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基于声波理论的炉膛温度场在线监测技术研究

沈国清  
【摘要】: 大型燃煤电站锅炉中,炉膛温度场的分布和可视化对于实现安全、高效及低污染排放,对揭示燃烧现象本质和规律等都有重要的实用价值和科学意义。然而,电站锅炉燃烧过程中具有瞬态变化、随机湍流、设备庞大、环境恶劣等特征,目前尚未建立有效的炉膛温度场监测手段。本文从声学基本理论出发,提出了基于声波理论的炉膛温度场在线监测技术,对此展开深入的理论和实验研究,为该方法的工程实际应用提供理论支持和技术指导。 本文推导了炉内声波传播的波动方程和声速方程,建立声速与媒质温度之间的模型关系式。根据Fermat原理和数学变分方法,建立了非均匀温度场中的声传播路径的数学模型,并求出声线方程。对声学测温所可能产生的测量误差进行了分析。通过炉内声场分析,认为炉膛内的声场在低频时是驻波声场,在中高频时是扩散声场,临界频率为Schroeder频率。 基于双通道的测量模型,提出基于互相关法分析的时间延迟估计算法,并在频域进行加权处理,可以获得更高的时延估计精度。由于不同的信号和噪声类型应当选择合适的统计分析方法,提出基于高阶累积量的时间延迟估计法,在指数分布信号中加入实测炉膛噪声信号,设定不同的信噪比,分别对基于ML互相关方法和基于三阶累积量方法进行了100次蒙特卡罗时延估计仿真试验。结果表明,在较低的信噪比下,三阶累积量方法仍可以抑制非高斯信号中相关高斯噪声的影响。针对炉膛中可能存在的混响的影响,提出了倒谱和包络法的处理方法。 提出基于级数展开法的温度场重建,建立权因子矩阵、图像矩阵和投影矩阵之间的线性方程。针对温度场重建这一逆问题的数学模型,给出代数重建公式,并对不适定问题进行了正则化处理,分别对炉膛火焰分布的几种典型模型进行了仿真重建。通过误差分析,表明该算法可以提供炉膛截面任意点定量的温度信息。在模拟测量数据中加入一定的随机噪声,验证了该算法的鲁棒性。针对典型的炉内温度场呈对称分布情况,提出了先假定单路径函数,再划分网格,用插值方法求网格点温度的算法,并验证了该重建算法的正确性和可行性。 通过理论分析和现场测量,指出炉膛噪声以中心频率250~1000Hz左右的低频燃烧噪声为主,总声压级范围约为110~120dB,其概率密度函数接近于高斯分布。对声波测温系统的重要部件选型和设计进行探讨,开发了一套完整的八通道声学测温系统,分别在实验室条件下和国内某电厂的300MW机组锅炉上进行了常温下的实验研究。


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