（计算机应用技术专业论文）改进的小波神经网络在声学测温系统中的应用研究.pdf

山东理工人学硕上学位论文 摘要 曼i 一一i i 鼍= = = = = = = ：= = = = = = 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。本文对基于声波理论的炉膛 温度场测量技术，展开了深入的理论和实验研究。 声学测温的测量原理是通过测量声波的飞渡时间间接测量温度，因此精确 的声波飞渡时间测量是声学测温的前提和保证。本文通过对传统时间延迟估计 算法的分析，指出了传统算法存在的问题与不足，针对燃煤锅炉的实际环境， 提出了改进的四阶累积量时间延迟估计算法。通过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m l 互相关算法和改进的四阶 累积量算法进行了时延估计仿真实验。结果表明，在较低的信噪比下，改进的 四阶累积量算法仍可以抑制非高斯信号中相关高斯噪声的影响。 在声学法炉膛火焰温度场图像重建研究中，重建算法是实现温度场图像高 精度重建的关键，本文通过对传统温度场重建算法的分析与研究，指出了其存 在的问题与不足，结合所学知识，提出了采用实时校正的小波神经网络算法来 实现温度场的重建，通过仿真改进的小波神经网络温度场重建算法取得了较好 的重建效果。 关键词：声学测温；时间延迟估计；四阶累积量算法；温度场重建：小波神经 网络算法 山东理t 大学硕十学位论文a b s t r a c t a b s tr a c t i nl a r g ec o a l f i r e dp o w e rp l a n t ，t oo p e r a t es a f e l ya n de f f i c i e n t l y ，t ol o w e r p o l l u t i o n ，a n d t or e a l i z et h ee s s e n c eo ft h ec o m b u s t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o na n d v i s u a l i z a t i o no ft h ef u m a c et e m p e r a t u r ef i e l di si m p o r t a n ti np r a c t i c a lv a l u ea n d s c i e n t i f i cm e a n i n g h o w e v e r ，t h ep r o c e s s i n go fc o m b u s t i o ni np o w e rp l a n tf u r n a c e i si n s t a n t a n e o u s ，r a n d o ma n di nh a r de n v i r o n m e n t a n dt h es c a l eo ff u m a c ei sl a r g e a tp r e s e n t ，a ne f f e c t i v em o n i t o r i n gm e a s u r e m e n to nf u r n a c et e m p e r a t u r ef i e l dh a s n o tb e e ne s t a b l i s h e d f u r t h e rt h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d yi sd e v e l o p e do ft h e r e a l t i m em o n i t o r i n gt e c h n i q u eo nf u r n a c et e m p e r a t u r ef i e l db a s e do na c o u s t i c t h e o r y t h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fa c o u s t i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti si n d i r e e t m e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r et h r o u g hm e a s u r et h es o u n dt r a v e l t i m e s oa c c u r a t e s o u n dt r a v e l t i m ei st h e p r e m i s e a n da s s u r a n c eo fa c o u s t i c t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t t h et i m ed e l a ye s t i m a t i o n ( t d e ) o fw e a ks o u n ds i g n a lu n d e rt h e c o n