專利名稱：電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火力發(fā)電中鍋爐承壓管泄漏監(jiān)測技術(shù)，具體說是涉及火力發(fā)電機組的 鍋爐內(nèi)水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器受熱面管道泄漏的精確定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
火電鍋爐的“四管”泄漏一直是困擾火電機組安全生產(chǎn)的一大難題，進行鍋爐爆管 早期預報，在其還未發(fā)展成為破壞性爆漏之前及時發(fā)現(xiàn)泄漏，并確定泄漏點的位置。對于妥 善安排停爐、縮短檢修時間、減少經(jīng)濟損失有重大意義。目前，國內(nèi)外(參見專利"Acoustic Leak Detection System，，，US4960079、“鍋爐 承壓管泄漏在線監(jiān)測儀”，CN2253829)爐管泄漏檢測裝置采用大量布置測點覆蓋鍋爐受熱 面，在濾掉鍋爐背景噪聲后檢測泄漏聲的聲壓級大小和泄漏聲的頻譜特征對泄漏是否發(fā)生 加以診斷。若某測點發(fā)生報警，則確定泄漏源位于該測點為圓心，10米為半徑的半球空間 內(nèi)，所以裝置的主要作用還是判斷泄漏并確定泄露的受熱面，并不能定位到具體的管排上。 對于泄漏孔徑1 4mm，檢修任務(wù)則往往需要花費大量的人力和時間，其面臨的重大技術(shù)難 題是解決泄漏源的精確定位問題。本發(fā)明突破當前鍋爐四管泄漏檢測中單點各自探測的思路，考慮各個單點傳感器 之間的相干信息_將傳聲器組成陣列接收泄漏信號，經(jīng)過對聲信號的互相關(guān)處理得出聲音 到達不同位置傳聲器的時間差，再根據(jù)目標與基元位置之間的幾何關(guān)系確定出其泄漏位置。但是基于傳聲器陣列的被動聲測定位主要應(yīng)用于雷達和聲納系統(tǒng)的測距和定位 中，其定位算法建立在定位目標距離遠大于聲陣特征尺寸(遠場r>>L)的基礎(chǔ)上，本發(fā) 明的目的之一在于根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)特點建立適用于電站鍋爐的被動聲測定位算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了在電站鍋爐承壓管泄漏后，確定泄漏點的位置。從而妥善安 排停爐、縮短檢修時間、減少經(jīng)濟損失。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的步驟一由于泄漏坐標是三維參量，若采用線陣只能確定其中的二維參量；立體 陣可以對整個空間定位，但其算法要復雜得多；面陣中可以在整個平面對泄漏聲源進行定 位，五元或五元以上構(gòu)成的十字陣列和均勻圓陣有良好的測量性能，其基本思想是通過增 加敏感元來提高定位精度，但增加元數(shù)勢必增加系統(tǒng)的成本且其結(jié)構(gòu)也不適合在電站鍋爐 上應(yīng)用；首先設(shè)計出由禮、112、113和虬四個傳聲器構(gòu)成的平面聲陣列與其在爐膛的布置。步驟二 通過ML廣義互相關(guān)得到時間延遲估計。知表示傳聲器Mi到Mj距點聲源 的距離差，即知=SM-SMj = c T iJ7 t ^為其時間延遲，c為有效聲速，T為觀測時間，其兩 路信號的互相關(guān)時延估計為 加窗濾波后，兩信號的互功率譜可表示為 又因為互相關(guān)函數(shù)與互功率譜函數(shù)之間是一對傅里葉變換的關(guān)系，因此相關(guān)函數(shù) 的輸出為 ML (最大似然)權(quán)函數(shù)
其中
為兩麥克接受信號的模平方相干函數(shù)，表達式為
^^m^GyA分別表示信號的自功率譜和S功率譜c
步驟三雷達和聲納系統(tǒng)的四元陣列測距和定位中，通常進行遠場假設(shè)
其中r為聲源到基陣中心距離，L為基陣特征尺寸)，所以有

