基于碰撞信號的鍋爐局部結渣診斷研究

袁生明，李培，陶振濤，施子福，董瑀非，周永剛

（1.華電湖北發電有限公司黃石熱電分公司，湖北 黃石 435002；2.浙江大學 熱工與動力系統研究所，杭州 310027；3.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

我國煤炭資源豐富，但不同煤種的品質參差不齊。根據我國現行能源政策，為保證能源的高效利用，提高經濟效益，發電廠動力用煤普遍質量偏差，含灰量和含硫量都比較高，且煤種多變，實際燃用煤質經常偏離設計值，因此發電廠鍋爐普遍存在受熱面結渣現象［1］。發電廠鍋爐受熱面結渣不僅導致鍋爐受熱面傳熱性能變差，增加了排煙損失，降低鍋爐效率，而且由于煙氣通流面積減小，增加風機電耗［2］；嚴重結渣會造成冷灰斗出渣不暢，大渣塊的脫落甚至會損壞冷灰斗及水冷壁管，造成重大安全事故，嚴重影響鍋爐的安全運行［3］。因此，預防和減輕發電廠鍋爐受熱面積灰結渣是確保機組安全經濟運行的重點。

當渣塊在受熱面上積聚到一定程度后，受熱面管壁對渣塊的附著力不足以抵消渣塊自身重力影響，就會出現渣塊的掉落。當積聚產生的掉落渣塊足夠大時，甚至存在爐膛火焰熄滅、砸壞爐膛水冷壁管束和冷灰斗、引發爐膛爆炸等重大事故的可能。在各種避免鍋爐爐膛嚴重積灰或結渣的技術措施中，運行中對受熱面進行蒸汽或空氣吹掃是一種有效且普遍采用的手段。如何準確監測受熱面的結渣程度，減少爐內結渣，避免鍋爐掉大渣對故障發電廠鍋爐的安全運行具有重要的意義。多年來國內外學者對爐膛結渣的影響因素進行了廣泛的研究，提出了多種結渣監測的方法，文獻［4-5］通過直接或間接的方法監測爐膛出口的煙溫來判斷鍋爐整體結渣情況；文獻［6］在爐膛水冷壁上安裝熱流計根據受熱面吸收熱流的變化分析結渣趨勢；文獻［7-8］采用紅外成像相機測量水冷壁表面的輻射發射率或者紅外光譜識別水冷壁表面結渣產物來監測結渣程度。但爐膛出口煙溫只能反應鍋爐整體結渣程度，不能確定具體的結渣區域；熱流計的安裝需要對鍋爐進行改造，會降低水冷壁管強度，且造價和維護費用都較為昂貴［9］。

針對上述方法存在的不足，本文提出基于冷灰斗振動信號的鍋爐落渣監測和控制方法，通過監測鍋爐爐膛渣塊掉落撞擊冷灰斗產生的振動信號，分析計算得到落渣區域和渣塊質量，進而推斷結渣嚴重區域和結渣程度，適時調整鍋爐的配風方式和吹灰器投用，避免大渣塊的掉落，保證鍋爐的安全運行。該方法所需布置的測點少，對鍋爐的改造工程小，且具有較強的抗噪聲干擾能力。

1 測量方法及原理

1.1 原理分析

1）用到達時間差及振動幅值定位落渣位置。

到達時間差定位方法是一種重要的振動源定位方法［10-11］。在冷灰斗底部壁面安裝數個加速度傳感器，這些傳感器能夠接收來自振動源輻射出的信號。由碰撞產生的振動波并不是單一頻率的簡諧波，其頻率成分十分復雜。根據波傳播理論［10］，不同頻率的振動波的傳播速度不同，因此在傳播過程中，不同頻率的波會逐漸分離，落渣位置是通過振動信號到達傳感器信號起振點之間的時間差來定位。在二維平面的定位中，至少需要3個傳感器，但由于振動沿水冷壁管道縱向和橫向傳播速度未必相等，一般需要4個傳感器。傳感器陣列可以任意選擇，但為了運算簡便，常采用簡單陣列形式，如正方形等。

