燃煤機組布袋式除塵器破袋檢漏及定位研究

中圖分類號 TQ052.7 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094(2025)03-0389-06

燃煤機組作為電力供應的重要組成部分，其運行效率和環保性能一直備受關注。布袋式除塵器是燃煤機組煙氣凈化系統的重要設備，發揮著去除煙氣中粉塵顆粒的關鍵作用[1]。然而，由于長期運行和惡劣環境的影響，布袋式除塵器破袋現象時有發生，對環境和機組的安全運行構成了嚴重威脅[2]。因此，實現燃煤機組布袋式除塵器破袋的及時檢測與定位，對于保障機組安全穩定運行具有重要意義。

目前，已有大批學者對燃煤機組布袋式除塵器破袋檢漏及定位方法進行了研究。文獻[3]基于DJ探測器設計了一種袋式除塵器破袋檢測方法，為了安裝探測器和設定檢測閾值，在數據采集與分析方面，結合精密算法處理DJ探測器采集到的實時數據，在破袋定位方面，直接利用處理的數據實現破袋位置標定；該方法可以為袋式除塵器的監測和檢測提供幫助，但在實際應用中，探測器的靈敏度和準確性會受到現場環境的影響，容易導致破袋問題的漏檢或誤報現象。文獻[4]利用導電聚合物纖維傳感器，設計了一種袋式除塵器泄漏設計檢測方法。該方法的檢測步驟可分為3個部分，第一，安裝導電聚合物纖維傳感器；第二，對傳感器設置適當的檢測參數，主要為電阻變化閾值；第三，通過采集導電聚合物纖維的電阻數據，判斷是否存在泄漏情況。該方法具有實時檢測的優勢，但仍存在環境適應性問題，即溫度、濕度及粉塵濃度等因素，會導致電阻變化特性不穩定，從而影響檢測的準確性。文獻[5]針對布袋式除塵器中的脈沖清灰裝置進行了研究，基于小波分析技術設計了故障檢測方法。該方法采用小波變換方式對采集的氣包壓力信號進行轉換，轉換后提取清灰系統不同故障的相關特征量，并將無故障的特征量與故障特征量進行對比，實現對漏氣故障的精確診斷和定位。但在實際工業環境中，采集的氣包壓力信號會受到各種噪聲的干擾，影響定位精度。文獻[6]利用分布式光纖傳感技術對除塵器破袋進行檢測，以實際案例為設計基礎，在多種情況下分析除塵器破袋的發生機制，提出具體的檢漏和定位方法。但該方法中，如果分布式光纖傳感器的監測環境條件發生變化，將會影響傳感器的測量精度和穩定性。

針對上述方法存在的不足，筆者提出一種燃煤機組布袋式除塵器破袋檢漏及定位方法，以期保障燃煤機組除塵系統的安全運行。

1燃煤機組布袋式除塵器信號分析

燃煤機組布袋式除塵器在工作過程中，其內部會形成復雜的氣固兩相三維湍流流場，通過分析袋室內流場信號的特性，能夠總結歸納布袋式除塵器的運行狀態，以此檢測泄漏故障。信號分析如下：

a.不考慮重力和能量傳遞，設定除塵器工作過程中過濾氣體為不可壓縮空氣，其氣體流動處于湍流狀態，在含塵氣體進口均勻分布；b.以過濾氣體中的粉塵密度為恒定條件，設定除塵器工作過程中在含塵氣體進口均勻分布且顆粒進口速度等于過濾氣體速度。

基于假設條件，認定除塵器內部的流體流動遵循守恒定律，在守恒定律下描述除塵器的流場控制方程，包含流體的質量守恒方程與動量守恒方程。在兩種守恒定律下，除塵器的內部傳遞為連續狀態，其中，質量守恒下的燃煤機組布袋式除塵器信號特征為：

其中， c 為流體密度； v 為時間； b 為燃煤機組布袋式除塵器信號特征矢量； b_X，b_Y，b_i 分別表示 X 、Y 、Z3個方向的分量； .ω，ψ，σ 分別為 b_X，b_Y，b_Z 的變化參數； 為流體密度隨時間的變化率。在除塵器袋室過濾過程中，由于設定了過濾氣體的流速不可壓縮條件，因此在 時，可表示為

