锅炉管道泄漏声行为特性研究

论文摘要

电站锅炉“四管”（水冷壁、过热器、再热器和省煤器）爆漏事故一直是影响火电机组安全、经济运行的重要因素。用声学方法进行炉内管道泄漏早期检测是目前最具发展潜力的技术手段，但由于对锅炉管道泄漏声辐射的频谱、指向性特征，以及水冷壁边界、换热器管阵列和炉内温度场等复杂环境对泄漏声传播的影响规律等声学行为特性认识不清，导致检测系统没有足够的声学知识作为诊断依据，阻碍了该项技术的应用发展，因此，研究锅炉管道泄漏声行为特性具有重要的学术意义和工程实用价值。 本文研究了孤立管道泄漏喷流的湍流流动规律和喷流噪声产生的物理机理，对泄漏喷流的频谱特征进行了实验测试，得出了泄漏声辐射与管内压力和泄漏口径的关系。利用活塞振动原理建立了管道泄漏口声辐射的数学模型，得出了泄漏喷流的远场声辐射指向性特征，并用电声和泄漏声两种声源进行了实验验证。 利用Bloch理论和反射光栅理论建立了水冷壁管阵列声散射的数学模型，利用镜像原理和孤立管道泄漏声辐射的数学模型数值计算了水冷壁表面的泄漏口向炉内声辐射的场分布特征。分析研究了炉膛水冷壁边界对低频声场分布的影响和产生驻波的模态频率，并用ANSYS有限元软件对低频噪声的声场分布进行了数值计算。 利用Twersky声散射理论、透射光栅衍射理论、法布里-珀罗干涉原理和数学叠代法，建立了泄漏声波通过换热器管排阵列传播的数学模型，数值计算了不同结构参数的换热器管阵列对泄漏声波的截止与导通的频段位置及带宽，提出了管阵列内部管道泄漏声传输的“聋带”和“聪带”的概念。并用电声谱和空气泄漏声谱对管排阵列的声传输特性进行了实验研究，结果表明电声谱的“聋带”位置与理论预测值基本吻合，并与当前国际上“声子晶体”研究所揭示的现象一致。泄漏声谱的传输特性在较低频率段与理论值吻合较好，但在较高频段偏差较大，原因是泄漏喷流与管阵列相互作用产生了二级声辐射。同时得到了不同排数的声透射特征，为泄漏源定位提供了依据。 利用Helmholtz积分方程，数值计算了泄漏声波在通过管排阵列时，在管道表面产生的声场分布和激发管壁共振的模态频率，给出了管排结构参数对管壁表面声场的影响规律，得出了管壁的模态共振频率与孤立管基本相同的结论。 利用光学Fermat原理和数学变分方法，建立了三维温度梯度场中的声传播路径的数学模型，数值计算了一维轴对称和二维单峰对称和偏斜温度场中的声传播路径，从理论上描述了炉内声线由高温区向低温区弯曲的现象，说明了炉内非均匀温度场中声传播路径“弯曲效应”是导致锅炉管道泄漏源定位失真的重要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 炉管泄漏声学检测技术的方法分类
• 1.2.1 主动式有源监测诊断技术
• 1.2.2 被动式无源监测诊断技术
• 1.3 声学检测技术的国内外研究现状
• 1.3.1 国外声学检测技术的发展历史与现状
• 1.3.2 国内声学检测技术的发展历史与现状
• 1.4 锅炉管道泄漏声行为特性的国内外研究现状
• 1.5 论文的研究内容和主要工作
• 第二章 炉管泄漏喷流噪声的产生机制及其辐射特征
• 2.1 引言
• 2.2 炉管泄漏喷流的流动特征
• 2.2.1 炉管泄漏喷流的流动结构分析
• 2.2.2 泄漏喷流的流动速度及动压随传播距离的衰减特性
• 2.2.2.1 泄漏喷流的流动方程
• 2.2.2.2 流动方程的求解
• 2.2.3 炉管泄漏口处喷流速度的估算
• 2.2.3.1 空气泄漏介质
• 2.2.3.2 过热蒸汽泄漏介质
• 2.2.3.3 水或汽水混合物泄漏介质
• 2.3 泄漏喷流噪声产生的物理机理及其频谱特征分析
• 2.3.1 泄漏喷流噪声产生的物理机理
• 2.3.2 喷流噪声的声功率—Lighthill定律
• 2.3.3 喷流噪声的声功率级和声压级
• 2.3.4 喷流噪声的频谱规律
• 2.3.5 管道泄漏喷流噪声频谱规律实验研究
• 2.4 炉管泄漏喷流噪声的空间指向性特征研究
• 2.4.1 管道泄漏声辐射场数值计算的一般理论模型
• 2.4.2 矩形泄漏口声辐射空间指向性特征研究
• 2.4.2.1 矩形泄漏口声辐射数学模型
• 2.4.2.2 矩形口均匀源模型声辐射的数值计算及结果分析