d i t i o no fs t r o n gn o i s ei ss t u d i e d t h ed i s a d v a n t a g e so fs o m et r a d i t i o n a l m e t h o d so ft d ea r es h o w n an e wt d em e t h o db a s e do ni m p r o v e df o u r t ho r d e r c u m u l a n t si sg i v e n t h es i m u l a t i o nt e s t so ft d ea r ed o n eb a s e do nt h em l c r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o da n d ，a v e l e tn e u r a ln e t w o r k s m e t h o dr e s p e c t i v e l yu n d e r d i f f e r e n ts i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo f c o r r e l a t e dg a u s s i a nn o i s ec a nb er e s t r a i n e df r o mt h en o n g a u s s i a ns i g n a lb a s e do n t h ei m p r o v e df o u r t ho r d e rc u m u l a n t se v e nu n d e rp o o rs nr r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m i s i m a g ek e y t oa c h i e v e h i g h p r e c i s i o n r e c o n s t r u c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da tt h ea c o u s t i cm e t h o df u m a c ef l a m e t e m p e r a t u r ef i e l ds t u d yo fi m a g er e c o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r t h r o u g ha n a l y s i s a n dr e s e a r c ht h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s t h e p r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g sa r ep o i n t e do u t c o m b i n i n gt h es t u d i e dk n o w l e d g e ， p r o p o s e dt h eu s eo fr e a l t i m ec o r r e c t i o no fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mt o a c h i e v et h er e c o n s t r u c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d t h es i m u l a t i o nb yw a v e l e tn e u r a l n e t w o r kt oi m p r o v et h et e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mh a sab e t t e r r e c o n s t r u c t i o ne f f e c t s k e y w o r d s ：a c o u s t i c sp y r o m e t y ；t i m ed e l a y e s t i m a t i o n ；f o u r t h o r d e r c u m u l a n t sa l g o r i t h m ；t e m p e r a t u r ef i e l d sr e c o n s t r u c t i o n ；w a v e l e t n e u r a ln e t w o r k sa l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 直慧时间：2 d c ( ) f 年乡月么日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 谬喜 似茅 ll i 时l - j ：2 0 。7 年石月乡日 时1 - j - 3 0 0 7 年6 月么日 山东理t 人学硕上学位论文第一章绪论 - - 一_ 一； m m 曼曼曼曼曼鼍曼曼! 