同時，通過各傳感器接收信號振動幅值的大小也可以近似判斷渣塊掉落區域，傳感器測得振動信號幅值越大，渣塊落點越靠近此傳感器。

2）用加速度傳感器振動幅值估測掉落渣塊質量。

當渣塊從鍋爐壁面掉落到冷灰斗時，其沖量為：

式中：m為渣塊的質量；V0為渣塊撞擊冷灰斗斜面時的速度；g為重力加速度；h為落渣高度。

渣塊撞擊冷灰斗后，該沖量部分轉化為各加速度傳感器內部質量塊m0的動量m0vi：

式中：e為渣塊與冷灰斗水冷壁間的碰撞系數。

利用各加速度傳感器振動信號躍升的幅值計算各質量塊的動能：

式中：Ai為加速度傳感器振動信號躍升的幅值的平均值；E為加速度傳感器內部壓電晶體的彈性系數。

綜合式（2）、式（3）得到：

因為本研究所用到的加速度傳感器為4個，所以直接取i=4。

經過實驗室的多次模擬實驗，確定渣塊沖量與平均振動幅值之間的系數，然后根據現場試驗獲得的落渣高度和振動信號的平均幅值可以計算獲得掉落渣塊的質量。

1.2 測量方法

在冷灰斗水冷壁底部安裝4個壓電式加速度傳感器，當渣塊從爐膛壁面剝落、近似自由落體下墜后與冷灰斗水冷壁發生碰撞時，將產生一個振動信號并被加速度傳感器捕捉。此信號攜帶關于剝落渣塊的各種物理信息，通過合適的方法、程序解析信號，推測出渣塊掉落點的位置、下落高度以及渣塊的大小等參數，實現對鍋爐結渣位置的定位及該處結渣情況的監測，預測鍋爐結渣趨勢并進行有針對性的吹灰。信息測量流程如圖1所示。

圖1 振動信號測量流程

2 實驗室模擬實驗

2.1 實驗裝置

實驗裝置包括：不同質量的渣塊、壓電式加速度傳感器、冷灰斗水冷壁（2 200 mm×1 560 mm）、恒流源、數據采集前端及計算機。實驗平臺模擬圖及現場情況如圖2、圖3所示。

圖2 實驗平臺模擬圖

圖3 實驗平臺現場

加速度傳感器的安裝位置如圖4所示，安裝于實驗區域的4個方位，呈正方形分布，坐標為（300，300）（-300，300）（-300，-300）和（300，-300）。將加速度傳感器與冷灰斗水冷壁采用磁吸附的方式連接，便于安裝與拆卸。

圖4 加速度傳感器安裝位置

4個加速度傳感器的另一端通過信號傳輸線分別連接到數據采集器的1—4 號通道，由于每個傳感器的實際靈敏度是不同的，在連接時要注意傳感器與數據采集器的通道一一對應。數據采集器再通過網線與計算機相連，通過DSP_FPGA軟件采樣收集合適的數據。

2.2 渣塊模擬物位置預測

將冷灰斗按如圖2所示方式分為4個區域，因為冷灰斗水冷壁為管制鋼板，左右、上下分別對稱，假設振動信號沿x方向傳播速度為Ux，y方向傳播速度為Uy，檢測到一個振動信號傳播到各個加速度傳感器的時間點為t1、t2、t3、t4。

實驗時數據采集軟件參數設置如表1所示。

表1 實驗軟件參數設置

壁面得到兩個加速度傳感器振動信號產生的時間差僅為0.3 ms，可知振動信號從冷灰斗最左側傳播到最右側僅需0.3 ms，同理，可測得振動信號從冷灰斗最下側到最上側的傳播時間為0.2 ms。

由此可知，振動波在鋼中的傳播速度極快，導致在有限大小的冷灰斗上安裝的加速度傳感器測得的起始振動信號的時間點差距十分微小，造成定位時的誤差非常大，所以將冷灰斗根據加速度傳感器的安裝位置分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個區域，通過各傳感器起始振動信號的時間點來判斷落渣的大致掉落區域。

將渣塊從相同高度自由下落，分別依次撞擊冷灰斗水冷壁上的隨機點，對每次撞擊產生的4個通道信號進行記錄分析。4個加速度傳感器采集到的振動信號起始時間點和振動幅值如表2所示，分別對落渣區域進行判斷。

由表2 可知，通過時間差來判斷落渣區域（判定區域1）存在較大偏差，故選用4 個加速度傳感器測得的振動信號最大幅值來判斷落渣區域（判定區域2），落渣位置與測得最大振動幅值的傳感器所在區域相對應。

表2 實驗室落渣起始時間點和振動幅值

實際上，由于平板和周圍環境、距離衰減和阻尼損失等原因，沿平板傳播到傳感器位置的沖擊波在形狀和頻譜上都較原始波形有所改變［13］，難以通過測得的振動信號精準判斷落渣位置，但對于落渣大致區域的判斷可以實現，也具有一定意義。

2.3 渣塊模擬物質量預測

實驗室采用管制鋼板（2 200 mm×1 560 mm）模擬冷灰斗水冷壁，將不同質量的渣塊從同一位置距冷灰斗壁面2 m 高度處自由落下，每個渣塊重復實驗5次，得到的4個加速度傳感器的振幅做平均計算處理，同時由式（1）計算得到渣塊的沖量，如表3所示。

