1　引言
　　高温烟气流速的测量在热能、冶金、化工、炼油等许多行业是最重要也是最常测试的参数之一，它对于燃烧系统的热平衡计算、燃烧效率评价及燃烧机理研究等众多工程需求都有很重要的意义。由于通常进行的空气动力场试验结果与系统热态运行状况存在较大的差异，迫切需要对高温烟气流动过程进行直接测量。一方面，由于工业现场运行条件较为恶劣，限制了许多测速仪器设备的使用。炉内燃烧脉动强烈，烟气温度在1200℃以上，且含有高温熔融灰粒，使得一些对环境条件要求较高的测试仪器无法使用。目前国内外常用的水冷气力式探针在测量炉内高温烟气二、三维流动速度时也存在着诸如灵敏度差、测量误差大等问题^［1］。另一方面，炉膛内的燃烧烟气的流场分布复杂，特别是大容量煤粉和燃油锅炉主要采用直流和旋流两种燃烧器，四角布置直流燃烧器的直流火焰在炉膛内相切，形成强大的旋转火炬，因此炉内热态高温烟气动力场的测量必须在三维情况下进行。
　　利用信号相关方法测量烟气流速的思想正是在这样的背景下提出来的，这种方法和其它测速方法最大的区别是，它是利用布置在流场中相隔一定距离的两个信号传感器所测量出的两组烟气流动脉动时间序列信号，计算信号的相关函数，得到烟气经过这两个传感器所需的渡越时间，最终求出烟气的流速。作者已采用这种方法进行了烟气一维流速的测量^［2］。试验结果表明，测量相对误差达10％左右，每次测量时间在3s以内，而且这种方法具有抗干扰性强的特点。
　　本文介绍基于上述一维烟气流速测量的三维流速测量方法的初步实验研究，在测速探针的结构上作了较大的改进。
2　三维相关测速方法原理
    相关测量的基本原理可简单叙述为：在被测流体的流动方向上隔一段距离L安置两结构和特性完全相同的传感器，当流体流动时，流体内部自然发生的随机噪声，例如，单相流体中湍流“涡漩”的不断产生和衰减，两相流体中离散相的颗粒尺寸分布和空间分布的随机变化等，这些随机变化被传感器中的敏感元件检测到，通过适当的信号转换电路，就可以分别从上、下游传感器中提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x（t）和y（t），由此得出互相关函数R_xy（τ）

相关理论认为，互相关函数R_xy（τ）的图形峰值所对应的延时时间τ₀即为流体从上游流到下游的渡越时间，由此可得流体的流动速度w＝L／τ₀。
　　基于以上原理的三维流速相关测量方法，除了需要计算出流速的大小外，还要确定速度在三维空间的方向。测速探针的结构如图1（a）、（b）所示，4个感压孔S_o、S_x、S_y和S_z构成了以S_o点为顶点的3面直角锥体，根据试验结果确定感压孔S_x、S_y和S_z与S_o的距离L为31 mm，一维相关测速试验的结果表明，上下游传感器之间的间距在20～72 mm之间时能够取得较好的试验结果^［2］。测速试验是在内径为200 mm的直圆管段内进行的，正常运行情况下，测试段的烟气温度在500℃～800℃之间，据此得到的当地音速为548．9～694．3 m／s，这也就是压力波的传播速度，而烟气的流速控制在0～20 m／s之间，相比之下，压力波的传播速度要远远大于烟气流速，因此，可以认为压力波以平面波的形式传播开来。根据公式（1），分别将S_o处的压力脉动信号与S_x、S_y和S_z处的信号进行互相关计算，得到各自的渡越时间τ_x0、τ_y0和τ_z0，根据图（1）可得以下关系式　　

　　
由式（2）和（3）可得：烟气流速矢量w与三个互相垂直坐标轴间的夹角a、b和c，以及烟气流速w为　　

3　试验装置及标定
　　试验系统装置如图2所示，由柴油燃烧器、炉膛、高温烟气管段（测速段）、换热器、低温烟气管段（标定段）、风机、尾部排气段等组成。燃烧器由自己设计制造，以适应相关流速试验的需要。燃烧器燃油量可达15 kg／h，炉膛温度最高可达1 400℃～1500℃左右。圆筒形炉膛采用钢制管道，内壁敷设耐火水泥绝热层，内径200 mm，长度1 600 mm。高温测量管段直径为200 mm，管长为1 000 mm，管内烟温最高可达800℃，流速最高可达20 m／s左右。因排烟用风机允许烟温不应超过300℃，故在测试段与标定段之间安装换热器，降低烟温至100℃～200℃之间。标定段截面为正方形的管段，主要包括翼形测速装置和风量调节阀，翼形测速装置用来测参考速度标定相关流速系统，风量调节阀用于调节流速。用翼形测速装置来检测风道内的流量，与节流测速装置比较，具有阻力损失小，要求前后直管段短，测量稳定可靠等优点。翼形管流速W_y可表示为　　　　　
式中　K_y为翼形管流速修正系数，在实验中取不同雷诺数（Re＝5．04×10⁴～12．08×10⁴）下的K_y平均值；ΔP_y为翼形管压差，Pa；ρ为空气的密度，kg／m³。
　　得到标定段流速后，利用其与测量段流速的关 　ρ_yS_y W_y＝ρ_cS_c W_c（9）式中　W_y和W_c分别为翼形管测得标定管段的流速和测量管段的流速，m／s；ρ_y和ρ_c分别为标定管段烟气的密度和测量管段烟气的密度，kg／m³；S_y和S_c分别为标定管段横截面积和测量管段横截面积，m²。
　　根据式（8）和（9），测量管段的流速W_c可进一步表示为

