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锅炉管道泄漏声行为特性研究

姜根山  
【摘要】:电站锅炉“四管”(水冷壁、过热器、再热器和省煤器)爆漏事故一直是影响火电机组安全、经济运行的重要因素。用声学方法进行炉内管道泄漏早期检测是目前最具发展潜力的技术手段,但由于对锅炉管道泄漏声辐射的频谱、指向性特征,以及水冷壁边界、换热器管阵列和炉内温度场等复杂环境对泄漏声传播的影响规律等声学行为特性认识不清,导致检测系统没有足够的声学知识作为诊断依据,阻碍了该项技术的应用发展,因此,研究锅炉管道泄漏声行为特性具有重要的学术意义和工程实用价值。 本文研究了孤立管道泄漏喷流的湍流流动规律和喷流噪声产生的物理机理,对泄漏喷流的频谱特征进行了实验测试,得出了泄漏声辐射与管内压力和泄漏口径的关系。利用活塞振动原理建立了管道泄漏口声辐射的数学模型,得出了泄漏喷流的远场声辐射指向性特征,并用电声和泄漏声两种声源进行了实验验证。 利用Bloch理论和反射光栅理论建立了水冷壁管阵列声散射的数学模型,利用镜像原理和孤立管道泄漏声辐射的数学模型数值计算了水冷壁表面的泄漏口向炉内声辐射的场分布特征。分析研究了炉膛水冷壁边界对低频声场分布的影响和产生驻波的模态频率,并用ANSYS有限元软件对低频噪声的声场分布进行了数值计算。 利用Twersky声散射理论、透射光栅衍射理论、法布里-珀罗干涉原理和数学叠代法,建立了泄漏声波通过换热器管排阵列传播的数学模型,数值计算了不同结构参数的换热器管阵列对泄漏声波的截止与导通的频段位置及带宽,提出了管阵列内部管道泄漏声传输的“聋带”和“聪带”的概念。并用电声谱和空气泄漏声谱对管排阵列的声传输特性进行了实验研究,结果表明电声谱的“聋带”位置与理论预测值基本吻合,并与当前国际上“声子晶体”研究所揭示的现象一致。泄漏声谱的传输特性在较低频率段与理论值吻合较好,但在较高频段偏差较大,原因是泄漏喷流与管阵列相互作用产生了二级声辐射。同时得到了不同排数的声透射特征,为泄漏源定位提供了依据。 利用Helmholtz积分方程,数值计算了泄漏声波在通过管排阵列时,在管道表面产生的声场分布和激发管壁共振的模态频率,给出了管排结构参数对管壁表面声场的影响规律,得出了管壁的模态共振频率与孤立管基本相同的结论。 利用光学Fermat原理和数学变分方法,建立了三维温度梯度场中的声传播路径的数学模型,数值计算了一维轴对称和二维单峰对称和偏斜温度场中的声传播路径,从理论上描述了炉内声线由高温区向低温区弯曲的现象,说明了炉内非均匀温度场中声传播路径“弯曲效应”是导致锅炉管道泄漏源定位失真的重要原因。


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