工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法
2023-05-13 20:29:01
專利名稱：工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法
技術領域：
本發明涉及聲發射監測技術的計算機監測技術。屬於工業爐系統安全性檢測技術 領域，具體地說是一種適用於所有的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性的檢測方法。
背景技術：
工業爐在運行過程中很難做到不爆管、不洩漏，其檢修周期與冶金爐並非同步，採 用水平式的水冷閘板、提升式的受熱面結構雖然給檢修帶來了方便，但由於現在的測量系 統不能及時發現早期洩漏和洩漏位置，給工業爐檢修帶來很大的困難。工業爐在極惡劣的環境下工作，管內介質為高溫、高壓流體，管外需承受高溫煙氣 的輻射和對流換熱以及灰粒子的連續衝蝕，因此較易發生洩漏事故。爐管洩漏事故嚴重影 響生產設備安全、可靠、穩定、經濟運行。工業爐洩漏的特點是洩漏一般不會突然大面積發 生，總是開始於一處微小的爆口，如砂眼、磨損等缺陷處。初期洩漏發展較慢，為非破壞性洩 漏，經過幾天或幾周，發展到一定程度便成為破壞性洩漏。因此，在非破壞性洩漏期間及早 探測到工業爐的初始漏點，是減少工業爐洩漏損失的關鍵。傳統的監測方法遲滯性很大，由 於不能做到對工業爐實時監測，對微小洩漏不能及時發現，無法判斷洩漏區域，當工業爐某 一管路發生洩漏而未及時處理時，其內部具有強大壓力和溫度的介質噴射而出，衝擊其旁 側管路，甚至造成一連串的擊穿，必將造成維修工作量加大，維修費用提高，延長停爐時間， 甚至造成安全事故。因此，傳統的工業爐洩漏監測方法已越來越不適應現代化生產的要求， 迫切需要利用科學的手段來準確監測工業爐爐管早期洩漏的應用技術。若能對爐管進行 早期在線監測診斷，跟蹤測報洩漏的程度和趨勢，及時判斷爐管洩漏和洩漏區域，一方面能 有效地防止事故的擴大，減少損失，另一方面能使生產單位及時申報停爐，提前做好搶修準 備，縮短檢修周期，有利於工業爐安全經濟運行。根據洩漏監測技術的基本原理不同，可將洩漏監測技術分為以下幾類運行人員 監測診斷技術、水質量平衡監測診斷技術、鍋爐水化學監測診斷技術、X射線透照探傷技術 和聲發射監測技術等。運行人員監測診斷技術不容易發現爐管的早期洩漏，效率很低。水質 量平衡監測診斷技術的效果與流量裝置的精度、數量、水平衡系統的選取，計算的細緻程度 密切相關。鍋爐水化學監測診斷技術對鍋爐排汙的測量裝置精度要求較高，也要求保存鍋 爐給水的化學分析日誌表。X射線透照探傷技術存在設備搬運麻煩，勞動強度大等困難，因 而在實際操作中，抽檢的部位往往安排在便於檢查的低空、腳手架附近以及無障礙的部位。 這種抽檢的有很大的隨意性，往往達不到預期目的。傳統的監測方法遲滯性很大，無法滿足 現場的要求基於聲發射監測技術的計算機監測技術是解決這一問題主要方法。國內外已經 利用此項技術進行對電站鍋爐的洩漏監測問題進行了研究，對工業爐的監測問題還未見報 道。隨著測控技術的發展，聲音傳感器技術、振動信號測量技術、信號處理和識別技術和測 控系統的構建技術近年來都有了較快的發展，為我們從更高的技術平臺上搭建測控系統提 供了條件。基於此，提出了基於聲音和振動雙參數及信息融合工業爐煙氣回收動力系統爐管洩漏檢測新方法，利用先進的虛擬儀器技術和信號處理和識別技術來構建工業爐洩漏分 布式計算機輔助監測系統，系統具有結構緊湊、可靠性高和監測系統軟體功能強大的特點， 該技術的研究成功對工業爐及其它鍋爐洩漏檢測有廣泛的應用價值。
發明內容
