīng)延遲采樣點(diǎn)數(shù)的最大值。

圖2為測量過程中接收信號互相關(guān)分析的結(jié)果?；ハ嚓P(guān)函數(shù)峰值對應(yīng)的點(diǎn)數(shù)為算法的時延估計點(diǎn)數(shù)，將點(diǎn)數(shù)除以采樣頻率可以得到時延估計。實際測量中使用算法多為建立在單一互相關(guān)基礎(chǔ)上的二次互相關(guān)、廣義互相關(guān)等算法，根據(jù)實際應(yīng)用情況的不同，每種算法都有其適合的應(yīng)用場景。

圖2 傳感器間互相關(guān)函數(shù)曲線Fig. 2 Cross correlation function curve between sensors

聲學(xué)測量空間溫度場主要是通過測量空間中不同截面溫度分布實現(xiàn)。圖3為聲學(xué)測量平面溫度場的測溫路徑。圖3中1～8為測溫使用的8個測點(diǎn)，兩兩測點(diǎn)間形成多條聲波路徑，利用互相關(guān)算法求得路徑上的聲波傳遞時間進(jìn)而得到聲速，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系反演出溫度場。筆者主要研究單一路徑聲傳播的特性，以驗證聲學(xué)應(yīng)用于堆積煤粉內(nèi)部溫度測量的可行性。

圖3 聲學(xué)測溫路徑Fig.3 Path of acoustic temperature measurement

2 煤粉低頻聲波吸收特性

2.1 試驗原理

相對于高頻段的聲波，低頻聲波的能量衰減更低，能夠在堆積煤粉中傳播較遠(yuǎn)的距離，且低頻聲波的波長更長，可以減弱煤粉顆粒對聲波的散射作用。實際研究中可以將堆積煤粉看作多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)對聲的吸收能力通常用吸聲系數(shù)表示，吸聲系數(shù)由透射進(jìn)入材料的聲能與入射聲能比表示，同一材料對于不同頻率的聲波吸收系數(shù)也不同，為了使入射聲波更多的透射進(jìn)入堆積煤粉中，通常選取吸聲系數(shù)較大的頻段作為聲源。

材料吸聲系數(shù)的測量通常有混響室法和駐波管法2種[16]，本文試驗采用駐波管法測量不同粒徑、堆積高度的煤粉對不同頻率聲波的吸聲系數(shù)。駐波管法的主要原理為當(dāng)聲波垂直入射到材料表面時，部分聲波發(fā)生透射進(jìn)入材料內(nèi)部，另一部分被反射，反射波與入射波疊加形成駐波場，通過測量駐波場的極大聲壓值與極小聲壓值可得材料的聲吸收系數(shù)，其計算公式為

(4)

其中，α為材料的聲吸收系數(shù)；k為測得駐波場極大聲壓值與極小聲壓值的比值。

利用式(1)代入對應(yīng)聲壓值可得對應(yīng)聲波頻率下的聲吸收系數(shù)。根據(jù)GBJ 88—1985 《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》，對于圓管，駐波管的頻率測量范圍上限f1與管直徑D的關(guān)系為

(5)

其中，c為空氣中聲速，m/s。對于空氣中的聲速，應(yīng)由式(6)確定：

c=331.3+0.6t，

(6)

其中，t為室溫，℃。試驗時駐波管采用圓管，管直徑為7.6 cm，實驗室溫度為18.5 ℃，由式(2)、(3)可以求得此時空氣中聲速為342.4 m/s，頻率測量范圍上限為2 639 Hz，試驗測試的頻率在200～2 000 Hz，故此駐波管滿足試驗要求。

2.2 試驗條件

試驗臺示意及主要設(shè)備如圖4所示，駐波管垂直放置在固定支架上，以保證煤粉表面平整。管體分2段，上段管體材料為不銹鋼，長度1.2 m；下段管體材料為有機(jī)玻璃，長度0.25 m，采用有機(jī)玻璃可以清晰觀測煤粉堆積的狀態(tài)，兩端之間采用法蘭連接。試驗時由電腦生成不同頻率的正弦聲波信號，經(jīng)功率放大器(MTC-300)放大后由置于駐波管上方的喇叭發(fā)出聲信號。探針頭部安裝極化駐極體傳聲器，傳聲器接受的聲信號經(jīng)過采集卡(NI USB-4431)實時傳到電腦中，試驗采樣率為65 536次/s，采樣點(diǎn)數(shù)為65 536。探針從駐波管頂端勻速伸入，同時觀測電腦實時顯示數(shù)據(jù)，找到對應(yīng)的聲極值點(diǎn)，最終求得所測煤樣在相應(yīng)頻率下的聲吸收系數(shù)。

