鍋爐燃燒溫度的單吸收譜線測量

宋大勇， 劉維岐, 張家維

(國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，遼寧 沈陽 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]。對爐膛內(nèi)的溫度場進(jìn)行測量，可以對不均勻的燃燒進(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；而對爐膛出口的溫度進(jìn)行監(jiān)測，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，防止出口的啟動溫度提高過快對再熱器管產(chǎn)生的損傷，而且通過對爐膛出口在不同負(fù)荷下的問題反饋，及時調(diào)整輻射熱和對流熱的比例，以提高熱回收效率。另外，通過爐膛溫度場監(jiān)測還能夠?qū)θ紵鞯娘L(fēng)量分配、風(fēng)煤比進(jìn)行優(yōu)化，對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]。總之，爐膛溫度場測量對鍋爐優(yōu)化燃燒具有重要意義。

1 爐膛溫度測量方式

目前，爐膛溫度測量方式主要有接觸式傳感器探測、輻射式溫度計(jì)、飛灰顆粒輻射光譜法、聲波測溫法和激光光譜測溫法。其中，接觸式傳感器探測是利用溫度傳感器作為測量探針，置于燃燒場內(nèi)進(jìn)行測量。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測溫方法，輻射式溫度計(jì)測溫主要是通過煙氣的紅外輻射來測量溫度，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，都會造成待測區(qū)域的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致測量誤差很大[4]；而飛灰顆粒輻射光譜法主要是通過對爐膛內(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)對探測到的復(fù)雜圖像進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對爐膛內(nèi)溫度的測量。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，會導(dǎo)致在測量過程中有較大的誤差。同時，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]。聲波測量和激光光譜測量屬于主動測溫法，相比被動方法有更高的靈敏度和精度。前者是利用聲波在傳播時的聲速或聲波頻率與介質(zhì)溫度的關(guān)系進(jìn)行溫度測量的，通常在傳播方向和距離已知的情況下，通過測量聲波傳播時間結(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)場得到應(yīng)用，但由于燃燒流動、溫度梯度和背景噪聲影響，測量信噪比和準(zhǔn)確度有待提升[8]。

激光光譜學(xué)方法是近年來興起的一種先進(jìn)的非接觸式測量技術(shù)，其中最常見的測溫方法是雙線測溫法，通過測量同一被測氣體的兩條不同能級的譜線，利用譜線積分吸光度之比與溫度的單值單調(diào)關(guān)系來測溫。激光光譜法因測溫精度高、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)合可測爐膛的溫度場分布[10]。本文不同于傳統(tǒng)的雙線測溫法，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測量，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，而待測氣體的濃度是需要利用已測的溫度、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，必定會求解福伊特函數(shù)。J. Li研究提出的一種方法[11]，通過對高斯線形和洛倫茲線形的加權(quán)求和來取代復(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高斯線型和洛倫茲線型簡單加權(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)

通過對以上3個公式的計(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)際的測量過程中，可以從數(shù)據(jù)庫中目標(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具有福伊特線寬的高斯線形фG和φL洛倫茲線形。最后對直和系數(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)庫中提取直接得到的吸收線形的數(shù)值，vi為波長或者頻率，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，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)，即可同時測量得到待測氣體分子的濃度、溫度以及壓力參數(shù)。并采用Levenburg-Marquardt算法來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)對待測參數(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，是激光吸收光譜測量中非常有吸引力的氣體分子。接下來選擇目標(biāo)吸收譜線，適當(dāng)選擇譜線可以提高測量性能。單譜線測溫需要滿足幾項(xiàng)選擇原則：氣體譜線應(yīng)在待測溫度范圍內(nèi)具有足夠的吸收強(qiáng)度，以確保測量具有高的信噪比；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，將對直和算法是否可行進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從HITRAN數(shù)據(jù)庫中，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、壓力以及濃度的測量值，在表2與仿真的設(shè)定值進(jìn)行對比。

通過圖4可以看出，當(dāng)信噪比(SNR)在(0，20)區(qū)間內(nèi)，測量得到的CO2氣體溫度的誤差范圍在(-13.3%，20%)以內(nèi)。而測得的CO2氣體壓強(qiáng)和濃度的誤差相對較大。通過對CO2加入不同程度的噪聲對比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)原始數(shù)據(jù)組數(shù)越多，通過多次平均測量結(jié)果，所有測量值仍然可以與設(shè)定值保持一致。隨著SNR的增加，測量不確定度逐漸變小，當(dāng)SNR>20時，3個參數(shù)的測量不確定度都可在10%以內(nèi)，SNR>30時，溫度測量不確定度可以在3%以內(nèi)。因此，為了保證測量的準(zhǔn)確性，被測信號的信噪比最好大于30，測量時多次平均是必要的。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)行了測量，現(xiàn)場安裝示意圖如第26頁圖5所示，首先，高爐煤氣從母管出來后，進(jìn)行除塵除濕后輸送到煤氣壓縮機(jī)進(jìn)行升壓處理，與此同時對空氣進(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，在此處對溫度進(jìn)行實(shí)時測量并與熱電偶測量的結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果如第26頁圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量結(jié)果與熱電偶的測量結(jié)果較為一致，也證明了該系統(tǒng)可以適用于對燃燒室溫度的測量。此外，后期的工作將與多光路測量相結(jié)合，利用CT技術(shù)對爐膛燃燒的截面進(jìn)行二維重建，來測量燃燒過程中非均勻分布的溫度場。

圖5 高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒爐膛溫度測量示意圖

圖6 高爐煤氣燃?xì)忮仩t爐膛溫度測量結(jié)果

5 結(jié)論

火電廠鍋爐燃燒溫度場測量對于電廠安全和節(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，測量的譜線信噪比大于30時，溫度的測量誤差可在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)地測量，并將系統(tǒng)的測量結(jié)果與熱電偶的測量結(jié)果進(jìn)行比較，兩個結(jié)果較為吻合，表明該系統(tǒng)能夠用于對鍋爐爐膛的溫度場測量等測溫應(yīng)用中。同時，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以擴(kuò)展到其他燃燒場的診斷應(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)。