自適應(yīng)數(shù)字濾波器在鍋爐漏泄預(yù)報中的應(yīng)用

自適應(yīng)數(shù)字濾波器在鍋爐漏泄預(yù)報中的應(yīng)用

1鍋爐“四管”漏泄監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)報的難點在輸送廠，鍋爐的溢熱器、充熱器、冷水壁和省煤器（以下簡稱“四管”）的泄漏是導(dǎo)致不適臺鍋爐的主要原因之一。因此如何早期發(fā)現(xiàn)鍋爐“四管”漏泄,對妥善安排檢修計劃及縮短檢修時間有著重要意義。但是由于爐膛內(nèi)的干擾噪聲很多,往往把漏泄產(chǎn)生的聲波信號完全淹沒,使漏泄的判斷十分困難,如何能夠從干擾信號中提取出反映漏泄的聲波信號,是“四管”漏泄監(jiān)測系統(tǒng)能否準(zhǔn)確預(yù)報漏泄的關(guān)鍵。本文介紹了利用自適應(yīng)數(shù)字濾波方法來分離噪聲和漏泄信號的方法。2波場激發(fā)勞動力鍋爐“四管”是在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下工作的,由于設(shè)計、管材、焊接質(zhì)量、運行調(diào)整水平和運行工況等因素的影響,使得管壁或接口處會出現(xiàn)裂縫或裂口。根據(jù)大量的研究和實踐證明,在裂縫或裂口形成之前,有一段應(yīng)力集中時間,隨著應(yīng)力集中的不斷增大,到大于材料的屈服極限時,管壁開始發(fā)生變形(鼓包),與此同時,釋放出應(yīng)變能。該能量以應(yīng)力波(類似于超聲波)的形式釋放出來,該處所受的應(yīng)力暫時減小,并又開始集中,然后又發(fā)生變形,如此反復(fù)直至開裂。當(dāng)管壁開裂時,會釋放出非常強的應(yīng)力能;裂口形成后,管內(nèi)的高壓流體從裂口噴射而出,形成高速射流,同時激發(fā)出很強的聲波(一般為超聲波)。該聲波沿球面向各個方向傳播,其傳播的球坐標(biāo)波動方程為:?2p?r2??p?r??(lnS)?r=1C20?2p?t2?2p?r2-?p?r??(lnS)?r=1C02?2p?t2(1)式中:p——聲壓;S——距離r處的波陣面積,S=4πr2。將S的表達式代入式(1),得:?2p?r2?2r??p?r=1C20?2p?t2?2p?r2-2r??p?r=1C02?2p?t2(2)漏泄產(chǎn)生的聲波具有如下特點:(1)無論在哪個階段,漏泄產(chǎn)生的聲波頻率均比較高,聲波能量比較集中的頻段為3～6kHz;(2)漏泄產(chǎn)生的聲發(fā)射信號比較強,且其幅度大小與漏泄速率成正比,與信號的均方根值成正比;(3)漏泄信號為非連續(xù)型脈沖波。3自適應(yīng)濾波算法控制噪聲根據(jù)上述漏泄信號特點而研制的“四管”漏泄監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。漏泄產(chǎn)生的聲波在煙氣中傳播到安裝在爐墻上的傳感器后,激發(fā)聲波接收傳感器轉(zhuǎn)換成電信號。由于該電信號很弱,不適宜遠距離傳播,因此在傳感器附近設(shè)置了前置放大器,該放大器同時具有帶通濾波功能,將通帶外的干擾信號剔除掉。經(jīng)處理后的信號用屏蔽電纜送到主控室的信號采集器,進行二次放大,并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到工控機的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由于采集到的信號中包含有干擾噪聲信號,利用自適應(yīng)濾波算法將有用信號從噪聲中提取出來,再進行FFT分析(傅立葉變換),得到信號的頻率譜(或功率譜),然后利用一定的算法提取出反映漏泄程度的特征值,進行顯示、判斷和分析。如果發(fā)生漏泄,則進行報警,并將漏泄點的有關(guān)信息保存起來,以備故障分析之用。對于監(jiān)測系統(tǒng)的其它部分,由于篇幅關(guān)系不再論述,下面只將自適應(yīng)濾波部分作一介紹。