本發明的目的是克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應用價值的、簡單 易行的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測的方法。本發明工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法的技術方案是該方法採用 爐內聲音和爐壁振動的雙參數及信息融合來進行爐管洩漏的檢測，具體步驟是在工業爐各受熱面的爐管間的鰭片上開孔，聲波導管穿過鰭片上的 開孔和爐內連通，並固定在爐管間及聯箱處，增強型聲波傳感器安裝在聲波導管的另一頭 用來接收通過波導管傳來爐內的噪聲信號，傳感器採集接收爐內所有的現場聲音數據，通 過前置放大器轉變為電流信號，將此電流信號遠距離傳輸到嵌入式數據採集與處理系統 上，嵌入式數據採集系統將採集到的數據經濾波等預處理，並將處理後的數據通過網絡傳 輸給監測系統主機，並在工業爐的爐壁或爐管上安裝壓電晶體振動傳感器檢測爐壁的振動 信號，通過對振動信號強度、頻譜特徵及持續時間的分析利用AR數學模型計算判斷爐管是 否發生洩漏，通過BP神經網絡將兩種信息融合後給出洩漏報警。所述監測系統是利用由虛擬儀器開發平臺Labview開發的計算機軟體以及 MATLAB數學軟體，根據數學模型進行計算分析提取爐內聲音的時域、頻域特徵，通過對噪聲 強度、頻譜特徵及持續時間的分析利用AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏，區分背景 噪聲和異常噪聲，判斷是否存在洩漏，洩漏程度及洩漏發展趨勢，從而發出報警。所述爐內所有的現場聲音數據包括洩漏信號和背景噪聲，洩漏信號和背景噪聲的 特徵明顯區分於正常無洩漏所採集的信號特徵，即出現一定幅度的跳躍或者不規則的振 蕩；系統由聲波導管和增強型聲波傳感器採集爐內各種聲音信號，並轉換為標準電流信號； 振動傳感器採集爐壁振動信號，並轉化為標準電流信號。電流信號經嵌入式高速數據採集與處理模塊進行分析處理後，通過網絡將信號傳 給主機；洩漏監測主機系統提取爐內聲音和爐壁振動信號的時域、頻域特徵，通過對噪聲強 度、頻譜特徵及持續時間的分析並根據AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏。利用試驗研究洩漏聲波和爐壁或管壁振動波的時頻特性，選擇一個或幾個特徵所 構成的特徵組作為識別洩漏的有效手段；在時域方面，有效電壓值是和信號能量密切相關 的特徵值；在頻域方面採用以傅立葉變化為基礎的經典譜估計和以參數模型理論為主的現 代譜估計，得到聲發射信號的功率譜估計後，可以提取出某些頻率的和功率有關的特徵量 作為判斷依據；通過分析信號頻譜，並與預先得到的背景信號頻譜比較，若有較大差別，即 判斷有洩漏發生；通過計算譜比例進行分析，利用幅度譜中不同頻率段的能量之比，也可以 對是否發生洩漏進 行判斷。在工業爐在運行時，爐內管道充滿高溫、高壓介質。如果發生洩漏，這些高溫、高壓 介質就會通過裂縫或破口噴射出來形成噴流。噴流流人周圍環境氣流時，高速噴流介質和 周圍環境介質急劇混合，從而使得射流邊界層形成強烈的湍流脈動，產生噴流混合噪聲信 號。另外，洩漏同樣也會在管道中激發出應力波，然後通過管道的相互作用在鍋爐爐壁形成振動信號，爐壁的振動信號也包含了工業爐爐管洩漏的信息。藉助信號處理理論知識，分析 其時頻特徵，通過對噪聲強度、頻譜特徵及持續時間的分析計算判斷爐管是否發生洩漏，區 分背景噪聲和異常噪聲，判斷是否存在洩漏，洩漏程度以及洩漏發展趨勢。