由(1)、(2)、(3)式即可得出雷達和聲納系統(tǒng)定向和定距公式 從定位方程來看，泄漏源坐標參數(shù)與四元方陣的特征寸，爐膛內(nèi)聲傳播速度以及 時延測量值有關(guān)，前兩項通過精確預測可使測量誤差減小到所要求的精度范圍內(nèi)，因而對 目標定位精度的分析僅考慮時延估計誤差所帶來的影響。若各基元的噪聲獨立，延測量值 不相關(guān)且時延測量噪聲服從均值為0，方差為o T2的高斯分布。根據(jù)誤差合成理論，雷達和 聲納系統(tǒng)的四元陣列測距和定位算法時延誤差引起方位角^，俯仰角9的測量誤差為 由求解方位角爐、仰角0的公式可見，此處應(yīng)用了 r >> L，但對于電站鍋爐國內(nèi) 某電廠8#鍋爐型號為SG-1025/17. 5-M723，其結(jié)構(gòu)為深13. 64m、寬14. 022m、高74. 13m，如
應(yīng)用r>>L，忽略#cos0cosp、#cos0sin^項會對方位角巾仰角0的求解精度造成很 2r2r爐、
大的影響。本發(fā)明采用如下的算法，通過時間遲延的組合提高定位精度，將公式相加得
同理可得
將兩式相除可得 同理可得到仰角的計算公式 即，鍋爐“四管”泄漏精確定位系統(tǒng)采用的時間遲延組合的求解算法 根據(jù)誤差合成理論，時延誤差引起方位角口的測量誤差為 其中利用
(2 丁 31+ T 32+T 21+ T 41+ T 43) 2+ (2 丁 42+ T 32+ T 41- T
+2 ( T 31+ T 324“T 42+ T 41) +2 ( T 31+ T 21+ T 34— T 42)
=4[( X 31+ T32+ T 42+ T 41) + ( T 31+ T 21+ T 34— T 42.
從而得到化養(yǎng)^
同理可得鍋爐“四管”泄漏精確定位系統(tǒng)采用的時間遲延組合的求解算法時延誤 差引起方位角^，俯仰角9的測量誤差為 比較公式(5)和(7)，可以看出應(yīng)用了 r >> L，忽略^"COS0COS爐、^cos沒sin爐項
的影響會對求解精度造成影響，而通過時間遲延組合的求解方法則能將方位角，俯仰角9
定位方差減小一半。本發(fā)明的有益效果是突破當前鍋爐四管泄漏檢測中單點各自探測的思路，考慮各 個單點傳感器之間的相干信息_將傳聲器組成陣列接收泄漏信號，經(jīng)過對聲信號的互相關(guān)處理得出聲音到達不同位置傳聲器的時間差，再根據(jù)目標與基元位置之間的幾何關(guān)系確定 出其泄漏位置。根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出了鍋爐承壓管泄漏精確定位傳聲器陣列及其在爐 膛中的布置；通過ML廣義互相關(guān)函數(shù)得到時間遲延估計比直接互相關(guān)峰值穩(wěn)定尖銳；采用 時間遲延組合的求解算法實現(xiàn)承壓管泄漏的精確位置確定其定位誤差比雷達和聲納系統(tǒng) 的四元陣列測距和定位的方位角^，俯仰角9方差減小一半；解決了鍋爐“四管”泄漏的精 確定位問題。


圖1平面四元陣列被動聲定位系統(tǒng)傳聲器布置圖2 600MW機組鍋爐“四管”泄漏定位四元陣列分布3鍋爐“四管”泄漏精確定位系統(tǒng)拓撲4 “四管”泄漏被動聲測ML廣義互相關(guān)時間遲延估計
具體實施例方式采用平面四元陣列對電站鍋爐四管泄漏進行精確定位，其傳聲器的陣列結(jié)構(gòu)及其 在爐膛的分布如圖1、圖2所示，測點布置可根據(jù)現(xiàn)場情況適當改動。SG-1025/17. 5-M723 型號鍋爐共分為A、B、C、D、E、F、G層，共30個測點。定位系統(tǒng)的硬件及軟件拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳聲器和前置放大器采用1/2英寸 預極化駐極體測量傳聲器MP201 (靈敏度50mV/Pa)和ICP前置放大器MA201。信號調(diào)理器 提供用于傳感器的ICCP供電，并可對信號進行濾波與放大。調(diào)節(jié)檔分三個1倍，10倍，100 倍，BNC接頭，18V直流電源供電，調(diào)理后的信號通過68針同軸接頭電纜與數(shù)據(jù)采集卡連接。采用LabVIEW軟件和NI PXI-6133采集卡，每通道采樣速率最高可達3MS/s。設(shè)置 采樣頻率為fs = 102400S/s。國內(nèi)某電廠8#鍋爐型號為SG-1025/17. 5-M723，其結(jié)構(gòu)為深 13. 64m、寬14. 022m、高74. 13m，設(shè)計四元陣列的特征尺寸為12m?，F(xiàn)場蒸汽噴氣，蒸汽壓力 為5 8. IMPa,孔徑為2mm得到ML廣義互相關(guān)時間遲延估計(通道1、2)如圖4所示。在