曼曼 1 1 课题背景 第一章绪论 能源是国民经济的重要物质基础，也是人类生存和发展的重要保证。在 2 l 世纪的今天，能源和环境是困扰全球可持续发展的两大主要问题。我国能 源丰富，尤其是煤炭和水利资源，由于煤炭和水力资源的丰富，为我国火力发 电和水力发电提供了便利的条件，但是水力发电受季节、气候等因素的影响， 很难广泛使用，目前我国的电力以燃煤形式的火力发电为主，并且这种趋势在 相当长的时间内都不会改变。 近年来，我国的电力工业迅猛发展，一大批3 0 0 m w - 6 0 0 m w 等级的大 型电站相继投入运行。由于我国煤种多变，而且劣质煤较多，又由于市场因素， 经济因素和人为因素的影响，往往运行的煤种和设计的煤种有差别，给设计和 运行都带来一定的困难，产生了一些严重影响安全运行的重大问题，如：炉膛 结渣、过热器再热器超温爆管、水冷壁高温腐蚀和环境污染等。煤质改变也 给锅炉乃至整个电厂的经济性带来很多问题。电厂的运行工况由于各种内外扰 动而发生变化，特别是调峰运行和煤质变化对锅炉乃至整个电厂影响很大，各 种运行参数、运行费用、发电成本都将发生变化。所以在提高发电技术的同时， 要充分考虑系统的安全性。提高燃煤发电机组的热效率，节约有限的煤炭资源， 同时降低燃煤过程产生的污染，这是我国实现可持续发展的一项重要而紧迫的 课题。 随着节能降耗和环境保护方面要求的提高以及国民经济的发展对电力需 求的不断扩大，燃煤锅炉机组运行的安全性、经济性以及低污染问题显得特别 突出。这些问题都与燃烧好坏与否有直接联系。在大型火力发电厂燃煤锅炉中， 炉内温度场的分布是反映燃烧过程的重要参数直接影响到煤粉的着火、燃尽以 及锅炉的安全性，对于锅炉控制和故障的诊断具有极为重要的意义。同时，准 确的温度场信息也是锅炉燃烧、运行优化的重要依据，因此在实现节能环保方 面也具有重要的意义。 由于工业燃烧过程自身具有瞬态变化、随机湍流、设备尺寸庞大、环境恶 劣等特征，而且，炉内为上千度的高温气体，这都给有关热物理量参数的在线 测量带来困难，难以获得描述实际燃烧过程的热物理量参数，特别是对温度的 测量带来困难【2 l 。由于我国锅炉多以煤作为燃料，对炉内高温气体( 炉气) 温度 的测量已成为提高大型燃烧设备安全性和经济性的瓶颈。 据报道目前国内容量在2 0 0 m w 以上的机组中，相当多的温度检测效果不 山东理t 人学硕l ：学位论丈第一荦绪论 理想，有的甚至不能投入正常使用而不得不取消灭火保护功能，成为影响安全 运行的一大隐患1 3 】。因此，寻找一种简便、快捷的方法进行温度的测量显得尤 为重要，这对提高燃烧效率及锅炉的生产效率，提高产品质量、节约能源、炉 子热工过程的模化及结构设计的优化、寻求最佳热制度及最优控制策略，降低 金属烧损率及减小环境污染等方面都有重要意义。 1 2 炉内温度检测技术的发展 各种测温方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度之间一定的关系 【4 】，例如物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温 度有关。当温度不同时，以上这些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这 些参数的变化，就可间接地知道被测物体的温度。鉴于温度参数对于火焰燃烧 过程的重要性，测温方法的研究一直是燃烧领域的热点问题。研究者基于物体 这些物理化学性质与温度的关系，结合科学技术的新成果，经过长期不懈的努 力，开发了形式繁多的温度测量方法及其相应的测量装置。下面将对目前己在 炉内温度场测量中得到应用的主要测温方法进行介绍。一般来说，温度测量方 法分为接触测量法和非接触测量法两大类【4 j 。如图1 1 。 图1 1 火焰温度测量方法分类图 2 山东理工大学硕一f ：学位论文 第一章绪论 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i m m 一一一m ! 蔓曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼邑曼曼曼 1 2 1 接触式测量法 接触测量法中，测量仪表的感温元件直接与被测介质接触，测量方法比较 简单而且直观。这种方法的缺点是： ( 1 ) 由于测温元件直接插入被测介质难免影响介质的温度场，因而带来测量误 吉当 z j 二o ( 2 ) 大多需等待热平衡时才能正确测定温度，测量过程会受被测对象特性及传 热方式的影响，实时性很难保证，所测定温度与实时温度不可能一致。 ( 3 ) 当介质具有腐蚀性，在高温条件下测温元件的使用期限相对缩短，测量准确 度也会相应降低。 一、热电偶测温法 热电偶测温法是一种主要的接触测量法。热电偶测温法由热电偶、电测仪 表和连接导线组成测温仪器，是最常用的接触测温方法。热电偶用两种不同导 体或半导体组成闭合回路，两个接点分别处于不同温度环境中时，回路就会产 生电动势，称为热电势。通过标定可以用来测量温度，它被广泛用来测量 1 0 0 1 6 0 0 范围内的温度，用特殊材料制成的热电偶还可以测量更高或更低的 温度。从原理上说热电偶测温有较高的准确度和复现性。