為提高工業爐爐管洩漏檢測的靈敏度和可靠性，我們提出同時採集爐內聲音和爐 壁振動的雙參數爐管洩漏檢測方案。主要步驟如下在工業爐各受熱面的爐管間的鰭片上 開孔，聲波導管穿過鰭片上的開孔和爐內連通，並固定在爐管間及聯箱處，增強型聲波傳感 器安裝在聲波導管的另一頭用來接收通過波導管傳來爐內的噪聲信號。當爐內管道發生洩 漏時，管內的高溫高壓介質通過裂縫或破口噴射出來，產生頻帶較寬的噪聲，沿空氣和金屬 管道傳播開去。同時，工業爐正常運行還會產生相當強的背景噪聲，傳感器採集接收爐內所 有的現場聲音數據，通過前置放大器轉變為電流信號，將此電流信號遠距離傳輸到嵌入式 數據採集與處理系統上，嵌入式數據採集系統將採集到的數據經濾波等預處理，並將處理 後的數據通過網絡傳輸給監測系統主機。監測系統利用由虛擬儀器開發平臺Labview開發 的計算機軟體以及MATLAB數學軟體，根據數學模型進行計算分析提取爐內聲音的時域、頻 域特徵，通過對噪聲強度、頻譜特徵及持續時間的分析利用AR數學模型計算判斷爐管是否 發生洩漏，區分背景噪聲和異常噪聲，判斷是否存在洩漏，洩漏程度及洩漏發展趨勢，從而 發出報警。同時為了提高測量的可靠性我們還提出在工業爐的爐壁(爐管)上安裝壓電晶 體振動傳感器檢測爐壁的振動信號，通過對振動信號強度、頻譜特徵及持續時間的分析利 用AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏，兩種測量信號互相補充、相互驗證，通過BP神 經網絡將兩種信息融合後給出洩漏報警，提高測量的可靠性。在冶煉生產過程中工業爐的 洩漏檢測方面，這是一個有廣泛應用前景的、值得深入研究的工業應用研究課題。本發明的有益效果是1、解決了以往方法的不足之處，實時檢測洩漏及早期報警；2、準確計算判定洩漏區域位置；3、顯示洩漏聲音頻譜，顯示洩漏推動信號頻譜；4、實時跟蹤洩漏發展趨勢；5、高速實時監聽爐內聲音；6、裝置系統自我判斷；7、波導管自動清灰除焦；本發明適用於所有涉及工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性的檢測。一方面能 有效地防止事故的擴大，減少損失，另一方面能是生產單位及時申報停爐，提前做好搶修準 備，縮短搶修周期，有利於工業爐安全經濟運行。
下面結合附圖以實例進一步說明本發明的實質內容，但本發明的內容並不限於 此。圖1為本發明的試驗裝置簡圖；圖2為本發明的嵌入式數據採集與處理系統；圖3為本發明的基於虛擬儀器技術的分布式聲發射鍋爐監測系統方案；圖4為本發明的沒有發生洩漏時的數位訊號圖5為本發明的發生洩漏時的數位訊號圖。
具體實施例方式該發明是基於聲音和振動雙參數及信息融合的工業爐煙氣餘熱回收動力系統爐管洩漏檢測的新方法，能對工業爐管進行早期在線監測診斷，跟蹤測報洩漏的程度和趨勢， 及時判斷爐管洩漏和洩漏區域，一方面能有效地防止事故的擴大，減少損失，另一方面能使 生產單位及時申報停爐，提前做好搶修準備，縮短檢修周期，有利於工業爐安全經濟運行。本發明主要應用於涉及工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性的實時監測及過程 與安全控制技術。具體是(1)首先試驗研究獲得洩漏信號和背景噪聲的特徵，獲得洩漏 聲波的傳播規律和信號處理與識別方法；(2)利用試驗研究洩漏聲波和爐壁(管壁)振動 波的時頻特性；利用聲波採集器和振動信號採集器採集生產現場的背景噪聲和爐壁振動信 號，並分析其信號特徵；(3)利用計算機仿真方法產生各種洩漏信號和噪聲信號疊加的信 號，並用信號處理與識別的方法進行分析處理，初步驗證方案的可行性；對實驗獲得的洩漏 信號和現場採集的背景信號進行疊加，並用洩漏識別算法進行洩漏識別實驗，進一步修改 識別算法；(4)根據理論研究、試驗研究和仿真得到的系統參數，選擇合適的聲音和振動傳 感器，研發相應的信號調理模塊和嵌入式數據採集處理模塊，選擇監測計算機主機和網絡 系統，並進行系統集成；(5)利用傳感器採集接受爐內所有的現場聲音數據，通過前置放大 器轉變為電流信號，並由虛擬儀器平臺Labview軟體開發的計算機軟體以及MATLAB數學軟 