圖4 試驗臺示意Fig.4 Schematic diagram of experimental platform

試驗煤樣為福泉煤礦煙煤，煙煤破碎后篩分，將煤粉倒入駐波管下端，采用震蕩方式使堆積煤粉表面平整，以保證聲波能垂直入射煤粉中。試驗煤粉粒徑及編號見表1，表1中4號煤粉與1、2、3號煤粉通過2次煤粉篩選得到。

表1 試驗煤樣粒徑分布Table 1 Particle size distribution of experimental coal sample

2.3 試驗過程及結(jié)果分析

為探究聲吸收系數(shù)與煤粉粒徑的關(guān)系，選擇煤樣1、2、3號進(jìn)行試驗，3種煤樣的粒徑大致相同，依次代表大粒徑、中粒徑以及小粒徑的煤粉。煤粉在駐波管中的堆積高度為10 cm，聲源發(fā)出單頻率正弦聲波信號，頻率選擇以1/3倍頻程的中心頻率為主，在特征峰值附近增加試驗點(diǎn)以精確峰值對應(yīng)頻率。

不同粒徑下，煤粉對不同頻率聲信號的聲吸收系數(shù)如圖5所示。可見煤粉的聲吸收曲線存在多峰值現(xiàn)象，煤樣1的聲吸收曲線的峰值相對明顯，吸收峰值發(fā)生在500 Hz以及1 600 Hz附近。對于2號及3號煤樣，第1特征吸收峰值較明顯，分別在480和315 Hz附近，2者的第2峰值并不明顯，對應(yīng)頻率在1 800 Hz以及1 900 Hz附近?？梢钥闯?，隨著粒徑的減小，第1特征吸收峰值左移，第2特征吸收峰值右移，第1、2特征吸收峰對應(yīng)的頻帶寬度增加。

圖5 不同粒徑范圍下聲吸收系數(shù)變化Fig.5 Variation of sound absorption coefficient in different particle size ranges

聲波在堆積煤粉中傳播時，由于低頻聲波波長較長，可以繞過粒徑細(xì)小的煤粒，此時聲波主要在煤粒間的孔隙中傳播。不同孔隙間形成相連的腔體，當(dāng)特定頻率聲波經(jīng)過這些相連的腔體時會發(fā)生共振，此時,宏觀上表現(xiàn)為堆積煤粉的聲吸收系數(shù)達(dá)到峰值，出現(xiàn)共振吸收峰。在共振吸收峰附近，雖然煤粉的聲吸收系數(shù)增大，但堆積物內(nèi)部發(fā)生的共振現(xiàn)象會使聲波在堆積物中的聲衰減較大，故頻率選擇應(yīng)避開共振吸收峰值附近對應(yīng)的頻率。

堆積煤粉的聲吸收系數(shù)隨煤粉粒徑的減小而減小。相較于3號煤樣，1號煤樣的煤粒粒徑較大，孔隙直徑也相應(yīng)變大，使更多聲波透射進(jìn)入堆積煤粉內(nèi)部。忽略共振吸收峰對聲吸收曲線的影響，可以看出隨頻率增加，聲吸收曲線呈上升趨勢。

倉儲式制粉系統(tǒng)中經(jīng)磨煤機(jī)后滿足要求的煤粉會儲存在煤粉倉中。燃煤電廠要求煙煤以粒徑<0.074 mm為主，試驗中采用4號煤樣研究爐前煤粉的聲吸收系數(shù)，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，除去特征吸收峰，4號煤樣的聲吸收系數(shù)在0.108 1～0.218 3。煤粉的吸收峰發(fā)生在315 Hz左右，之后再無吸收峰值。

圖6 爐前煤粉聲吸收系數(shù)Fig.6 Sound absorption coefficient of pulverized coal used for power generation

使用3號煤樣探究堆積高度與聲吸收系數(shù)的關(guān)系，頻率和聲源信號與煤粉粒徑與煤粉聲吸收系數(shù)關(guān)系試驗相同，同時等區(qū)間增加煤粉的堆積高度。