但热电偶只能测量出 测量端点所处场所的温度，即只能完成“点”的测量。而锅炉燃烧中，整个炉内 的温度场和空间的温度分布才是我们关心的重点，而且热电偶对于高温和磨蚀 性很强的炉内燃烧环境显然是不适合的1 5 j 。热电偶测温法用在工业炉中通常存 在着以下几个问题： ( 1 ) 经常发生内部材料熔焊导致错误测量读数。 ( 2 ) 不适合持续高温测量。 ( 3 ) 易烧坏。一根新的热电偶在很短的时间内，几乎当天就被烧坏。 ( 4 ) 在不锈钢套管中的使用寿命只有3 - 4 天。 ( 5 ) 更换费用高。主要体现在零部件价格高，更换麻烦费时。 另外，热电偶的热交换主要依靠空气对流，传热效果相对较差。由于周围 环境的热辐射，热电偶元件的热平衡会受到影响，产生误差。实际应用中，大 型热电偶，如屏蔽探针和真空高温计的辐射误差能达到3 以上。 电厂里常用的抽气式高温计就是采用装在3 0 英尺长的探头上的水冷热电 偶来测量温度的。探头靠人工通过通道插入炉膛。由于热电偶具有辐射屏蔽罩， 及高速抽入的烟气覆盖在热电偶上，所以，减少了热电偶的辐射热损失，辐射 屏蔽罩和高速度的结合使热电偶测出的温度更接近真实的烟气温度。 由于许多原因，用抽气式高温计测量炉膛温度是困难的。探头很重，一般 需两个人操作，才能插入相应的长通道和无阻空间。因此，其应用受到可达性 3 山东理t 大学硕i j 学位论文 第一章绪论 的限制。另外，在测量期间，溶渣快速地堆积在探头的辐射屏蔽罩上，把误差 引入了温度读数。所以，要求每1 0 15 分钟更换一次屏蔽罩，经常更换屏蔽罩 就意味着长时间将探头维持在某一点以便连续监测是不可行的。 由于逐点测量温度，所以用抽气式高温计，温度读数也可能出现误差，用 这种方法，测量炉膛的整个断面一般需要1 3 小时。在这段时间内，由于堆积 在炉膛水冷壁上的熔渣等诸因素的影响，炉膛的运行工况，例如温度，可能变 化较大。 二、黑体腔式热辐射高温计 黑体腔式热辐射高温计，亦称接触式光纤高温计，是近十几年来随着光纤 技术发展起来的一种新型的接触式测温方式。它是通过选择耐温可达 1 9 0 0 - 2 0 0 0 的蓝宝石单晶光纤作为基体材料，在其端部涂覆铱等金属薄膜构 成黑体腔。当黑体腔深入高温火焰中时，在火焰局部达成热平衡后，黑体腔内 产生自发热辐射，通过光纤耦合器经普通石英光纤将辐射能传送到检测系统， 利用双色测温方法测量出当地温度。这种方法结合了接触测温和非接触测温法 的优点，具有不存在光学窗口被玷污和不受背景杂光干扰、易于操作的特点。 与热电偶测温方式相比，具有测温上限高、精度高、动态响应快的优势。拓宽 了接触式测温方式在高温领域的应用范围，具有较好的应用前景。 1 2 2 非接触测量法 非接触测温法能在接触测温不能使用的场合下使用，它具有响应速度快， 灵敏度高和分辨率强等优点，能够较好地实现对高温、微小、旋转、高速移动 和腐蚀性较强等不可接触目标的温度测量。非接触式一般从辐射学和光谱学两 种方法着手，从光纤高温计、红外高温计到各种激光测温技术如激光感生荧光 法p l i f ( p l a n a rl a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 等都在不同场合得到了应用，而 且分别具有适于特定情况的突出优点。但现有的各种测温方法都难以直接用来 测量燃烧火焰的温度分布。 一、采用激光的光学测温方法 激光技术的出现和发展开辟了火焰温度测量的新领域，经过短短十几年时 间取得了令人瞩目的成就，先后开发成功多种火焰温度的激光光谱测量及诊断 技术。其中，基于激光的喇曼散射的测温方法运用最广。除此之外，光学测温 方法还有激光相移全息测温技术、全息干涉法、激光散斑测温法和纹影法( 或 m o i r e 法、云纹法) 等方法。所有这些测量方法都具有测量装置复杂，需要附 加外光源等共同点，限制了其在工业现场的应用。光学高温计也曾被用来测量 炉内温度场，但应用后发现了不少问题： 4 山东理工人学硕e 学位论文 第一苹绪论 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼! 曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼 _ m mm _ m 曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼! ! 曼 ( 1 ) 光学高温计实际上测量的是一种高温气体热通量的辐射温度，因此，通过 窄频滤光，光学高温计只能用来测量一种特定的烟气成分来近似的得到总 的烟气温度。由于烟气的多种成分的存在，所以无论选择哪一种烟气成分， 都不能代表燃烧烟气的温度。 ( 2 ) 光学高温计的读数存在人为误差。例如，三名专业人员依次用同一台光学 测温计对同一个目标进行测量，测出的温度值会存在着较大的差异。 ( 3 ) 为了保证相对的准确性，光学高温计需要不断的重新校准。 ( 4 ) 光学高温计能够永久性安装，但是镜头容易结垢，而且电路元件有相对的 最低温度限制。 ( 5 ) 光学高温计仅可以在现场读数，给测量和操作带来极大不便。 二、红外发射一吸收c t 法 该方法采用c t 技术实现温度测量。