鍋爐燃燒溫度的單吸收譜線測(cè)量

宋大勇， 劉維岐, 張家維

(國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110100)

引 言

火電廠鍋爐優(yōu)化燃燒是火電廠節(jié)能減排和安全的關(guān)鍵所在[1]。對(duì)爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，可以對(duì)不均勻的燃燒進(jìn)行矯正，防止由于煙氣的聚集而造成水冷壁的磨損和結(jié)焦，并預(yù)先抑制由燃燒偏斜造成的汽包兩側(cè)水位的偏差，以避免產(chǎn)生重大事故；而對(duì)爐膛出口的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅可以避免溫度過高引發(fā)的管壁超溫和過熱器結(jié)焦，防止出口的啟動(dòng)溫度提高過快對(duì)再熱器管產(chǎn)生的損傷，而且通過對(duì)爐膛出口在不同負(fù)荷下的問題反饋，及時(shí)調(diào)整輻射熱和對(duì)流熱的比例，以提高熱回收效率。另外，通過爐膛溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)還能夠?qū)θ紵鞯娘L(fēng)量分配、風(fēng)煤比進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)燃燒火焰的中心高度進(jìn)行控制，以提高燃燒的效率；此外，還可以防止局部過熱，減小氮氧化物的排放以及降低后續(xù)尾氣脫硝的成本[2]?？傊?，爐膛溫度場(chǎng)測(cè)量對(duì)鍋爐優(yōu)化燃燒具有重要意義。

1 爐膛溫度測(cè)量方式

目前，爐膛溫度測(cè)量方式主要有接觸式傳感器探測(cè)、輻射式溫度計(jì)、飛灰顆粒輻射光譜法、聲波測(cè)溫法和激光光譜測(cè)溫法。其中，接觸式傳感器探測(cè)是利用溫度傳感器作為測(cè)量探針，置于燃燒場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。該傳感器雖然使用方便，但比較笨重、易變形、故障率高，而且測(cè)溫范圍受限[3]。輻射式溫度計(jì)和飛灰顆粒輻射光譜法屬于被動(dòng)測(cè)溫方法，輻射式溫度計(jì)測(cè)溫主要是通過煙氣的紅外輻射來(lái)測(cè)量溫度，但由于爐膛內(nèi)的溫度是不均勻分布的狀態(tài)，并且煙氣成分的不確定性以及飛灰顆粒的影響，都會(huì)造成待測(cè)區(qū)域的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致測(cè)量誤差很大[4]；而飛灰顆粒輻射光譜法主要是通過對(duì)爐膛內(nèi)煙氣中的飛灰顆粒輻射的可見光進(jìn)行光學(xué)圖像描繪，然后利用計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)到的復(fù)雜圖像進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛內(nèi)溫度的測(cè)量。但是該方法也存在著很多缺點(diǎn)，由于某些因素的影響，如爐膛內(nèi)飛灰顆粒的濃度和分布的不確定性、鏡頭污染以及圖像處理算法等，會(huì)導(dǎo)致在測(cè)量過程中有較大的誤差。同時(shí)，該方法還具有較高的系統(tǒng)成本和較大的維護(hù)工作量等缺點(diǎn)[5-6]。聲波測(cè)量和激光光譜測(cè)量屬于主動(dòng)測(cè)溫法，相比被動(dòng)方法有更高的靈敏度和精度。前者是利用聲波在傳播時(shí)的聲速或聲波頻率與介質(zhì)溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量的，通常在傳播方向和距離已知的情況下，通過測(cè)量聲波傳播時(shí)間結(jié)合熱力學(xué)氣體狀態(tài)方程可求解得到溫度[7]。該方法已有商品化產(chǎn)品并且在燃煤鍋爐現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，但由于燃燒流動(dòng)、溫度梯度和背景噪聲影響，測(cè)量信噪比和準(zhǔn)確度有待提升[8]。

激光光譜學(xué)方法是近年來(lái)興起的一種先進(jìn)的非接觸式測(cè)量技術(shù)，其中最常見的測(cè)溫方法是雙線測(cè)溫法，通過測(cè)量同一被測(cè)氣體的兩條不同能級(jí)的譜線，利用譜線積分吸光度之比與溫度的單值單調(diào)關(guān)系來(lái)測(cè)溫。激光光譜法因測(cè)溫精度高、魯棒性好而受到青睞[9]，與計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)結(jié)合可測(cè)爐膛的溫度場(chǎng)分布[10]。本文不同于傳統(tǒng)的雙線測(cè)溫法，使用煙氣中的CO2氣體的一條譜線實(shí)現(xiàn)氣體溫度和濃度的同時(shí)測(cè)量，旨在為鍋爐燃燒優(yōu)化提供監(jiān)控和判別的依據(jù)。

