基于声学测量技术的测量烟道温度场及流场的试验设备及试验方法与流程

本发明涉及电站锅炉烟道声学测量技术领域，是一种利用声波法对烟道内声波飞渡时间进行测量，进而通过反演法的同时得到烟道温度场及流场分布的试验设备。

背景技术

锅炉炉膛出口烟气温度是反映电站锅炉燃烧状态的重要参数，也是锅炉设计和运行时需要重点考虑的参数之一。一方面，这部分烟气为折焰角后进入水平烟道的烟气，是区分锅炉烟气侧的炉膛内辐射传热和对流烟道内对流传热的界限，在工质侧，其基本上是区分炉膛水冷壁内蒸发吸热和过热器内蒸汽的过热吸热的界限；另一方面，这一烟气温度会引起炉膛出口处的对流受热面的结渣问题。当这部分烟气温度过高时，将会成为锅炉过热蒸汽超温的主要原因之一，因而也可能是造成过热器、再热器“爆管”现象的重要原因之一。相反，若这一烟气温度过低，则将会使过热蒸汽和再热蒸汽温度低于设计值，从而降低机组经济性，影响锅炉运行的效率。

在锅炉烟道中，烟气的流速分布十分复杂，主要受生产工况、烟道粗糙度、进口结构形式、烟道的变径、烟道内支撑柱和烟道走向等因素的影响，且通常情况下烟道内断面的气体流速分布是不均匀的。气流分布的不均将会导致烟气净化效率下降，另外烟道内气流紊乱也容易将沉降的粉尘带走。同时，过高的风速将在烟道内产生涡流和负压区。这些都加大了排放总量的计算误差。

锅炉烟道烟气温度的测量比较困难，现代电站锅炉的水平烟道很宽，想要将热电偶送到合适的测量位置十分不容易；高温烟气的测量，由于受对流传热等影响，有较大的测量误差。在电站锅炉的常规运行测点中也没有水平烟道烟气温度，正是由于其实际测量的难度大。

技术实现要素：

技术问题：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于声学测量技术的测量烟道声波飞渡时间，并以此反演同时得到烟道内温度场及流场分布，能够反应锅炉烟道内的相关烟气参数，为较快地了解炉膛燃烧分布情况提供参考，也为蒸汽侧的调节提供依据，保证电站锅炉更加安全高效地运行。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明解决技术问题的技术方案为：

一种基于声学测量技术的测量烟道温度场及流场的试验设备，包括风机、加热器、温度计、压力变送器、流量计、模拟烟道、数显温度变送器、声波传感器、变频调速器、电加热器温度控制器以及数据采集处理系统；所述风机进风端与通过管道与模拟烟道相连，所述风机出风端与所述加热器相连，所述风机的控制端与变频调速器连接；在所述加热器上装有所述温度计，所述加热器与电加热器温度控制器相连接；所述加热器的气体出口与所述模拟烟道的气体入口连接；在所述加热器的气体出口与所述模拟烟道的气体入口的连接管路上连接有所述流量计；所述数显温度变送器设置在所述模拟烟道上，在所述模拟烟道外壁面四周装有两层声波传感器；所述数据采集处理系统分别与所述流量计、压力变送器、数显温度变送器、声波传感器、变频调速器以及电加热器温度控制器连接。

所述数据采集处理系统包括智能流量显示仪、工控机、信号发声卡、第一接线端子板、第二接线端子板以及信号采集卡；所述信号发声和信号采集卡均安装在工控机中；所述第一接线端子板与信号发声卡通过信号输入输出连接器相连，所述第二接线端子板与信号采集卡通过信号输入输出连接器相连，所述数显温度变送器与智能流量显示仪相连，所述声波传感器中作为声波发射器的传感器根据信号发声卡的管脚定义，通过信号线与第一接线端子板管脚相连接；作为声波接收器的传感器根据数据采集卡的管脚定义，通过信号线与第二接线端子板的管脚连接；所述第一接线端子板与所述第二接线端子板相连。

所述工控机连接显示屏。

所述加热器为空气电加热器。

所述风机为离心风机。

所述流量计为涡街流量计。

所述温度计为工业双金属温度计。

基于上述任一所述实验设备的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，确定试验条件：根据试验条件确定风机及加热器的工作状态；