• 2.4.3 圆形泄漏口声辐射空间指向性特征研究
• 2.4.3.1 圆形均匀辐射源的空间声场计算模型
• 2.4.3.2 圆形非均匀对称辐射源的空间声场计算模型
• 2.4.3.3 圆形口均匀源模型声辐射的数值计算及结果分析
• 2.5 管道泄漏口声辐射指向性特征实验研究
• 2.5.1 电声谱辐射声场指向性特征模拟实验研究
• 2.5.2 泄漏喷流噪声谱辐射声场指向性特征实验研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 炉膛边界对炉内泄漏声和背景噪声空间场分布的影响
• 3.1 引言
• 3.2 电站锅炉基本结构及其炉膛几何特征
• 3.3 炉膛水冷壁的几何结构特征及其声学特性分析
• 3.3.1 炉膛水冷壁管排阵列的几何结构特征
• 3.3.2 水冷壁表面管排阵列的声散射分析
• 3.4 锅炉水冷壁管道泄漏辐射声场指向性特征研究
• 3.4.1 水冷壁管道泄漏口辐射声场的理论计算模型
• 3.4.2 水冷壁管道泄漏口辐射声场的数值计算结果
• 3.5 炉壁边界对炉内声场分布特征的影响分析
• 3.5.1 炉壁边界对炉内声传播的影响分析
• 3.5.2 炉膛低频声辐射场空间分布有限元研究
• 3.5.2.1 炉膛结构的物理模型、加载条件及其网格划分
• 3.5.2.2 炉膛内低频声场分布数值计算结果及其模态分析
• 3.5.3 锅炉边界影响下炉膛内泄漏声辐射场的分布规律
• 3.6 本章小结
• 第四章 炉内换热器管排阵列对泄漏声波传播的影响
• 4.1 引言
• 4.2 炉内换热器管排阵列的几何结构特征及其环境特点
• 4.2.1 过热器管的结构特征及运行特点
• 4.2.1.1 对流过热器
• 4.2.1.2 辐射式过热器
• 4.2.1.3 半辐射式过热器
• 4.2.2 再热器管的结构特征及运行特点
• 4.2.3 省煤器管的结构特征及运行特点
• 4.3 周期性管排阵列结构声传输特性理论模型研究
• 4.3.1 一维单排管阵列结构声传输的数学模型
• 4.3.2 双排管阵列结构声传输的数学模型
• 4.3.3 多（N）排管阵列结构声传输的数学模型
• 4.4 周期性管排阵列结构声传输特性数值研究
• 4.4.1 单排管阵列声透射系数的计算结果及分析
• 4.4.2 双排管阵列声透射系数的计算结果及分析
• 4.4.3 多排管阵列声透射系数的计算结果及分析
• 4.5 周期性管排阵列结构声传输特性实验研究
• 4.5.1 电声谱管排阵列声透射系数实验结果及分析
• 4.5.2 泄漏声谱管排阵列声透射系数实验结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 炉内声波对管排阵列中的管道壁面产生的影响
• 5.1 引言
• 5.2 管排阵列中管壁表面的声场分布
• 5.2.1 锅炉管排阵列声散射的数学模型
• 5.2.2 锅炉管排阵列中管壁表面的声场分布数值计算
• 5.2.3 锅炉管排阵列中管壁表面声场模态分析
• 5.3 管排阵列中管道壁面声共振的模态分析
• 5.3.1 声波激发孤立管壁声振动的数学模型
• 5.3.2 声波激发管排阵列中管壁声振动数学模型
• 5.3.3 声波激发管排阵列中管壁声振动数值结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 炉内非均匀温度场对泄漏声传播路径的影响
• 6.1 引言
• 6.2 非均匀温度场中声传播路径的数学模型
• 6.3 温度场中声传播路径的数值计算
• 6.3.1 均匀温度场中的声传播路径
• 6.3.2 一维非均匀温度场中的声传播路径
• 6.3.3 二维非均匀温度场中的声传播路径
• 6.3.3.1 二维单峰对称温度场中的声线传播路径
• 6.3.3.2 二维单峰倾斜温度场中的声线传播路径
• 6.4 声线弯曲效应对泄漏源定位产生的影响分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间所发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参加的科研工作
• 作者在攻读博士学位期间的科研获奖情况