2 單譜線測(cè)溫方法

目標(biāo)氣體的溫度、壓強(qiáng)可以分別依據(jù)高斯線寬和洛侖茲線寬計(jì)算得出，而待測(cè)氣體的濃度是需要利用已測(cè)的溫度、壓強(qiáng)和吸收光譜的積分面積共同決定的。求取高斯線寬和洛侖茲線寬時(shí)，必定會(huì)求解福伊特函數(shù)。J. Li研究提出的一種方法[11]，通過對(duì)高斯線形和洛倫茲線形的加權(quán)求和來(lái)取代復(fù)雜的卷積從而近似解析福伊特線形，該方法在計(jì)算仿真過程中極其方便簡(jiǎn)潔，求解過程不涉及復(fù)雜卷積，而且該算法求解的精度滿足譜線計(jì)算參數(shù)使用需求。

根據(jù)Beer-Lambert定律，氣體直接吸收譜線的積分吸光度A可以表示為式(1)。

(1)

式中，It和I0分別是透射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度；v為波數(shù)；P為壓強(qiáng)；S是分子吸收線強(qiáng)；T為溫度；x是氣體濃度；L是光程。

直和算法模型是一種對(duì)高斯線型和洛倫茲線型簡(jiǎn)單加權(quán)求和的形式，由公式(2)表示。

φv(v,Δv)=CG×φG(v,ΔG)+CL×φL(v,ΔL)

(2)

由式(2)可以看出，利用直和模型將福伊特線形函數(shù)表達(dá)為高斯線形和洛倫茲線形線性求和的形式，且共同具有福伊特線寬。該模型在求解時(shí)需要準(zhǔn)確地求出CG和CL直和系數(shù)，通過系數(shù)的權(quán)重比可以得出兩種展寬機(jī)制對(duì)福伊特線形的影響輕重。

其中，直和加權(quán)系數(shù)CG和CL是無(wú)量綱d的函數(shù)，可由公式(3)～公式(5)表示。

CL=0.681 18(17)+0.612 93(31)·d-
0.183 84(39)·d2+0.115 68(44)·d3

(3)

CG=0.324 60(17)-0.618 25(31)·d+
0.176 81(39)·d2+0.121 09(44)·d3

(4)

(5)

通過對(duì)以上3個(gè)公式的計(jì)算，最終可以求得高斯線寬ΔG和洛侖茲線寬ΔL。然后利用這些參數(shù)依據(jù)高斯線形洛倫茲線形函數(shù)求出溫度、壓力和濃度等目標(biāo)氣體的參數(shù)信息，整個(gè)算法如圖1流程圖所示。

圖1 解析Voigt線形的直和算法流程圖

在實(shí)際的測(cè)量過程中，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中目標(biāo)氣體的數(shù)據(jù)信息中首先求得積分吸光度A、福伊特線形φV和福伊特線寬ΔV，然后利用直和模型將福伊特線寬求出兩個(gè)具有福伊特線寬的高斯線形фG和φL洛倫茲線形。最后對(duì)直和系數(shù)CL和CG進(jìn)行非線性擬合，該非線性最小二乘的擬合模型由公式(6)表示。

(6)

利用最小二乘法模型表示直和系數(shù)的非線性擬合，通過最小化算法求得的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)之間誤差的平方和求出最優(yōu)的直和參數(shù)。其中，R為擬合的殘差，yi為數(shù)據(jù)庫(kù)中提取直接得到的吸收線形的數(shù)值，vi為波長(zhǎng)或者頻率，p為初始的直和參數(shù)，記作(CL，CG)。

利用公式(2)和公式(3)，當(dāng)參數(shù)d為0時(shí)，設(shè)置最小二乘法的譜線初始參數(shù)(CL，CG)為(0.681 181 7,0.324 601 7)，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置的波數(shù)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真迭代，直到算法收斂得到最優(yōu)的擬合參數(shù)CL和CG，然后代入到公式(3)和公式(4)中，求出d，然后結(jié)合公式(5)和福伊特線寬公式，求出高斯線寬ΔG和洛倫茲線寬ΔL，最后利用積分吸光面積A的公式(1)，即可同時(shí)測(cè)量得到待測(cè)氣體分子的濃度、溫度以及壓力參數(shù)。并采用Levenburg-Marquardt算法來(lái)求解非線性最小二乘問題，該算法是利用梯度最大(小)值的方法，通過模型函數(shù)對(duì)待測(cè)參數(shù)CL和CG向量在領(lǐng)域范圍內(nèi)作線性近似，忽略掉高階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，變成線性最小乘問題，逼近最佳擬合，該算法具有收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3 仿真研究

首先，確定目標(biāo)氣體，本文選擇的是鍋爐燃燒中含量豐富的CO2氣體，它在近紅外中具有相當(dāng)數(shù)量的強(qiáng)吸收線，是激光吸收光譜測(cè)量中非常有吸引力的氣體分子。接下來(lái)選擇目標(biāo)吸收譜線，適當(dāng)選擇譜線可以提高測(cè)量性能。單譜線測(cè)溫需要滿足幾項(xiàng)選擇原則：氣體譜線應(yīng)在待測(cè)溫度范圍內(nèi)具有足夠的吸收強(qiáng)度，以確保測(cè)量具有高的信噪比；所選譜線應(yīng)避免附近譜線的干擾；在測(cè)量條件下，所選譜線的洛倫茲線寬與高斯線寬的比值ΔL/ΔG應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，這是由算法的本質(zhì)是洛倫茲函數(shù)和高斯函數(shù)的加權(quán)求和決定的。