件根據數學模型進行計算分析提取爐內聲音的時域、頻域特徵，通過對噪聲強度、頻譜特徵 及持續時間的分析計算判斷爐管是否發生洩漏，區分背景噪聲和異常噪聲，判斷是否存在 洩漏，洩漏程度以及洩漏發展趨勢；(6)同時，為了提高測量的可靠性，我們進一步提出在 工業爐的爐壁(管壁)上部安裝壓電晶體振動傳感器檢測爐壁的振動信號，通過對振動信 號強度、頻譜特徵及持續時間的分析並根據AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏，從而 發出報警。兩種測量信號互相補充、相互檢驗，通過BP神經網絡將兩種信息融合後給出洩 漏報警。爐內所有的現場聲音數據包括洩漏信號和背景噪聲，洩漏信號和背景噪聲的特徵 明顯區分於正常無洩漏所採集的信號特徵，即出現一定幅度的跳躍或者不規則的振蕩； 系統由聲波導管和增強型聲波傳感器採集爐內各種聲音信號，並轉換為標準電流信號；振 動傳感器採集爐壁振動信號，並轉化為標準電流信號。電流信號經嵌入式高速數據採集與 處理模塊進行分析處理後，通過網絡將信號傳給主機；洩漏監測主機系統提取爐內聲音和 爐壁振動信號的時域、頻域特徵，通過對噪聲強度、頻譜特徵及持續時間的分析並根據AR 數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏。本發明還利用試驗研究洩漏聲波和爐壁或管壁振動波的時頻特性，選擇一個或幾 個特徵所構成的特徵組作為識別洩漏的有效手段，在時域方面，有效電壓值是和信號能量 密切相關的特徵值；在頻域方面採用以傅立葉變化為基礎的經典譜估計和以參數模型理論 為主的現代譜估計，得到聲發射信號的功率譜估計後，可以提取出某些頻率的和功率有關 的特徵量作為判斷依據。此外，可以通過分析信號頻譜，並與預先得到的背景信號頻譜比 較，若有較大差別，即判斷有洩漏發生，還可以通過計算譜比例進行分析，利用幅度譜中不 同頻率段的能量之比，也可以對是否發生洩漏進行判斷。
實施例1 某冶金企業工業爐煙氣餘熱回收動力系統進行必要的安全新檢測，在鍋爐各受熱面的爐管間的鰭片上開孔，聲波導管穿過鰭片上的開孔和爐內連通，並固定在爐管間及聯 箱處，增強型聲波傳感器安裝在聲波導管的另一頭用來接收通過波導管傳來爐內的噪聲信 號。當爐內管道發生洩漏時，管內的高溫高壓介質通過裂縫或破口噴射出來，產生頻帶較寬 的噪聲，沿空氣和金屬管道傳播開去。同時，工業爐正常運行產生相當強的背景噪聲。傳感 器採集接收爐內所有的現場聲音數據，通過前置放大器轉變為電流信號，將此電流信號遠 距離傳輸到嵌入式數據採集與處理系統上，嵌入式數據採集系統將採集到的數據經濾波等 預處理，並將處理後的數據通過網絡傳輸給監測系統主機。檢測系統利用由虛擬儀器開發 平臺Labview開發的計算機軟體根據數學模型進行計算分析提取爐內聲音的時域、頻域特 徵，通過對噪聲強度、頻譜特徵及持續時間的分析計算判斷爐管發生洩漏，從而發出報警。 同時，我們還在鍋爐的爐壁隔板和爐底部安裝壓電晶體振動傳感器檢測爐壁的振動信號， 通過對振動信號強度、頻譜特徵及持續時間的分析計算也判斷爐管發生洩漏，兩種測量信 號相互驗證，提高了測量的可靠性。發生洩漏的信號提取和特徵分析如圖4和圖5所示。
權利要求
一種工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，其特徵在於該方法採用爐內聲音和爐壁振動的雙參數及信息融合來進行爐管洩漏的檢測，具體步驟是在工業爐各受熱面的爐管間的鰭片上開孔，聲波導管穿過鰭片上的開孔和爐內連通，並固定在爐管間及聯箱處，增強型聲波傳感器安裝在聲波導管的另一頭用來接收通過波導管傳來爐內的噪聲信號，傳感器採集接收爐內所有的現場聲音數據，通過前置放大器轉變為電流信號，將此電流信號遠距離傳輸到嵌入式數據採集與處理系統上，嵌入式數據採集系統將採集到的數據經濾波等預處理，並將處理後的數據通過網絡傳輸給監測系統主機，並在工業爐的爐壁或爐管上安裝壓電晶體振動傳感器檢測爐壁的振動信號，通過對振動信號強度、頻譜特徵及持續時間的分析利用AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏，通過BP神經網絡將兩種信息融合後給出洩漏報警。
