自适应数字滤波器在锅炉漏泄预报中的应用

自适应数字滤波器在锅炉漏泄预报中的应用

1锅炉“四管”漏泄监测系统准确预报的难点在输送厂，锅炉的溢热器、充热器、冷水壁和省煤器（以下简称“四管”）的泄漏是导致不适台锅炉的主要原因之一。因此如何早期发现锅炉“四管”漏泄,对妥善安排检修计划及缩短检修时间有着重要意义。但是由于炉膛内的干扰噪声很多,往往把漏泄产生的声波信号完全淹没,使漏泄的判断十分困难,如何能够从干扰信号中提取出反映漏泄的声波信号,是“四管”漏泄监测系统能否准确预报漏泄的关键。本文介绍了利用自适应数字滤波方法来分离噪声和漏泄信号的方法。2波场激发劳动力锅炉“四管”是在高温、高压的恶劣环境下工作的,由于设计、管材、焊接质量、运行调整水平和运行工况等因素的影响,使得管壁或接口处会出现裂缝或裂口。根据大量的研究和实践证明,在裂缝或裂口形成之前,有一段应力集中时间,随着应力集中的不断增大,到大于材料的屈服极限时,管壁开始发生变形(鼓包),与此同时,释放出应变能。该能量以应力波(类似于超声波)的形式释放出来,该处所受的应力暂时减小,并又开始集中,然后又发生变形,如此反复直至开裂。当管壁开裂时,会释放出非常强的应力能;裂口形成后,管内的高压流体从裂口喷射而出,形成高速射流,同时激发出很强的声波(一般为超声波)。该声波沿球面向各个方向传播,其传播的球坐标波动方程为:∂2p∂r2−∂p∂r⋅∂(lnS)∂r=1C20∂2p∂t2∂2p∂r2-∂p∂r⋅∂(lnS)∂r=1C02∂2p∂t2(1)式中:p——声压;S——距离r处的波阵面积,S=4πr2。将S的表达式代入式(1),得:∂2p∂r2−2r⋅∂p∂r=1C20∂2p∂t2∂2p∂r2-2r⋅∂p∂r=1C02∂2p∂t2(2)漏泄产生的声波具有如下特点:(1)无论在哪个阶段,漏泄产生的声波频率均比较高,声波能量比较集中的频段为3～6kHz;(2)漏泄产生的声发射信号比较强,且其幅度大小与漏泄速率成正比,与信号的均方根值成正比;(3)漏泄信号为非连续型脉冲波。3自适应滤波算法控制噪声根据上述漏泄信号特点而研制的“四管”漏泄监测系统的结构如图1所示。漏泄产生的声波在烟气中传播到安装在炉墙上的传感器后,激发声波接收传感器转换成电信号。由于该电信号很弱,不适宜远距离传播,因此在传感器附近设置了前置放大器,该放大器同时具有带通滤波功能,将通带外的干扰信号剔除掉。经处理后的信号用屏蔽电缆送到主控室的信号采集器,进行二次放大,并转换成数字信号送到工控机的数据存储区。由于采集到的信号中包含有干扰噪声信号,利用自适应滤波算法将有用信号从噪声中提取出来,再进行FFT分析(傅立叶变换),得到信号的频率谱(或功率谱),然后利用一定的算法提取出反映漏泄程度的特征值,进行显示、判断和分析。如果发生漏泄,则进行报警,并将漏泄点的有关信息保存起来,以备故障分析之用。对于监测系统的其它部分,由于篇幅关系不再论述,下面只将自适应滤波部分作一介绍。4锅炉周边设备的干扰噪声监测系统接收到的漏泄信号中包含有大量的干扰信号,如燃料燃烧发出的声波、汽流流动的声波、锅炉附近的其它设备产生的干扰噪声等。但凡不是“四管”漏泄产生的信号均属于干扰噪声。由于干扰噪声的频率与漏泄声波的频率非常接近,利用一般常用的滤波器不起作用,因此,本文提出利用自适应噪声对消器(自适应滤波)来进行信号和噪声的分离。4.1自适应噪声去噪自适应噪声对消器的结构如图2所示。它的特点是:只需要很少或完全不需要任何关于噪声和信号的先验统计特性知识,直接利用有限个观测数据来估计噪声分量;通过运算,自动调节滤波器自身参数,以满足某种最佳准则的要求。采用自适应噪音对消器能较好地达到去噪的目的。输入信号v(n)直接送主通道,同时经过延时△后送参考通道,延时△取为足够长,使得参考通道输入v(n-△)中的漏泄信号与v(n)中的漏泄信号不相关,而v(n)和v(n-△)中的干扰信号总是相关的,在对消器中干扰信号相互对消,输出信号e(n)即为漏泄信号。4.2修正权系数的确定令采集的离散信号序列为v(n),由此构造的输入序列为:VTnnΤ=[v(n),v(n-1),v(n-2),…,v(n-M)](3)经延时△后的输入信号序列为:VTn−△n-△Τ=[v(n-△),v(n-△-1),v(n-△-2),…,v(n-△-M)](4)滤波器中间的输出y(n)为:y(n)=∑i=1Mwi(n)v(n−i)[wi(n)y(n)=∑i=1Μwi(n)v(n-i)[wi(n)为权系数](5)对消器的输出为:e(n)=v(n-△)-y(n)=v(n-△)-WTnnΤ·Vn(6)若S=1N∑i=1Ne2i≥δ(δS=1Ν∑i=1Νei2≥δ(δ为很小的正数,一般取10-4),则修正权系数wi(n),即w(n+1)=w(n)+μ(n)·e(n)·v(n),μ(n)为步长,为了提高稳定性和收敛速度,可以采用变步长μ(n+1)=A·μ(n)+B·e2(n)(0<A<1,B≥0),其中A、B为控制系数,它们对收敛速度和稳定性有很大影响,需谨慎选择。图3为从现场实际采集到的漏泄信号与干扰噪声的合成信号及其频谱,将该信号经离散化后送入自适应噪声对消器。由于干扰噪声为周期性信号,因此,参考通道的信号用合成信号经延时后的信号代替,经过自适应滤波后将干扰噪声分离出来,然后与合成信号进行对消,输出的信号即为漏泄信号。图4为该信号经处理后的时基波形和频谱。5次漏泄事故应用数字信号处理技术的“四管”漏泄监测系统于2001年在某电厂670t/h锅炉上安装使用,运行稳定可靠、效果良好,成功地捕捉到多次漏泄事故,比其它手段提前6～7天报警。图5是其中一次漏泄的追忆趋势曲线。由图中可见,从2月5日开始漏泄信号特征值开始有所增大,到2月7日突跃到报警线以上,系统报警并指示测点27处(省煤器)发生漏泄,马上申请停炉检修,到2月9日中午批准停炉抢修。经检查发现低温省煤器有1根水管穿孔,处理后启炉报警解除,避免了事故的进一步扩大,减少了维修费用和维修时间,提高了机组的可用率。6锅炉漏泄监测系统的优点实践证明,采用自适应噪音对消数字滤波可