為了證實(shí)直和模型的算法流程和譜線篩選原則，將對(duì)直和算法是否可行進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)中，選取了CO2位于4 992.5 cm-1吸收譜線作為目標(biāo)譜線，如圖2所示，該譜線不僅有足夠強(qiáng)的吸收，而且避免了H2O的干擾。仿真環(huán)境為：氣壓為0.1 MPa、溫度為1 500 K、CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為4.0%、光程長(zhǎng)度為10 cm，波數(shù)從4 992.1 cm-1到4 993 cm-1間隔為0.01 cm-1仿真，得到在90組數(shù)據(jù)的吸收譜線，依據(jù)算法流程圖，對(duì)該吸收譜線進(jìn)行擬合仿真，利用Matlab并結(jié)合Orign作圖軟件求得含有Voigt線寬的高斯線形以及洛侖茲線形如圖3所示。最后，求出仿真條件下CO2的溫度、壓力以及濃度的測(cè)量值，在表2與仿真的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比。

通過圖4可以看出，當(dāng)信噪比(SNR)在(0，20)區(qū)間內(nèi)，測(cè)量得到的CO2氣體溫度的誤差范圍在(-13.3%，20%)以內(nèi)。而測(cè)得的CO2氣體壓強(qiáng)和濃度的誤差相對(duì)較大。通過對(duì)CO2加入不同程度的噪聲對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)原始數(shù)據(jù)組數(shù)越多，通過多次平均測(cè)量結(jié)果，所有測(cè)量值仍然可以與設(shè)定值保持一致。隨著SNR的增加，測(cè)量不確定度逐漸變小，當(dāng)SNR>20時(shí)，3個(gè)參數(shù)的測(cè)量不確定度都可在10%以內(nèi)，SNR>30時(shí)，溫度測(cè)量不確定度可以在3%以內(nèi)。因此，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，被測(cè)信號(hào)的信噪比最好大于30，測(cè)量時(shí)多次平均是必要的。此外，為了提高直和算法的精度，可以通過數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理、均值預(yù)處理等方法保證數(shù)據(jù)具有較高的信噪比。

圖2 CO2位于2 003 nm處的吸收譜線及周圍干擾情況

圖3 對(duì)CO2的仿真譜線進(jìn)行擬合、分解的處理結(jié)果

圖4 CO2不同程度的噪聲對(duì)直和算法溫度參數(shù)的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在首鋼某電廠150 MW高爐煤氣燃?xì)忮仩t(GT11N2)，利用本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如第26頁(yè)圖5所示，首先，高爐煤氣從母管出來(lái)后，進(jìn)行除塵除濕后輸送到煤氣壓縮機(jī)進(jìn)行升壓處理，與此同時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行過濾及升壓，然后將升壓后的高爐煤氣和空氣輸送到鍋爐燃燒室進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的CO2體積分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到40%～50%。本測(cè)量系統(tǒng)安裝在燃燒室頂下方約90 cm處，燃燒溫度大約在1 400 K左右，在此處對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并與熱電偶測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如第26頁(yè)圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與熱電偶的測(cè)量結(jié)果較為一致，也證明了該系統(tǒng)可以適用于對(duì)燃燒室溫度的測(cè)量。此外，后期的工作將與多光路測(cè)量相結(jié)合，利用CT技術(shù)對(duì)爐膛燃燒的截面進(jìn)行二維重建，來(lái)測(cè)量燃燒過程中非均勻分布的溫度場(chǎng)。

圖5 高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒爐膛溫度測(cè)量示意圖

圖6 高爐煤氣燃?xì)忮仩t爐膛溫度測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

火電廠鍋爐燃燒溫度場(chǎng)測(cè)量對(duì)于電廠安全和節(jié)能減排有重要意義。發(fā)展了基于單譜線的激光吸收光譜溫度測(cè)量方法，以燃燒最普遍產(chǎn)物之一的二氧化碳?xì)怏w為檢測(cè)目標(biāo)，選取其位于2 003 nm處的吸收譜線，用高斯函數(shù)和洛倫茲函數(shù)的直接加權(quán)求和代替卷積求解福伊特線形，從而解析氣體的溫度、濃度、壓力等信息。仿真結(jié)果表明，測(cè)量的譜線信噪比大于30時(shí)，溫度的測(cè)量誤差可在3%以內(nèi)。將系統(tǒng)應(yīng)用到首鋼某電廠機(jī)組功率為150 MW的高爐煤氣燃?xì)忮仩t爐膛進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，并將系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與熱電偶的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，兩個(gè)結(jié)果較為吻合，表明該系統(tǒng)能夠用于對(duì)鍋爐爐膛的溫度場(chǎng)測(cè)量等測(cè)溫應(yīng)用中。同時(shí)，該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以擴(kuò)展到其他燃燒場(chǎng)的診斷應(yīng)用中，也為后續(xù)的燃燒優(yōu)化和節(jié)能減排奠定了基礎(chǔ)。