4鍋爐周邊設(shè)備的干擾噪聲監(jiān)測系統(tǒng)接收到的漏泄信號中包含有大量的干擾信號,如燃料燃燒發(fā)出的聲波、汽流流動的聲波、鍋爐附近的其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾噪聲等。但凡不是“四管”漏泄產(chǎn)生的信號均屬于干擾噪聲。由于干擾噪聲的頻率與漏泄聲波的頻率非常接近,利用一般常用的濾波器不起作用,因此,本文提出利用自適應(yīng)噪聲對消器(自適應(yīng)濾波)來進行信號和噪聲的分離。4.1自適應(yīng)噪聲去噪自適應(yīng)噪聲對消器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的特點是:只需要很少或完全不需要任何關(guān)于噪聲和信號的先驗統(tǒng)計特性知識,直接利用有限個觀測數(shù)據(jù)來估計噪聲分量;通過運算,自動調(diào)節(jié)濾波器自身參數(shù),以滿足某種最佳準(zhǔn)則的要求。采用自適應(yīng)噪音對消器能較好地達到去噪的目的。輸入信號v(n)直接送主通道,同時經(jīng)過延時△后送參考通道,延時△取為足夠長,使得參考通道輸入v(n-△)中的漏泄信號與v(n)中的漏泄信號不相關(guān),而v(n)和v(n-△)中的干擾信號總是相關(guān)的,在對消器中干擾信號相互對消,輸出信號e(n)即為漏泄信號。4.2修正權(quán)系數(shù)的確定令采集的離散信號序列為v(n),由此構(gòu)造的輸入序列為:VTnnΤ=[v(n),v(n-1),v(n-2),…,v(n-M)](3)經(jīng)延時△后的輸入信號序列為:VTn?△n-△Τ=[v(n-△),v(n-△-1),v(n-△-2),…,v(n-△-M)](4)濾波器中間的輸出y(n)為:y(n)=∑i=1Mwi(n)v(n?i)[wi(n)y(n)=∑i=1Μwi(n)v(n-i)[wi(n)為權(quán)系數(shù)](5)對消器的輸出為:e(n)=v(n-△)-y(n)=v(n-△)-WTnnΤ·Vn(6)若S=1N∑i=1Ne2i≥δ(δS=1Ν∑i=1Νei2≥δ(δ為很小的正數(shù),一般取10-4),則修正權(quán)系數(shù)wi(n),即w(n+1)=w(n)+μ(n)·e(n)·v(n),μ(n)為步長,為了提高穩(wěn)定性和收斂速度,可以采用變步長μ(n+1)=A·μ(n)+B·e2(n)(0<A<1,B≥0),其中A、B為控制系數(shù),它們對收斂速度和穩(wěn)定性有很大影響,需謹慎選擇。圖3為從現(xiàn)場實際采集到的漏泄信號與干擾噪聲的合成信號及其頻譜,將該信號經(jīng)離散化后送入自適應(yīng)噪聲對消器。由于干擾噪聲為周期性信號,因此,參考通道的信號用合成信號經(jīng)延時后的信號代替,經(jīng)過自適應(yīng)濾波后將干擾噪聲分離出來,然后與合成信號進行對消,輸出的信號即為漏泄信號。圖4為該信號經(jīng)處理后的時基波形和頻譜。5次漏泄事故應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)的“四管”漏泄監(jiān)測系統(tǒng)于2001年在某電廠670t/h鍋爐上安裝使用,運行穩(wěn)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天報警。圖5是其中一次漏泄的追憶趨勢曲線。由圖中可見,從2月5日開始漏泄信號特征值開始有所增大,到2月7日突躍到報警線以上,系統(tǒng)報警并指示測點27處(省煤器)發(fā)生漏泄,馬上申請停爐檢修,到2月9日中午批準(zhǔn)停爐搶修。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)低溫省煤器有1根水管穿孔,處理后啟爐報警解除,避免了事故的進一步擴大,減少了維修費用和維修時間,提高了機組的可用率。6鍋爐漏泄監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點實踐證明,采用自適應(yīng)噪音對消數(shù)字濾波可