c t 技术是基于投影重建的原理，它 不仅已在医学领域得到了广泛的应用，而且在工业诊断中也发挥了极大的作 用。利用光学c t 方法测量火焰温度分布，被测量的量可以是介质折射率，也 可以是辐射强度。利用介质的发射、吸收特性与温度的关系进行温度测量是一 种较为普遍的方法。考虑到水分、气态燃烧产物的辐射和吸收区，测量的光谱 波段常选择红外区。因此该方法被称为红外发射一吸收c t 法。据报道，利用 这种方法在炭黑火焰的实验室研究中已取得了较好的测量结果，其主要优点在 于试验应用较为简单，数据处理也并不复杂，所得温度值对介质的参数并不敏 感。此外，该方法还常用于实验室中的小型燃气火焰测量，许多研究者将火焰 简化为轴对称，因此燃烧介质被划分为一系列的同心圆。其内部的发射系数通 过代数重建的方法导出，而内部吸收系数则通过带或不带参考光源的辐射强度 计算获得。 三、基于数字图像处理的炉膛火焰检测 在火焰电视得到广泛应用的同时，也暴露出一些缺点。它一般仅通过判断 火的颜色和亮度来保证燃烧火焰不熄灭，不能作为定量判断依据，也不能联入 自动控制系统。因此，进一步拓展火焰电视的内涵，尽可能发挥其效能，使火 焰监视由单纯的保证锅炉正常安全运行向提高锅炉运行经济性、降低污染物排 放、形成锅炉燃烧在线诊断与调整专家系统等更高层次的应用领域延伸，已经 成为锅炉安全监控研究的重点内容。近年来随着计算机技术特别是多媒体技术 的发展，使c c d 摄像机输出的视频信号能够转化为计算机可以处理的数字化 图像，意味着原先定性的火焰图像信号可以进行定量分析了【6 】。这样就为火焰 的后续分析和自动监控提供了可能。目前，越来越多的学者将数字图像处理技 术与热辐射原理相结合【7 1 ，用以测量炉膛中的火焰动态投影温度场等参数，并 进而用于锅炉的燃烧与控制。 5 山东理t 大学硕f 学位论文 第一荦绪论 但是，采用内窥式风冷c c d 摄像头，存在着在高温粉尘和熔渣等现场恶 劣环境下长期连续工作的寿命与维修等问题，分辨率不高而产生的“偷看”问 题，小视角的检测镜头难于随时对准漂移的火焰着火区问题等。 四、辐射测温方法 全辐射体( 黑体) 的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐 射体的辐射出射度就可知道其温度。辐射测温的原理是来自于辐射能量分布的 p l a n c k 辐射定律。利用p l a n c k 定律，针对不同的测量对象，开发了单色法、 双色法、比色法和多色法等测温技术。 由于具有非接触测温法的响应快、不干扰测量对象的优点，单色测温得到 了广泛的应用。特别是近年来电子技术的发展，热象仪的出现为单色测温法提 供了一种方便的测量手段，然而单色法测温需要知道测量对象的黑度。对于介 质吸收性较强的燃烧系统，黑度较难确定，降低了测量的精确度。 五、热交换分析法 热交换分析法其实是基于传热学理论的温度计算方法。其主要缺陷是间接 测量温度，即从炉膛出口的锅炉对流烟道取得的读数来推算烟气温度。在这些 计算中，通过对流区域的每一断面只能得出一个温度值。作为一种结果，该值 不能获得有关温度分布的二维数据。 此外，该技术不能估算低于辐射区域的烟气温度。热交换分析法也需要许 多对热电偶，通常热电偶只有6 个月的使用期限，还必须精确地测量通过各个 回路的蒸汽流量和温度。 六、声波法 目前，采用声波作为介质来测量温度主要有声音传播速率法( 简称声速法) 和频率变化两种方法。该方法利用声波在气体介质中传播时与气体温度作用引 起的速率或频率变化来求解温度或温度场。 基于声波理论的锅炉燃烧在线监测技术，作为一种非接触式温度测量技 术，不受外部条件的影响，适应各种高温、腐蚀、多尘的恶劣环境，能够给出 整个炉膛温度场的各部分准确的温度数据，能够对炉膛温度场进行连续测量， 实时监测和远程控制。 正由于声学炉内温度场实时监测系统自身有着诸多的巨大优势，在火力发 电厂中有着极其广泛的应用： ( 1 ) 可根据炉内温度场实时监测的结果及时调整燃烧器平衡，控制火焰中心 位置。防止火焰直接冲刷水冷壁，减小水冷壁的应力和磨损，改善水循 环( 特别是对四角喷燃炉) 。同时还能帮助识别燃烧器的非正常工况，如 堵粉、下粉不匀等。 ( 2 ) 根据实时的烟气温度监测值和火焰分布，调整、优化风、煤比或多种燃 6 山东理工人学硕i j 学位论文 第一荦绪论 料分配比例，提高燃烧的经济性。 ( 3 ) 根据实时温度监测数据，控制炉内s o x 、n o x 吸收剂喷射区域温度，优 化炉内脱硫、脱硝反应，降低s o x 、n o x 排放j 。 此外，还可以代替维护量大的热电偶元件监测过热器和再热器区域的烟气 温度，在机组冷态启动或负荷波动时，防止受热面金属超温；实时测量受热面 前、后高温烟气温差，作为吹灰器切投的依据等。值得一提的是，目前仍有不 少国内外学者正在对声波法测量炉内速度场进行研究，这也是声波测量在锅炉 中广泛应用的原因之一。 1 3 国内外声学法测温的研究现状和发展 1 3 1 国外 1 9 8 3 年，英国中央电力产业局( c e n t r a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gb o a r d ， c e g b ) 的s f g r e e n 第一次提出将声学测温技术应用于锅炉炉膛的温度分布测 量，标志着这项新技术的诞生，引来了全世界的关注p 1 。 