除此之外，袋室中的對象為確定體系，作用于這一體系上的所有外力矢量會隨著該體系動量進行變化，則動量守恒下燃煤機組布袋式除塵器的破袋檢測結果為：

其中， α 為總應力張量； m 為重力加速度矢量；n 為除塵器內部靜壓； ε 為黏性應力張量[。由于假定了氣體不可壓縮，且不考慮氣體重力，因此在 時，上述檢測結果可表示為 ?n=0 。

將質量與動量守恒相結合，確定燃煤機組布袋式除塵器袋室中內部速度分量在不同方向上的變化規律，根據分量的表達情況，當速度分量發生變化后，其所代表的運行信號會產生差異性特征，由此可以完成燃煤機組布袋式除塵器的信號分析。

2燃煤機組布袋式除塵器破袋信號特征提取

基于燃煤機組布袋式除塵器信號分析結果，通過小波包分解對除塵器的運行信號進行處理，提取與破袋故障緊密相關的特征量。這些特征量對于在惡劣環境中進行故障檢測和定位至關重要，它們可以捕捉到信號中的關鍵信息，即使在噪聲和干擾較大的情況下也能保持一定的準確性。為此，以小波包分解[8-10]方式作為處理技術，對其運行信號進行分解，構成破袋檢漏和定位特征參量。該方法的分解過程與自上而下的決策樹具有相似性，如圖1所示。

圖1中， q(w) 為光纖振動傳感器獲取的除塵器運行信號： ;r_1，0r_2，0 為第1級分解 ;r_1，1，r_2，1，r_1，2，r_2，2 為第2級分解： 為第3級分解；在三級小波包分解方式下，將其分解為不同頻帶的子頻帶信號，分別記作 e₁(w)Ω，e₂(w) 、e₃(w)σ_?e₄(w)σ_?e₅(w)σ_?e₆(w)σ_?e₇(w)σ_?e₈(w) 。據此，通過對子頻帶信號進行能量計算，確定信號能量熵，并完成信號特征的提取，具體如下：

其中， u_y 為第 y 個子頻帶信號的能量；信號樣本采集長度 i=8;A(q) 為能量熵，即信號特征； S_y 為u_， 與8個子頻帶信號能量總和的比值，也可稱為第y 個子頻帶信號的能量比； u 為信號總能量[1]。根據小波包分解的運行信號，對其能量熵進行計算，實現破袋特征的提取，將特征以線性方式疊加，以構建燃煤機組布袋式除塵器破漏定位函數。

3燃煤機組布袋式除塵器泄漏定位

將提取的燃煤機組布袋式除塵器破袋信號特征測點與歷史故障測點之間的歐式距離作為檢漏變量，設計故障點定位函數。為保證具有全局性，定位函數采用線性疊加方式進行故障特征的響應，將一個多維問題轉化為一維問題，函數基本形式表現為：

a(s_k)=l_k

其中， s 為測點； s_f={s₁，s₂，?，s_d} 為確定的一組對照故障點樣本集。在線性疊加過程中，會以這些樣本為中心，從而得到測點與對照樣本點中相一致的響應值。 g_f 為權重系數； g=(g₁，g₂，?，g_d)^j j 為維度； 為構建的徑向定位函數； h_f= ，表示s與 s_f 之間的歐式距離； a(s_k) 為預測值； l_k 為精確值;k為樣本點個數。

由于式(1)表示徑向基函數的基本形式，當其作為燃煤機組布袋式除塵器破袋檢漏和定位預測函數時，式(9)則表示式(8)需要滿足的插值條件[12-14]。將式(8)、(9)結合，可得到不同情況下的除塵器泄漏定位函數：

其中， x 為唯一解； ?f^′(h_gauss) 為測點的局部估計函數， h_gauss 為測點輸入值： ;ζ(h_multiquadric) 為逆向函數 .ζ(h_multiquadic)^- 為正向函數， h_multiquadric 為測點輸出值； h 為全局估計函數； z 為常數參數，主要用于預測函數在任意維度空間內的正定保證，使其在定位空間內實現唯一解的求解。