2.根據權利要求1所述的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，其特徵在 於所述監測系統是利用由虛擬儀器開發平臺Labview開發的計算機軟體以及MATLAB數 學軟體，根據數學模型進行計算分析提取爐內聲音的時域、頻域特徵，通過對噪聲強度、頻 譜特徵及持續時間的分析利用AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏，區分背景噪聲和 異常噪聲，判斷是否存在洩漏，洩漏程度及洩漏發展趨勢，從而發出報警。
3.根據權利要求1或2所述的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，其特徵 在於所述爐內所有的現場聲音數據包括洩漏信號和背景噪聲，洩漏信號和背景噪聲的特 徵明顯區分於正常無洩漏所採集的信號特徵，即出現一定幅度的跳躍或者不規則的振蕩； 系統由聲波導管和增強型聲波傳感器採集爐內各種聲音信號，並轉換為標準電流信號；振 動傳感器採集爐壁振動信號，並轉化為標準電流信號。
4.根據權利要求1或2所述的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，其特 徵在於電流信號經嵌入式高速數據採集與處理模塊進行分析處理後，通過網絡將信號傳 給主機；洩漏監測主機系統提取爐內聲音和爐壁振動信號的時域、頻域特徵，通過對噪聲強 度、頻譜特徵及持續時間的分析並根據AR數學模型計算判斷爐管是否發生洩漏。
5.根據權利要求1或2所述的工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，其特徵 在於利用試驗研究洩漏聲波和爐壁或管壁振動波的時頻特性，選擇一個或幾個特徵所構 成的特徵組作為識別洩漏的有效手段；在時域方面，有效電壓值是和信號能量密切相關的 特徵值；在頻域方面採用以傅立葉變化為基礎的經典譜估計和以參數模型理論為主的現代 譜估計，得到聲發射信號的功率譜估計後，可以提取出某些頻率的和功率有關的特徵量作 為判斷依據；通過分析信號頻譜，並與預先得到的背景信號頻譜比較，若有較大差別，即判 斷有洩漏發生；通過計算譜比例進行分析，利用幅度譜中不同頻率段的能量之比，也可以對 是否發生洩漏進行判斷。全文摘要
本發明公開了工業爐煙氣餘熱回收動力系統安全性檢測方法，採用爐內聲音和爐壁振動的雙參數及信息融合來進行爐管洩漏的檢測，兩種測量信號互相補充、相互檢驗，通過BP神經網絡將兩種信息融合後給出洩漏報警。具體步驟在工業爐各受熱面的爐管間的鰭片上開孔，聲波導管穿過鰭片上的開孔和爐內連通，並固定在爐管間及聯箱處，增強型聲波傳感器安裝在聲波導管的另一頭用來接收通過波導管傳來爐內的噪聲信號，傳感器採集接收爐內所有的現場聲音數據，將此電流信號遠距離傳輸到嵌入式數據採集與處理系統上，並將處理後的數據通過網絡傳輸給監測系統主機，並在工業爐的爐壁上安裝壓電晶體振動傳感器檢測爐壁的振動信號，將兩種信息融合後給出洩漏報警。
文檔編號F27D21/00GK101871733SQ20101019738
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者徐建新, 王 華, 胡建杭 申請人:昆明理工大學