采樣點N = 426處檢測到ML廣義互相關(guān)函數(shù)非常穩(wěn)定的尖銳峰值，計算、=，實驗結(jié)果
如下表1電站鍋爐承壓管泄漏定位ML廣義互相關(guān)時間遲延估計結(jié)果 s 實施例1利用基陣B測量得到水冷壁管道泄漏定位結(jié)果如表2所示。表2水冷壁管道泄漏定位 實施例2利用基陣C測量得到再熱器管道泄漏定位結(jié)果如表3所示。表3再熱器管道泄漏定位結(jié)果 實施例3利用基陣D的NO. 13，14，19，20測點測量得到過熱器管道泄漏定位結(jié)果如表4所
7J\ o 表4過熱器管道泄漏定位結(jié)果
實施例4利用基陣E測量得到省煤器管道泄漏定位結(jié)果如表5所示。表5省煤器管道泄漏定位結(jié)果
權(quán)利要求
一種電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)電站鍋爐的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出由M1、M2、M3和M44個傳聲器構(gòu)成平面四元聲陣列并給出其在爐膛的分布，通過ML廣義互相關(guān)函數(shù)得到時間遲延估計，采用時間遲延組合的求解算法實現(xiàn)鍋爐承壓管泄漏的精確位置確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于所述電 站鍋爐的泄漏點坐標是三維參量，若采用線陣只能確定其中的二維參量；立體陣可以對整 個空間定位，但其算法要復雜得多；面陣中可以在整個平面對泄漏聲源進行定位，五元或五 元以上構(gòu)成的十字陣列和均勻圓陣有良好的測量性能，其基本思想是通過增加敏感元來提 高定位精度，但增加元數(shù)勢必增加系統(tǒng)的成本且其結(jié)構(gòu)也不適合在電站鍋爐上應(yīng)用，因此 設(shè)計出由MpM2、M3和M4，四個傳聲器構(gòu)成的平面聲陣列及其在爐膛的布置方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于，所述時間延遲估計采用ML廣義互相關(guān)法 00式, ML為最大似然權(quán)函數(shù) 其中，I、(f) I2為兩麥克接受信號的模平方相干函數(shù)，表達式為 )別表示信號的自功率i普和i功率i普。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于采用的時 間遲延組合的求解算法為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于泄漏々號方位角的精確解應(yīng)用屯 柳得 到。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，其特征在于應(yīng)用 得到泄漏信號仰角9的精確解。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于火力發(fā)電機組的鍋爐管道泄漏探測定位技術(shù)領(lǐng)域的一種電站鍋爐“四管”泄漏聲測精確定位系統(tǒng)，根據(jù)電站鍋爐的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計出了鍋爐承壓管泄漏精確定位傳聲器陣列及其在爐膛中的布置，通過ML廣義互相關(guān)得到時間遲延估計，并采用時間遲延組合的求解算法實現(xiàn)承壓管泄漏的精確位置確定。通過聲程差組合得到平面正四方陣的定位算法也適用于空中運動目標，如飛機、導彈和無人機等目標的高精確度定位、近場被動聲測的高精確度定位。
文檔編號G01S5/18GK101876698SQ20091024240
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者姜根山, 安連鎖, 沈國清, 王鵬 申請人:華北電力大學