在不同情況下對燃煤機組布袋式除塵器破袋故障進行檢測和定位，在其處于不同狀態時選擇對應的求解函數，保證在各種情況下位置唯一解的預測，實現對破袋故障的標定。

4實驗結果與分析

4.1實驗準備

為驗證所設計的檢漏及定位方法的準確性，參照實際工程應用的燃煤機組布袋式除塵器，由LABVIEW系統搭建實驗平臺。按照1:1的比例搭建單袋室物理樣機實驗裝置，該平臺涉及的核心部件與工況條件，均與實際的燃煤機組布袋式除塵器接近，具體情況如圖2所示。可以看出，此次構建的實驗裝置不僅可以更改噴吹閥的類型，還可以更改花板類型、濾袋類型，因此，除了能夠實現基本的過濾實驗，還可以完成清灰實驗。在實驗平臺的多個位置安裝傳感器，以此設定不同的實驗工況傳感信息，完成破袋檢測的探究性實驗。

4.2設定實驗條件

為驗證所設計方法的實際應用價值，在構建的綜合實驗平臺中進行濾袋預處理。在6號和7號花板孔的位置處，吊裝兩條PTFE玻纖覆膜材質的圓柱形濾袋，其長度為 15m 、直徑為 0.15m 。以破袋所在位置為單一變量，對其中一條濾袋破口進行處理，實物照片如圖3所示。

在模擬濾袋破損情況時，以圖3為模擬基礎，為保證濾袋破口位置和大小不變，對其中一條濾袋進行破口處理，另一條保持完好，共設計兩種尺寸，且破口形狀為軸向矩形，尺寸為 65mm× 6mm，60mm×6mm 。在破口大小與位置確定的基礎上，根據歷史經驗，設計實驗方案(表1)。以分風均勻性好、除塵效率高兩組指標作為依據，對除塵器的過濾風速進行設定，共計4個檔位，分別為 0.8、1.1、1.5、1.8m/min 。每種過濾風速下設置3組實驗，且每兩組的破袋位置一致，每兩組破口大小一樣，既具有單一變量性，又具有差異性。

4.3 檢測精度測試

以第1組實驗方案為例對所設計方法進行驗證，實驗結果如圖4所示。以概率分布幅值作為驗證指標，并結合時間變量，通過所設計方法獲取的破袋位置概率分布直方圖和破口面積概率分布直方圖可以體現出所設計方法的檢測精度和及時性。

4.4 檢測效果測試

為驗證所設計方法的有效性，選擇文獻[5，6]中的檢測方法作為對照組，對上述12組實驗方案進行反演定位測試，并以相對誤差為實驗指標，驗證各方法的應用效果，實驗結果如圖5所示。可以看出，文獻[5，6]中的檢測方法和所設計方法均可以實現對破口位置的檢測，其中筆者所提方法的檢測時間在0.2s以內，而文獻[5，6]中的檢測方法所需時間約 2.5s 。對于破口面積的檢測，文獻5方法的最大、最小相對誤差分別為5.96%.0.95% ，文獻[6]方法的最大、最小相對誤差分別為 5.84% ） 0.81% ，筆者所提方法的最大相對誤差僅為 0.25% ，說明筆者所提方法具有更好的準確性。

5結束語

為提高對破袋問題的應對能力，設計了新的燃煤機組布袋式除塵器破袋檢漏和定位方法。通過設定除塵器工作過程中的氣體流動為湍流狀態，并假設過濾氣體為不可壓縮空氣、含塵氣體進口均勻分布等，分析了除塵器內部流場。利用小波包分解方法提取燃煤機組布袋式除塵器破袋信號特征，設計基于線性疊加和歐式距離的故障點定位函數，通過比較測點與已知故障點的距離，以及利用徑向基函數進行插值，實現對故障位置的預測。經過實驗測試證明了所提方法的高效性和準確性。

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（收稿日期：2024-05-17，修回日期：2025-05-07）

Leakage Detection and Location of the Bag-type Filter Broken Bag in Coal-fired Power Units

ZHANG Yuan-yuan， ZHAI Fa-jun (HenanXinlianxinChemicalIndustryGroupCo.，Ltd.)

AbstractLocating the broken bagsand looking forleaks of the bag-type dust collctorin coal-firedunits were investigated，including havingthe wavelet packetdecomposition method adopted to capture key informationof the signals in the harsh environment，and extract the energy entropy of thebag filter's operation signal in the coal-firedunit.Through sorting out the characteristics by linear superposition，the leakage location's judgment function was established to obtainits leakage position.The experimentalresults show that，in the test with a single broken formasthe subject，the proposed method can preciselylocate the fracture position and detect its size. Key Wordsbag-type dust collector，coal-fired units，bag breakage，broken bag leak detection，location method

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