式中　T_y和T_c分别为标定管段烟气的温度和测量管段烟气的温度，K；T₀为标准状态温度；ρ₀为标准状态下烟气的密度，kg／m₃。

4　试验数据分析
　　由上所述，利用相关方法测量烟气流速是直接利用烟气本身所产生的流动噪声信号进行测量的。流动噪声主要有温度脉动、压力脉动、光信号脉动和烟气中粉尘的运动脉动等噪声信号，所以我们首先对炉膛高温烟气流动的温度脉动信号和压力脉动信号进行动态分析，以便选择合理的信号处理方法和采用合适的测量传感器。
　　试验中，我们采用了镍铬－镍硅铠装热电偶在不同的烟气流速和温度下测量温度脉动信号。烟气流速的调整是通过在烟气中掺入空气量来实现的，因此，随着烟气流速的增加，温度将会降低。测量结果表明，烟气流速较低、温度较高时，温度脉动频率呈现出宽带结构。随着流速增大，温度降低，燃烧趋于稳定，频谱图上高频谐波分量消失，频带变窄，这说明主频随着流速提高和燃烧稳定而变得更加明显，烟气的温度脉动走向有序化，流态趋于稳定，简单。压力脉动分析表明，流速较低，温度较高，燃烧状态相对不稳定时，压力脉动幅值较大；随着流速的增加，温度的减低，燃烧状况得到改善，压力脉动幅值有所减小。然后在比较稳定的燃烧状况下，随着流速的进一步增加，压力脉动幅值增大，温度减低，信号脉动趋于激烈，这可能是由于温度的减低，使得烟气的运动粘度减小造成的，同时，燃烧状态的稳定与否对烟气的压力脉动有重大的影响。流速较低，温度较高时，管道内烟气压力脉动幅值较高，呈现出宽带结构。
　　随着流速增大，温度减低，燃烧状态趋于稳定，频带结构逐渐变窄，主频也愈加明显，但随着流速的进一步增加，温度降低，燃烧状态变得极不稳定，频谱图又呈现出宽带结构，我们选择频响为1000Hz的微压传感器作为三维相关测量实验用的传感器。图3（a）、（b）分别表示烟气流速和温度对压力脉动主频的影响。
　

　　三维测速试验是在一维管道内模拟进行的。三维探头是沿着同管道轴线成60°角插入测量管段，以点S_o作为上游传感器，点S_x、S_y和S_z作为下游　　传感器。可得烟气流速w与S₀Sx、S₀Sy和Sz的夹角分别为a＝24．5°，b＝72．8°，c＝72．8°。以此参考夹角值为标准，可以判断应用三维相关测速探头测量烟气流速方向的准确性。表1所示的是一典型工况的试验结果。该工况下，W_c＝8．78 m／s，T_y＝234℃，T_c＝720℃，ΔP_y＝0．93kPa。

　　
　　试验在参考速度W_c为5．65～25．43 m／s工况下进行，结果表明在此速度范围内，用相关方法测速的准确性较好，且具有较高的稳定性。图4所表示的是参考速度W_c分别为9．41 m／s、13．65 m／s、15．07 m／s、19．10 m／s的4种典型工况。从图中可见，以上4个工况中测量的相关流速分别为10．22m／s、14．28 m／s、16．01 m／s、20．49 m／s，相对误差ε在4．26％～8．61％左右，说明试验的准确性比较好。从另一方面来看，相对误差虽然比较小，但是数值上都是正的，说明整个系统还存在比较明显的系统误差。有可能存在的误差有：上、下游传感器间距的测量误差，管道内径尺寸测量误差，热电偶温度测量误差等。因此，如果在工业现场使用，应先做一些测量试验，然后整定出一个修正系数，用来修正系统误差。

　　从图4中可见，各个工况相关速度的标准误差分别为0．429 m／s、0．267 m／s、0．488 m／s和0．615m／s，相对标准误差分别为4．2％、1．83％、3．05％和3．0％，标准误差小于0．615 m／s，相对标准误差小于4．2％；说明数据的测量值分散程度较低，同一工况下速度测量值的重复性较好。

5　结论

　　三维高温烟气流速测量是实际测量中的一个难题，针对其无法精确在线测量的现状，相关流速测量方法是一个较好的补充。它利用高温烟气的压力脉动信号，经过适当的传感器和信号转换电路，利用计算机进行数据采集和互相关处理，求取渡越时间，从而计算得出烟气的流速和流动方向。因为对于每一维相关测速仅仅测量2信号的相关性即可，而对信号本身的绝对数值却无须关心，这就使得恶劣环境下的流速测量成为可能。

［1］　岑可法．锅炉燃烧试验研究方法及测量技术［M］．北京：水利电力出版社，1987．
［2］　袁镇福，周洁，等．应用相关技术测量炉内高温烟气流速的研究［J］．动力工程，1998，18（6）：55．
［3］　徐苓安．相关流量测量技术［M］．天津：天津大学出版社，1988．
［4］徐秉铮，欧阳景正．信号分析与相关技术［M］．北京：科技出版社，1981．