1 9 8 6 年，日本东京电力技术研究所的伊腾文夫，三菱重工长崎研究所的 坂井正康对燃煤锅炉中声波的衰减特性等进行了基础研究，认为1 2 k h z 频率 的声波是声学高温计的适用频率l l 引。 1 9 8 8 年7 月，在美国电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 的资助下，矿业能源研究公司( f o s s i le n e r g yr e s e a r c hc o r p ) 会同英国中央电 力产业局( c e n t r a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gb o a r d ，c e g b ) ，在堪萨斯电力电灯公 司( k p l ) 的劳伦斯能源中心的5 号机组上，布置了声学测点，对利用声学方 法测量炉内烟气温度的可行性进行了为期两周的实验。1 9 8 9 年，l j m u z i o 等 通过上述实验，对声学高温计首次作了独立评价，表明其比传统的高温烟气测 量有明显的优点，不仅可用于运行诊断，并可作为开发性研究的工具【l 引。 1 9 8 9 年，美国内华达大学电力工程系j a k l e p p e 在前人的基础上对声学 测高温技术进行了系统的总结，完善了声学测温系统的原理和结构组成i l 引。 但是，限于当时声学技术、微处理器、信号分析、图像重建等技术水平的限制， 现在看来一些知识已经过时，但为后来的理论研究提供了指导，意义重大。 1 9 9 3 年，德国r w e 能源股份公司的w i l l yd e r i e h 通过电站现场实验，初 步归纳了炉内温度分布与燃烧器布置、再循环烟气流量、二次风、锅炉负荷、 吹灰、结渣积灰和氮氧化物的关系，对声学测温用于监测锅炉安全运行打下基 础【15 1 。 1 9 9 5 年，明斯特大学的h e l m u ts i e l s e h o t t 在c o l l o c a t i o nm e t h o d 方法基础 7 山东理t 大学砀! 卜学位论文第章绪论 上首次提出了加入先验信息的重建算法i l6 。 1 9 9 6 年，意大利国家研究委员会( i t a l i a nn a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ，c n r ) 的m a u r ob r a m a n t i 等进行了声学高温计系统用于电站锅炉内的层析法热成像 研究，分别利用模拟和实际测量实验的数据得到了差强人意的重建结果1 1 7 j ， 实际数据来自意大利国家电力公司( i t a l i a nn a t i o n a le l e c t r i c i t yb o a r d ，e n e l ) 在撒丁岛s a n t ag i l l a 镇的一个电站实验。虽然仿真重建结果和实际数据一定 程度上相吻合，但是在现有锅炉上安装的测点数量和位置受到了热力条件和机 械条件的限制。因此，为了得到更好的结果，他们建议针对声波测温系统的安 装，在锅炉制造时考虑相应的设计。 1 9 9 6 年，j a k l e p p e 首次提出了将数字信号处理引入到声学测温中来， 这对声学测温精度的提高具有重要意义i i 引。 1 9 9 8 年，英国谢菲尔德大学的k j y o u n g 提出了声学测温在燃烧烟气中 的误差分析【l9 1 ，认为燃料的碳氢比、过量空气系数等对声学测温的影响可以 用修正因子加以调整，并且总测量误差不超过2 。 1 9 9 9 年，英国c o d e l 公司宣布推出新一代锅炉声学测温产品p y r o s o n i c i i 【2 0 1 。 2 0 0 0 年，日本岐阜( g i f u ) 大学w a k a i 试验小组的j l u 等提出了声波在 不均匀温度场内传播的折射问题是不容忽视的，即存在声波的“弯曲效应州2 1j 。 他们在计算机上利用最小二乘法及迭代方法进行了温度场重建的仿真。结果表 明，该算法一定程度上可以消除或弥补声波折射的影响，使得声学测温的准确 性和精度得到进一步的提高。 2 0 0 0 年，美国燃烧专家有限公司的g e o r g ek y c h a k o f f 提出了声学测温在 燃烧控制和尾气排放控制中的应用1 2 2 1 。 2 0 0 1 年，德国b u d i 公司的h p d r e s c h e r ，m d e u s t e r 提出了利用声学测温 获得的温度场分布来定义一个温度场的非均匀指数，可望将之作为调整燃烧的 重要参数，但是实现一个闭环控制还需进一步研究【2 3 1 。 2 0 0 5 年，g e o r g ek y c h a k o f 提出了声学测温在水泥制造工业中应用，并对 声学测温系统的发展作了回顾，对未来声学测温技术的发展充满信心【2 引。 1 3 2 国内 1 9 9 0 年，冯鸣翻译了p o w e re n g i n e e r i n g ) ) 1 9 8 9 年1 1 月份l j m u z i o 的 一篇文章【2 5 1 ，这是国内最早的一份报道，国内从事电力行业的人开始了解电 站锅炉中声学测温这一新技术。