第二步，确定声波发射器：根据信号发声卡接口管脚的定义将声波发生器信号线正确接入接线端子板；

第三步：确定声波接收器，根据信号采集卡接口管脚的定义将声波接收器信号线正确接入接线端子板；

第四步：信号发声与同步采集：确定信号发声系统的参数配置，对触发源及触发方式参数进行设置；在信号采集系统中，设置采集系统参数，当声波发射器被发声系统触发的同时，通过信号采集管理系统开始同步接收信号数据并进行存储；

第五步：信号数据处理：根据特定算法对采集的数据信号数据进行分析，寻找最佳数据采集点，对数据进行处理得到各路径的声波飞渡时间，并根据反演算法同时得到烟道内的温度场及流场分布。

风机左端与一竖直管道相连，右端与空气电加热器相连，风机与变频调速器通过接线相连接，根据变频器调节频率从而改变风机的输出流量，所选用的风机是单相离心风机，设计风量范围为2000～2800m³/h。

空气电加热器左侧与风机出口相连，其上装有工业双金属温度计，通过工业双金属温度计测量空气电加热器中空气的温度并通过仪表显示。

空气电加热器与电加热器温度控制器相连接，通过电加热器温度控制器设定空气电加热器的金属加热温度，并在电加热器温度控制器上显示电加热器中的实时温度测量数据。

涡街流量计与智能流量显示仪通过接线相连接，智能流量显示仪对涡街流量计所在处的管道内流量进行实时显示，为试验提供参考数据。

智能流量显示仪与压力变送器相连接，压力变送器显示管道内的压力数值，在正常运行下，管道内压力值显示为负压。

涡街流量计管道上端与模拟烟道系统相连接，靠近模拟烟道入口处装有数显温度变送器，与智能流量显示仪相连，在试验过程中显示烟道入口处的实时温度。

模拟烟道外壁面四周装有两层共16个声波传感器，左侧层标号为1-1至1-8，右侧层标号为2-1至2-8。声波传感器中作为声波发射器的传感器按照信号发声卡中管脚定义通过信号线与接线端子板a68d接口管脚51、52相连接，作为声波接收器的传感器按照数据采集卡中管脚定义通过信号线与接线端子板a68d-ii中的15路接口管脚连接。

接线端子板a68d通过接口管脚14、16与接线端子板a68d-ii接口管脚11、12相连，接线端子板a68d与信号发声卡pci9603通过通讯接口管脚相连，接线端子板a68d-ii与数据采集卡net2895通过通讯接口管脚相连，信号发声卡pci9603和数据采集卡net2895均安装在工控机中。

数据采集卡net2895与稳压电源连接，用于提供数据采集卡所需的外界电源，工控机连接显示屏，在工控机中安装有信号发声系统与信号采集系统。

模拟烟道出口与风机入口通过管道连接，整个试验设备构成风量循环试验系统。

本发明所述试验设备的试验方法包括如下步骤：

第一步，确定试验条件：根据试验条件确定风机及空气电加热器的工作状态，试验条件分为三种，分别是风机与空气电加热器均不运行的冷态条件、风机工作而空气电加热器不工作的冷态条件、风机与空气电加热器同时工作的热态条件，在确认试验条件的情况下确定风机及空气电加热器的开关状态；

第二步，确定声波发射器：选取1-1至1-8或2-1至2-8两层16个传感器中作为声波发射器的某一个传感器，根据信号发声卡pci9603接口管脚的定义将作为声波发射器的信号线正确接入接线端子板a68d上的51和52管脚；

第三步：确定声波接收器，将除第二步中作声波发射器的传感器之外的15个传感器作为声波接收器，根据数据采集卡net2895接口管脚的定义将声波接收器信号线正确接入接线端子板a68d-ii；

第四步：信号发声与同步采集：信号发声卡与数据采集卡的具体参数设置在工控机内的控制程序中完成，确定信号发声系统的参数配置，对电压量程、点频率、触发源、触发模式、触发方向、信号的段长度及波形等参数进行设置；在信号采集系统中，设置采集系统参数，当声波发射器被信号发声系统触发的同时，通过信号采集管理系统开始同步接收信号数据并进行存储；

第五步：信号数据处理：根据算法对采集的数据信号数据进行分析，寻找最佳数据采集点，通过对数据的处理得到声波飞渡时间，并以此反演同时得到烟道的温度场及流场分布。

第六步：每完成一个试验条件下的信号数据采集周期后，重复第四步和第五步。

有益效果：从上述对烟气温度及流速分布的试验方法中可以看出，基于声波的传播速度与介质温度的单值函数关系，声学法具有较好的实用性。在应用于烟道的测量中，其具有以下特点：