表3 渣塊沖量及對應平均振動幅值

將渣塊沖量和平均振動幅值作散點圖，進行曲線擬合得到圖5。

圖5 平均振動幅值與渣塊質量曲線擬合圖

根據上文推理可知渣塊沖量與平均振動幅值之間存在如下關系：

綜合8組落渣模擬碰撞冷灰斗的實驗數據，繪圖擬得渣塊沖量與平均振動幅值間存在如下關系：

式中：回歸系數k=0.111。

3 現場試驗

3.1 試驗布置

先在冷灰斗水冷壁外部安裝4個具有出水口和入水口的金屬磁座，分兩排，兩個位于水冷壁上部，兩個位于水冷壁下部，從左到右從上到下依次標號，再將加速度傳感器通過磁力直接吸附到冷灰斗水冷壁底部磁座上。同時將水冷壁按加速度傳感器安裝位置均分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個區域，與傳感器一一對應。

試驗期間振動信號采樣初始參數設置如表4所示。

表4 發電廠試驗軟件參數設置

3.2 鍋爐掉落渣塊位置和質量預測

假設大渣塊剝落時，受爐內空氣動力場的影響較小，渣塊以自由落體的方式下落。由于已知爐膛頂部渣塊剝落的高度，那么根據測得振動信號和實驗室得到的渣塊與冷灰斗之間的碰撞系數，即可確定掉落渣塊的質量，實現對全爐膛的結渣診斷。

由于落渣撞擊冷灰斗水冷壁產生的振動信號沿水冷壁管壁傳播，當振動信號通過充滿流體的管道系統時，振動信號的能量將同時在管壁和管內流體中分布［14］。而實驗室模擬實驗并未在水冷壁管道中通水，由文獻［15］可知，落渣碰撞冷灰斗水冷壁壁面產生的振動能量幾乎全部分布在管壁中，極少會被管中流體吸收，因此無需考慮現場試驗時管壁內流體對傳感器測得振動信號的影響。

現場爐膛頂部結渣區域離冷灰斗水冷壁高度約為30 m，落渣碰撞冷灰斗時的初速度為：

掉落渣塊的質量可由式（8）計算：

試驗過程中每隔10 s 采集一個數據，經解析后得到圖像中大部分僅有噪聲信號或者極為不明顯的小波動。圖6所示為加速度傳感器1采集到的渣塊撞擊振動信號以及噪聲信號。

圖6 大渣塊撞擊振動信號和噪聲信號

由圖6可見，噪聲產生的振動信號不足以覆蓋渣塊掉落撞擊冷灰斗水冷壁產生的振動信號，因此該測量方法對現場環境具有抗干擾性。

圖7、圖8所示為現場測得的兩次較為明顯的落渣振動信號。圖7 中傳感器1、3 的振動信號振幅明顯，傳感器2振動信號較弱，傳感器4基本無信號。圖8中傳感器3的振動信號振幅明顯，傳感器1、2振動信號較弱，傳感器4基本無信號。

圖7 第一次渣塊撞擊冷灰斗振動信號

圖8 第二次渣塊撞擊冷灰斗振動信號

由于4號傳感器沒有檢測到明顯振動信號，可能是振動信號不明顯而被噪聲信號所覆蓋。4個傳感器的起始振動時間分別為t1、t2、t3和t4，最大振動幅度分別為A1、A2、A3和A4，平均振動幅值為Aˉ，進而由式（8）計算落渣質量，如表5所示。

表5 現場渣塊碰撞起始時間和振動幅值

由表5可知，在現場測量得到的同一組振動信號的起振時間判斷落渣區域（判斷落渣區域1）和最大振幅判斷落渣區域（判斷落渣區域2）相一致。雖然在測量期間的掉落渣塊均較小，無明顯大渣塊，對鍋爐燃燒正常運行幾乎無影響，但該方法在監測有較大渣塊掉落時能測得明顯信號，通過信號可快速判斷落渣區域及結渣程度，對指導鍋爐吹灰、避免因大渣塊掉落導致爐膛熄火具有現實意義。

4 結論

針對現有鍋爐結渣監測方法的不足之處，結合實驗室模擬和某發電廠現場試驗，通過采集鍋爐爐膛水冷壁結渣區域落渣撞擊冷灰斗產生振動信號的方法來檢測鍋爐結渣區域及結渣程度，得出結論如下：

1）通過實驗室模擬實驗，根據4個傳感器測得振動信號的起始振動時間和最大振動幅值間的大小關系來判斷實驗室模擬落渣的具體位置。同時，建立落渣沖量及各傳感器平均最大振幅之間的線性關系，進而推算出落渣與冷灰斗水冷壁間的碰撞系數。

2）在某發電廠現場鍋爐安裝加速度傳感器進行試驗，在一段時間內測得數次較為明顯的落渣信號，結合振動時間點及最大振幅判斷落渣區域。同時，結合在實驗室測得的碰撞系數分析估測落渣質量，推測爐膛結渣程度，指導發電廠鍋爐進行有針對性的吹灰，提高吹灰的及時性和效率，具有一定的工程實用價值。