遗憾的是在后面的1 0 年左右的时间中，并没 有得到国内同行的关注。 8 山东理t 大学硕一l j 学位论文第一苹绪论 1 9 9 9 年，广东省电力试验研究所的曾庭华等将声学测温法和基于图像处 理的温度场测量法作了比较和讨论【2 引，认为非接触式测温比传统测温方法具 有较大优势，但其技术的发展和成熟仍需时日。 1 9 9 9 年，东北大学的邵富群等在国内最早成立课题组，正式研究声学测 温，并按照m a u r ob r a m a n t i 于1 9 9 6 年提出的思路，基于二维傅立叶函数展开 法对重建算法进行了仿真，发现等温线与炉墙正交现象严重，结果差强人意 1 2 7 1 o 2 0 0 0 年，吉林省电力科学研究院的黄庆康对国外开发的声学炉内温度场 实时监测系统的工作原理、系统硬件和软件构成、应用等作了较为详细的报道， 对国内从事相关研究的人员提供了借鉴1 2 引。 2 0 0 1 年开始至今，东北大学的田丰等主要针对声学测温中的重建算法作 了深入研究，提出了最小二乘法，基于高斯函数展开法等，并对重建过程中的 迭代和正则化作了尝试，取得了较为满意的结果1 2 9 。3 1 】。 2 0 0 3 年，华北电力大学的安连锁、姜根山等对声学测温的研究现状和关 键技术进行了总结，并提出了今后的研究重点【3 2 1 ，并在接下来的几年中提出 了基于单路径温度抛物线分布再插值的二维温度场重建算法口引，建立了温度 梯度场中声线传播路径的数学模型【3 4 1 ，提出了基于级数展开法的声学c t 重建 算法1 35 1 ，提出了基于高阶累计量分析的声波飞渡时间测量等【3 6 1 ，仿真实验和 现场冷态实验的结果较好，为声学测温技术的工程应用提供理论基础。 1 3 3 评述 由于声学的非接触式测量这一巨大优势的吸引，国际上对于炉内声学测温 技术的研究方兴未艾，尤其在美国和欧洲等发达国家引起大量研究机构和电力 企业的关注。同时，由于巨大的市场和经济潜力导致商业化过快，一定程度上 产品化超前于理论研究。虽然从上世纪8 0 年代早期到本世纪初的二十年左右 的时间中，声学测温产品在国外得到一定的应用，但由于技术上缺乏深入的理 论研究，仍然存在着一些问题。例如电站锅炉中非均匀温度场、多相流动介质 等对声波传播特性的影响，强炉膛背景噪声下声波时间延迟估计误差较大，数 字信号的采集、滤波等处理和分析过于简单，基于少量投影数据的温度场重建 精度不高等。 相对国外，国内的研究机构和人员较少，起步较晚，仅华北电力大学和东 北大学两家单位长期从事相关研究，取得了一定进展。而国内电力企业对该项 技术的重视程度不够，相关的投资和合作较少。因此应当针对电站锅炉中声波 的传播特性、数据采集、信号处理和重建算法展开更深入的研究，为该项技术 9 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 在我国的早日应用打下基础。 1 4 本文的主要创新点和工作任务 1 4 1 本文的主要创新点 声波测温是一种很有潜力的测温技术，其有着其他传统测温方法无法比拟 的优点，因而其研究具有极其重要的现实意义。基于声波理论的炉膛温度场监 测技术综合了锅炉、声学、电子、机械、数字信号处理和图像重建等多门学科。 本文采取了理论研究、建模仿真、实验验证相结合的研究方法。 本文主要创新点如下： ( 1 ) 本文在研究了国内外现状的基础上，对传统的时延估计算法，分析了所存 在的问题与不足。并根据炉膛燃烧的实际情况提出了改进的四阶累积量时延 估计算法，利用m a t l a b 通过仿真实验验证了改进的四阶累积量算法在信噪 比较低的情况下仍可以得到准确的时延估计。 ( 2 ) 本文对两种典型的炉膛火焰温度场重建算法进行了分析和讨论，指出了最 小二乘算法仅适用于较简单的温度场重建计算，并且对噪声干扰较为敏感。 傅立叶正则算法利用先验知识提高了温度场重建效果，但对复杂温度场的重 建具有局限性。提出了采用小波神经网络算法并对其进行了改进以适应复杂 环境下温度场的重建，并给出了相应的具体步骤和求解条件。通过m a t l a b 对以上三种算法进行了仿真，结果表明改进的小波神经网络算法要优于其他 两种温度场重建算法。 1 4 2 本文的主要工作任务 第一章，绪论。介绍了声学测温领域目前的国内外现状以及研究背景和意 义。并对目前常用的炉内温度检测技术及其发展趋势进行了较为详细的综述和 分析，指出了传统的测温方法所存在的问题和不足。然后，介绍了本文的主要 创新点和工作任务。 第二章，声学测温原理。介绍了声学测温的工作原理和关键性技术，通过 测量声波飞渡时间来测量温度。并介绍了测温路径对二维温度场重建的影响以 及测量误差的影响因素。最后对声波信号的选型进行了分析。 第三章，声波飞渡时间延迟估计的仿真研究及改进。首先介绍了时延估计 原理、结构模型及作用，对几种常用的传统时延估计算法进行了论述和分析， 指出了所存在的问题和不足。并根据炉膛实际燃烧噪声提出了采用改进的四阶 l o 山东理丁人学硕i j 学位论文 第一荦绪论 曼量曼! 曼曼! ! ! ! 曼! ! 皇! 