(1)结构简单，安装、使用和维护方便。声波发声器与接收器可安装在烟道外侧，而不需要改变烟道结构，可以实现对烟道内部温度及流速的非接触式测量；

(2)采用非接触式测量的方法，不影响烟道内流场状况，也不会造成压降，也确保了装置的安全性；

(3)能够适应恶劣的环境，通过声波信号的发射与接收，可以对烟道内烟气流速和温度进行连续测量。

对锅炉烟道内温度及流速的测定领域目前还很不完善，所提出的基于声学法的非接触式测量，在对信号触发和采集系统设置相关参数的前提下通过声波发射器与接收器采集声波信号，对信号数据进行处理，以实际模拟烟道为试验对象，以声波飞渡时间的测量为理论基础，根据声速与温度的关系同时还原烟道内温度场及流场分布，对于电站锅炉的运行有很大的实际应用意义。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为工控机与信号发声及采集系统的连接示意图；

图3为信号发声卡pci9603的管脚定义示意图；

图4为数据采集卡net2895的管脚定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

一种基于声学测量技术的测量烟道温度及流速分布的试验设备，包括离心风机1、空气电加热器2、工业双金属温度计3、压力变送器4、涡街流量计5、模拟烟道6、数显温度变送器7、变频调速器10、电加热器温度控制器11、智能流量显示仪12。

信号发声及采集系统具体组成包括声波传感器8、工控机13、显示屏14、稳压电源9、接线端子板a68d16、接线端子板a68d-ii17、数据采集卡net289518、信号发声卡pci960315。数据采集卡和信号发声卡插在工控机内使用，并通过ad数采系统程序进行参数的设置和控制系统的启停，数据采集卡net289518与信号发声卡pci960315间利用信号线通过接线端子板连接，确保同步触发与采集。

声波传感器8布置在烟道四周，每层8个布置，选取某一声波发射器之后，由布置在烟道四周的其余15个传感器对声波信号进行接收；工控机13内的数据采集卡net289518，将声波信号转化成电信号后，由数采系统保存实验数据，并进行后续的分析以得到声波飞渡时间，再根据反演算法同时测得烟道内温度及流速分布。

实施例2

一种基于声学测量技术的测量烟道温度及流速分布的试验设备，包括离心风机1、空气电加热器2、工业双金属温度计3、压力变送器4、涡街流量计5、模拟烟道6、数显温度变送器7、变频调速器10、电加热器温度控制器11、智能流量显示仪12以及信号发声及采集系统。

本发明所述试验设备的试验方法包括如下步骤：

第一步：确定试验条件：如图1所示，在风机1与空气电加热器2均不工作的冷态条件下，打开工控机13与稳压电源9，其中稳压电源9作为外部电源给数据采集卡net289518供电。

此时工业双金属温度计3和数显温度变送器7显示的温度分别是室温条件下空气电加热器中空气的温度以及烟道内空气的温度。记录下数显温度变送器7的数值。

第二步：如图1所示，若选取声波传感器8中编号1-1的传感器作为声波发射器，按照如图3所示的信号发声卡pci960315管脚定义信号线应与接线端子板a68d16接口管脚51、52相连接。

第三步：如图1所示，以第二步为前提，将声波传感器8中编号1-2至1-8以及编号2-1至2-8的15个传感器作为声波接收器，并按照如图4所示数据采集卡nrt289518管脚的定义中对应的ai1+～ai15+，将传感器信号线依次与接线端子板a68d-ii17的15路接口管脚序号34、65、32、62、29、60、27、57、23、55、21、52、18、50、16连接。

通过信号线将接线端子板a68d16接口管脚14、16与接线端子板a68d-ii17接口管脚11、12相连。接线端子板a68d16与信号发声卡pci960315、接线端子板a68d-ii17与数据采集卡net289518分别通过各自的信号输入输出连接器相连，信号发声卡pci960315和数据采集卡net289518均安装在工控机13中。工控机与信号发声及采集系统的连接示意图如图2所示。