依次以10、15、20 cm三組堆積高度的煤粉進(jìn)行試驗。在不同堆積高度下，煤粉對不同頻率聲信號的聲吸收系數(shù)如圖7所示。不同堆積高度下的聲吸收系數(shù)差異不明顯，聲吸收系數(shù)曲線在經(jīng)過第1吸收特征峰后隨頻率上升直至第2個峰值。不同堆積高度的聲吸收系數(shù)均值在500 Hz時為0.281 3，在1 600 Hz時為0.454，500～1 600 Hz時聲吸收系數(shù)增長約61.4%。對于不同堆積高度的煤粉，其吸收峰并無明顯偏移，說明隨著堆積高度的增加，煤粉內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)無明顯變化。

圖7 不同堆積高度下聲吸收系數(shù)變化Fig.7 Variation of sound absorption curves at different stacking heights

3 煤粉低頻聲波傳播特性

3.1 試驗原理

對于一般的均勻粒徑顆粒堆積物，低頻入射聲波可以繞過顆粒向前傳播，此時聲波主要在顆粒間孔隙的氣體介質(zhì)中傳播，對于堆積煤粉這種呈多孔狀的物質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可看作由許多毛細(xì)管組成，此時聲的傳播滿足聲波在毛細(xì)管中聲波的傳播特性。聲波在管中傳播時由于細(xì)管的黏滯作用、空氣與管壁之間的熱交換以及細(xì)煤粉隨聲波產(chǎn)生的振動造成聲波能量的損失[17]，通常將聲波能量隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象稱為聲波的衰減。同一溫度不同頻率下堆積煤粉中聲波的衰減程度不同，通過測量聲波路徑上兩測點(diǎn)信號的頻譜的主峰值計算聲衰減系數(shù)β，計算式[18]為

(7)

式中，a1、a2分別為測點(diǎn)接收聲信號頻譜峰值；l為兩傳感器之間的距離，m。

顆粒堆積物對聲波傳播的影響還體現(xiàn)在傳播速度上，低頻聲波主要在顆粒間孔隙中傳播，由于孔隙尺度較小，流體介質(zhì)黏滯性的影響比較明顯，故聲波在其中的傳播速度發(fā)生改變。此外，由于堆積物孔隙分布不規(guī)則，實際聲傳播路徑為一條彎折的曲線，導(dǎo)致堆積物測量聲速低于自由場中聲速[19-20]，用τ表示2者的聲速比值，表達(dá)式為

(8)

其中，c1為試驗測得的聲速；c0為自由場中氣體介質(zhì)的聲速。由毛細(xì)管中聲傳播特性相關(guān)理論可知，當(dāng)氣體介質(zhì)狀態(tài)一定時，τ主要受顆粒間孔隙尺寸以及聲波頻率的影響。

3.2 試驗步驟

采用圖8試驗臺探究聲波在煤粉中的傳播特性，箱體尺寸為20 cm×20 cm×120 cm，箱體周圍包裹4 cm保溫棉層以隔絕聲波與振動，在箱體兩端內(nèi)部放置玻璃棉以減弱聲波反射對試驗結(jié)果的影響。聲信號由電腦產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器(MTC-300)后由聲源發(fā)出，聲源功率25 W，阻抗4 Ω，經(jīng)包覆處理后放入煤粉中。

圖8 煤粉聲傳播試驗臺示意Fig.8 Schematic diagram of sound propagation lab bench for pulverized coal

傳感器采用聲望公司的MA231型預(yù)極化駐極體傳聲器，傳感器的靈敏度50.1 mV/Pa。兩傳感器分別安裝在距聲源10 cm以及110 cm處，傳感器與聲源安裝在同一高度的直線上，使用數(shù)據(jù)采集卡(NI USB-4431)采集兩傳感器測量到的聲信號，采樣頻率為102 400 s-1，單次采樣數(shù)為65 536。使用K型熱電偶(熱電偶的測量范圍在-50～1 372 ℃，在-50～100 ℃精度為±1 ℃)測定箱內(nèi)煤粉溫度，安裝在聲波傳播路徑的3等分點(diǎn)上，并與傳感器高度相等，煤粉在箱體中的堆積高度為17 cm，箱中煤粉以4號煤粉為主。