曼曼曼曼舅i i i i i i 一一一一一i i 鼍曼曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼 累积量时延估计算法，通过仿真实验验证了改进的四阶累积量算法在信噪比较 低的情况下仍可以得到准确的时延估计。 第四章，温度场重建及其改进算法的研究。本章首先对两种典型的炉膛火 焰温度场重建算法进行了论述和分析，并指出了所存在的问题和不足，结合所 学知识，提出了采用改进的小波神经网络算法，并介绍了改进的小波神经网络 算法的原理及其优点，给出了相应的具体步骤和求解条件。利用相应的工具软 件结合有效的算法进行改进的小波神经网络模型的构建和仿真，并给出对仿真 结果的分析和结论。 第五章，结论。通过总结首先指出了本文的不足和应继续深入研究的内容， 并且提出了声学测温可以应用到其他的方面。 山东理丁大学硕卜学位论文第二章声学测温原理 第二章声学测温原理 声波是机械波，是振动在连续介质中的传播。声学测温原理正是建立在声 波波动理论和热力学理论基础之上的。众所周知，声波在介质中的传播速度随 介质温度的变化而变化1 3 。在声波测距系统中，声速的变化被当作误差，并 且必须得到纠正，但在声学测温技术中，正是利用声速的变化来测量温度的。 声学测温方法的原理很简单。理论上讲，声学测温所需的装置就是一个安 装在炉墙一侧的声波收发器和安装在另一侧的声波收发器。发射器发出一定频 带的声波信号，被接收器检测到，利用相关分析算法计算声波的飞行时间。由 于两者之间的距离是己知并且固定的，可以计算出声波脉冲传播路径上的平均 温度1 3 引，其原理如图所示。 2 1 波动方程 发射 器 图2 1 单路径声学测温示意图 根据波动学理论，当平面波动沿x 轴方向传播时，波动方程的推导过程 为( 如图2 2 所示) ：设媒质密度为p ，则这段媒质的质量为p - d x 。设媒质中正 应力丁，则这段媒质的左面将受到左方媒质施加的作用力丁( 特殊情况下即为 声压尸) 。右面将受到右方媒质的作用力：丁+ 署出。 因此，如果这段媒质的振动位移为孝，振速为，则这段媒质的运动方程 为： 肚警= n o 舐t d x m - = 豢出 ( 2 - 1 ) 即 1 2 山东理t 人学硕i j 学位论文第一二章声学测温原理 p 萼：p 擎：一娶出( 2 - 2 ) p j 声2 p 亩2 一瓦出 r + 竺出 0 - x 图2 2 波动示意图 2 2 声速c 和温度t 之间的关系 由于声学原理可知，工业炉内介质可视为无限大、各向同性、均匀、无衰 减的流体，声波只有纵波的形式存在。在这种情况下，声应力即声压p ( 所谓 声压就是叠加在流体静压上的由声波引起的交变压强) 。在声压作用下，长度 为出的媒体体积1 ，产生变化为咖，因面积不变，故体积的相对变化为d v v ，实 际上相当于厚度相对变化彬善。设媒质的体积弹性模量为丑，则根据b 的定 义： p = - b 尘= - b 攀( 2 3 ) ， g 由于p = t ，则式2 2 化为： p 警：一罢：口等( 2 - 4 ) p 季一瓦训吾 式2 4 即为流体媒质中纵波平面方程。又由波动理论可知，沿x 轴正向或 负向传播的波动方程为： 尝= c 2 磐 ( 2 5 ) 夙2叙2 、。7 由式2 3 ，式2 - 4 得： ， b c 。= 一 p 即 弘居 ( 2 - 6 ) 对于理想气体，把声波的传播看成快速绝热过程，则根据绝热过程方程： p v 等于恒量，可得到： 山东理t 大学硕卜学位论文 第二苹声学测温原理 b=7p(2-7) 其中p 一静压 y 一定压比热和定容比热的比值 再根据理想气体状态方程p v = m m r t ，可得出气体中声速c 和温度丁之 间的函数关系式： c ：1 胆丁：z 4 y ( 2 - 8 ) ym 其中，r 一理想气体普适常数，8 31 4 3j ( k m 0 1 k ) ； m 一气体质量，k g ； m 一气体分子量，k g k m o l ； 丁一气体绝对温度，k ； y 一特定气体在定压定容下的系数； c 一某种气体中的声波的速度，m s ； z 一对某种特定气体为一常数，对烟道混合气体为1 9 0 8 ； 又由运动学关系式c = d t ，可得声学测温法的基本计算公式： c ：旦：z 打 ( 2 - 9 ) f 其中，d 发射接收器两点之间的距离，m ； ，一声波在两传感器之间的飞行时间，m s ； 由于声波发射器和接收器这两点之间的距离是可准确检测的常数，则测定 声波的飞行时间就可以计算出飞行路线的气体平均温度。为算出气体的平均温 度，可将上述公式写成： r = ( 导，) 2 x 1 0 6 2 7 3 1 6 ( 2 1 0 ) z 式中r 一气体温度， d 一发射接收器两点之间的距离，m ； t 一飞行时间，m s ； 过去，由于考虑到烟气成分很复杂而且是不断变化的，人们认为声学测温 技术难以解决这个问题，因而不能被应用到实际中去。但是，经过详细的计算， 气体成分的比例和变化对声波传播速度的影响微乎其微，并不影响气体温度测 量的准确性。解决了这一理论问题，在实际应用中，只要给出烟气组成的近似 值，就可以利用声波传播速度的变化来测量温度了。 1 4 山东理t 大学硕十学位论文第一章声学测温原理 2 3 多条测温路径确定炉内二维温度场分布 对一个温度分辨率要求不高的小区域，单路径或两个相互独立的路径上的 测温单元