第四步：信号发声与同步数据采集：为实现声波信号的同步触发与同步采集，数据采集卡net289518采用主从卡级联的方案时，主卡pci9603使用内时钟源模式，选择允许时钟输出，而从卡net2895使用外时钟源模式，信号触发具体接线方法参考第三步，待主卡、从卡按相应的时钟源模式被初始化完成后，先启动所有从卡，由于主卡还没有被启动没有输出时钟信号，所以从卡进入等待状态，直到主卡被启动的同时所有的从卡被启动，即实现了多卡同步启动的功能。当声波发射器被信号发声系统触发的同时，通过信号采集管理系统开始同步接收信号数据并进行存储；

信号发声卡与数据采集卡的具体参数设置在工控机内的控制程序中完成。包括对信号发声系统及数据采集系统两部分的设置：

(1)确定信号发声系统的参数配置：设置电压量程±10000mv、点频率100khz、时钟源内部时钟、触发源dtr触发、触发模式单步触发等、触发方向负向触发、信号波形方波、正弦波等等参数进行设置；

(2)在信号采集系统中，设置采集系统参数，包括采集模式有限采集、时钟源外时钟、触发方式中间触发、后触发、前触发等；

第五步：信号数据处理：根据算法对采集的数据信号数据进行分析，寻找最佳数据采集点，通过对数据的处理得到声波各条路径的飞渡时间，通过计算同时得到烟道内的温度和流速。

第六步：每完成一个试验条件下的信号数据采集周期后，重复第四步和第五步。

实施例3。

一种基于声学测量技术的测量烟道温度及流速分布的试验设备，包括离心风机1、空气电加热器2、工业双金属温度计3、压力变送器4、涡街流量计5、模拟烟道6、数显温度变送器7、变频调速器10、电加热器温度控制器11、智能流量显示仪12以及信号发声及采集系统。

本发明所述试验设备的试验方法包括如下步骤：

第一步：确定试验条件：如图1所示，在风机1工作而空气电加热器2不工作的冷态条件下，通过变频调速器10对风机的输出风量进行调节，与涡街流量计5相连的智能流量显示仪12接收涡街流量计5输出的流量输入信号，并显示当前时刻的流量参量，当变频器10为50hz时，涡街流量计5应测得的额定流量为60.08m³/h，则管内流速为8.5m/s。打开工控机13与稳压电源9，其中稳压电源9作为外部电源给数据采集卡net289518供电。

此时工业双金属温度计3和数显温度变送器7显示的温度分别是室温条件下空气电加热器中空气的温度以及烟道内空气的温度。记录下数显温度变送器7的数值。

第二步：如图1所示，若选取声波传感器8中编号1-1的传感器作为声波发射器，按照如图3所示的信号发声卡pci960315管脚定义信号线应与接线端子板a68d16接口管脚51、52相连接。

第三步：如图1所示，以第二步为前提，将声波传感器8中编号1-2至1-8以及编号2-1至2-8的15个传感器作为声波接收器，并按照如图4所示数据采集卡nrt289518管脚的定义中对应的ai1+～ai15+，将传感器信号线依次与接线端子板a68d-ii17的15路接口管脚序号34、65、32、62、29、60、27、57、23、55、21、52、18、50、16连接。

通过信号线将接线端子板a68d16接口管脚14、16与接线端子板a68d-ii17接口管脚11、12相连。接线端子板a68d16与信号发声卡pci960315、接线端子板a68d-ii17与数据采集卡net289518分别通过各自的信号输入输出连接器相连，信号发声卡pci960315和数据采集卡net289518均安装在工控机13中。工控机与信号发声及采集系统的连接示意图如图2所示。

第四步：信号发声与同步数据采集：为实现声波信号的同步触发与同步采集，数据采集卡net289518采用主从卡级联的方案时，主卡pci9603使用内时钟源模式，选择允许时钟输出，而从卡net2895使用外时钟源模式，信号触发具体接线方法参考第三步，待主卡、从卡按相应的时钟源模式被初始化完成后，先启动所有从卡，由于主卡还没有被启动没有输出时钟信号，所以从卡进入等待状态，直到主卡被启动的同时所有的从卡被启动，即实现了多卡同步启动的功能。当声波发射器被信号发声系统触发的同时，通过信号采集管理系统开始同步接收信号数据并进行存储；

信号发声卡与数据采集卡的具体参数设置在工控机内的控制程序中完成。包括对信号发声系统及数据采集系统两部分的设置：

(3)确定信号发声系统的参数配置：设置电压量程±10000mv、点频率100khz、时钟源内部时钟、触发源dtr触发、触发模式单步触发等、触发方向负向触发、信号波形方波、正弦波等等参数进行设置；