3.3 試驗結(jié)果及討論

圖9為不同頻率下聲衰減系數(shù)變化，為探測不同頻率下的聲衰減系數(shù)，采用掃頻信號進(jìn)行試驗，信號周期為0.64 s，頻率范圍設(shè)置從200～300、300～400依次到1 900～2 000 Hz，不同頻段下的聲衰減系數(shù)對應(yīng)圖9中頻率范圍中值。由聲衰減系數(shù)的定義可知系數(shù)值越大，聲波在堆積煤粉中發(fā)生的衰減現(xiàn)象越明顯，可知聲波在200～1 000 Hz頻段衰減現(xiàn)象較明顯，在1 000～2 000 Hz頻段聲衰減系數(shù)逐漸下降，聲衰減系數(shù)隨頻率的變化同樣存在多峰值現(xiàn)象，且峰值隨頻率升高逐漸降低。結(jié)合之前對爐前煤粉聲吸收系數(shù)的研究，200～600 Hz頻段的聲信號不適用于實際堆積煤粉溫度測量中。

圖9 煤粉聲衰減系數(shù)Fig.9 Sound attenuation coefficient in pulverized coal

選定堆積煤粉中的聲速測量信號時，綜合考慮煤粉的聲吸收系數(shù)以及聲衰減系數(shù)，選定測量信號頻率在800～1 800 Hz，互相關(guān)算法為PHAT-β算法[21]，其中β的值設(shè)定為0.95。每次測量時，由聲源發(fā)出選定范圍的線性掃頻信號，將傳感器接收到的聲波經(jīng)過濾波消去雜音后進(jìn)行互相關(guān)信號處理，得到穩(wěn)定的時延估計后最終求得聲速。傳感器1、2及2者之間的互相關(guān)信號如圖10所示。

圖10 實際信號接收及處理Fig.10 Actual signal receiving and processing diagram

試驗進(jìn)行了10次測量，進(jìn)行聲速測量時的試驗溫度為26.7 ℃，堆積煤粉中的聲速在142.261～142.851 m/s，由式(8)可知此時空氣中聲速為347.32 m/s，由此可知堆積煤粉中τ取值在0.410～0.411。聲速測量的試驗標(biāo)準(zhǔn)差為0.167 2 m/s，表明聲速測量結(jié)果穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明運(yùn)用掃頻信號結(jié)合PHAT-β互相關(guān)算法的堆積煤粉聲速測量過程能夠得到較理想的結(jié)果。低頻聲波可以應(yīng)用于堆積煤粉的溫度場測量中，運(yùn)用聲速與溫度之間的函數(shù)關(guān)系最終可實現(xiàn)對溫度場的反演[22]。

4 結(jié)論與展望

1)堆積煤粉對聲波的吸收系數(shù)存在多峰值現(xiàn)象，且峰值之間的頻帶寬度隨粒徑的減小而增大。煤粉的吸聲系數(shù)與堆積煤粉表面的致密程度有關(guān)，粒徑越小的煤粉，致密程度越大，聲吸收系數(shù)越小。

2)堆積高度對煤粉的聲吸收系數(shù)影響較小，不同高度的聲吸收系數(shù)差異較小，聲吸收曲線在500～1 600 Hz時聲吸收系數(shù)增長61.4%。

3)聲波在堆積煤粉中的聲衰減系數(shù)同樣存在多峰值現(xiàn)象，且峰值隨頻率升高逐漸降低。頻率小于1 000 Hz的聲波在煤粉中的衰減現(xiàn)象較明顯，在1 000～2 000 Hz頻段聲衰減系數(shù)逐漸下降。

4)基于堆積煤粉對于低頻聲波的吸收特性及聲傳播特性，確定了聲速測量的掃頻信號頻率范圍，結(jié)果表明，當(dāng)聲源的掃頻信號為800～1 800 Hz且互相關(guān)算法為PHAT-β(β=0.95)時，測得的聲速結(jié)果穩(wěn)定，此種測量方式可以應(yīng)用于堆積煤粉內(nèi)部的溫度測量中。

5)試驗主要驗證了聲學(xué)測量煤粉堆積物內(nèi)部溫度場的可行性，但在現(xiàn)場應(yīng)用時，煤筒倉熱量積累可能發(fā)生在傳熱較差的煤粉層深處，而試驗設(shè)置的煤粉堆積深度較淺，后續(xù)試驗會探究煤粉堆積深度的影響。