(4)在信号采集系统中，设置采集系统参数，包括采集模式有限采集、时钟源外时钟、触发方式中间触发、后触发、前触发等；

第五步：信号数据处理：根据算法对采集的数据信号数据进行分析，寻找最佳数据采集点，通过对数据的处理得到声波各条路径的飞渡时间，通过计算同时得到烟道内的温度和流速。

第六步：每完成一个试验条件下的信号数据采集周期后，重复第四步和第五步。

实施例4。

一种基于声学测量技术的测量烟道温度及流速分布的试验设备，包括离心风机1、空气电加热器2、工业双金属温度计3、压力变送器4、涡街流量计5、模拟烟道6、数显温度变送器7、变频调速器10、电加热器温度控制器11、智能流量显示仪12以及信号发声及采集系统。

本发明所述试验设备的试验方法包括如下步骤：

第一步：确定试验条件：如图1所示，在风机1与空气电加热器2均工作的热态条件下，通过变频调速器10对风机的输出风量进行调节，与涡街流量计5相连的智能流量显示仪12接收涡街流量计5输出的流量输入信号，并显示当前时刻的流量参量，当变频器10为50hz时，涡街流量计5应测得的额定流量为60.08m³/h，则管内流速为8.5m/s。打开工控机13与稳压电源9，其中稳压电源9作为外部电源给数据采集卡net289518供电。

空气电加热器2与电加热器温度控制器11相连，通过电加热器温度控制器11设定空气电加热器2的金属加热温度，在电加热器温度控制器11上显示电加热器2中的实时温度测量数据。此时工业双金属温度计3和数显温度变送器7显示的温度分别是加热条件下空气电加热器2中空气的温度以及烟道6内空气的温度。记录下数显温度变送器7的数值。

第二步：如图1所示，若选取声波传感器8中编号1-1的传感器作为声波发射器，按照如图3所示的信号发声卡pci960315管脚定义信号线应与接线端子板a68d16接口管脚51、52相连接。

第三步：如图1所示，以第二步为前提，将声波传感器8中编号1-2至1-8以及编号2-1至2-8的15个传感器作为声波接收器，并按照如图4所示数据采集卡nrt289518管脚的定义中对应的ai1+～ai15+，将传感器信号线依次与接线端子板a68d-ii17的15路接口管脚序号34、65、32、62、29、60、27、57、23、55、21、52、18、50、16连接。

通过信号线将接线端子板a68d16接口管脚14、16与接线端子板a68d-ii17接口管脚11、12相连。接线端子板a68d16与信号发声卡pci960315、接线端子板a68d-ii17与数据采集卡net289518分别通过各自的信号输入输出连接器相连，信号发声卡pci960315和数据采集卡net289518均安装在工控机13中。工控机与信号发声及采集系统的连接示意图如图2所示。

第四步：信号发声与同步数据采集：为实现声波信号的同步触发与同步采集，数据采集卡net289518采用主从卡级联的方案时，主卡pci9603使用内时钟源模式，选择允许时钟输出，而从卡net2895使用外时钟源模式，信号触发具体接线方法参考第三步，待主卡、从卡按相应的时钟源模式被初始化完成后，先启动所有从卡，由于主卡还没有被启动没有输出时钟信号，所以从卡进入等待状态，直到主卡被启动的同时所有的从卡被启动，即实现了多卡同步启动的功能。当声波发射器被信号发声系统触发的同时，通过信号采集管理系统开始同步接收信号数据并进行存储；

信号发声卡与数据采集卡的具体参数设置在工控机内的控制程序中完成。包括对信号发声系统及数据采集系统两部分的设置：

(5)确定信号发声系统的参数配置：设置电压量程±10000mv、点频率100khz、时钟源内部时钟、触发源dtr触发、触发模式单步触发等、触发方向负向触发、信号波形方波、正弦波等等参数进行设置；

(6)在信号采集系统中，设置采集系统参数，包括采集模式有限采集、时钟源外时钟、触发方式中间触发、后触发、前触发等；

第五步：信号数据处理：根据算法对采集的数据信号数据进行分析，寻找最佳数据采集点，通过对数据的处理得到声波各条路径的飞渡时间，通过计算同时得到烟道内的温度和流速。

第六步：每完成一个试验条件下的信号数据采集周期后，重复第四步和第五步。