宋大勇， 劉維岐, 張家維

(國家能源集團科學技術研究院有限公司，遼寧 沈陽 110100)

引 言

火電廠鍋爐優(yōu)化燃燒是火電廠節(jié)能減排和安全的關鍵所在[1]。對爐膛內的溫度場進行測量，可以對不均勻的燃燒進行矯正，防止由于煙氣的聚集而造成水冷壁的磨損和結焦，并預先抑制由燃燒偏斜造成的汽包兩側水位的偏差，以避免產生重大事故；而對爐膛出口的溫度進行監(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焦，防止出口的啟動溫度提高過快對再熱器管產生的損傷，而且通過對爐膛出口在不同負荷下的問題反饋，及時調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)測還能夠對燃燒器的風量分配、風煤比進行優(yōu)化，對燃燒火焰的中心高度進行控制，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、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，置于燃燒場內進行測量。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]。輻射式溫度計和飛灰顆粒輻射光譜法屬于被動測溫方法，輻射式溫度計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煙氣中的飛灰顆粒輻射的可見光進行光學圖像描繪，然后利用計算機對探測到的復雜圖像進行處理，從而實現對爐膛內溫度的測量。但是該方法也存在著很多缺點，由于某些因素的影響，如爐膛內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成本和較大的維護工作量等缺點[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溫度的關系進行溫度測量的，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合熱力學氣體狀態(tài)方程可求解得到溫度[7]。該方法已有商品化產品并且在燃煤鍋爐現場得到應用，但由于燃燒流動、溫度梯度和背景噪聲影響，測量信噪比和準確度有待提升[8]。

激光光譜學方法是近年來興起的一種先進的非接觸式測量技術，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關系來測溫。激光光譜法因測溫精度高、魯棒性好而受到青睞[9]，與計算機層析成像(CT)技術結合可測爐膛的溫度場分布[10]。本文不同于傳統的雙線測溫法，使用煙氣中的CO2氣體的一條譜線實現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。

2 單譜線測溫方法

目標氣體的溫度、壓強可以分別依據高斯線寬和洛侖茲線寬計算得出，而待測氣體的濃度是需要利用已測的溫度、壓強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。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求和來取代復雜的卷積從而近似解析福伊特線形，該方法在計算仿真過程中極其方便簡潔，求解過程不涉及復雜卷積，而且該算法求解的精度滿足譜線計算參數使用需求。

根據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分別是透射光強度和入射光強度；v為波數；P為壓強；S是分子吸收線強；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表達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確地求出CG和CL直和系數，通過系數的權重比可以得出兩種展寬機制對福伊特線形的影響輕重。

其中，直和加權系數CG和CL是無量綱d的函數，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。然后利用這些參數依據高斯線形洛倫茲線形函數求出溫度、壓力和濃度等目標氣體的參數信息，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

在實際的測量過程中，可以從數據庫中目標氣體的數據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CL和CG進行非線性擬合，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的非線性擬合，通過最小化算法求得的數據和數據庫中的數據之間誤差的平方和求出最優(yōu)的直和參數。其中，R為擬合的殘差，yi為數據庫中提取直接得到的吸收線形的數值，vi為波長或者頻率，p為初始的直和參數，記作(CL，CG)。

利用公式(2)和公式(3)，當參數d為0時，設置最小二乘法的譜線初始參數(CL，CG)為(0.681 181 7,0.324 601 7)，然后與數據庫設置的波數段的數據進行仿真迭代，直到算法收斂得到最優(yōu)的擬合參數CL和CG，然后代入到公式(3)和公式(4)中，求出d，然后結合公式(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。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，通過模型函數對待測參數CL和CG向量在領域范圍內作線性近似，忽略掉高階導數項，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。

3 仿真研究

首先，確定目標氣體，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數量的強吸收線，是激光吸收光譜測量中非常有吸引力的氣體分子。接下來選擇目標吸收譜線，適當選擇譜線可以提高測量性能。單譜線測溫需要滿足幾項選擇原則：氣體譜線應在待測溫度范圍內具有足夠的吸收強度，以確保測量具有高的信噪比；所選譜線應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應在合適的范圍內，這是由算法的本質是洛倫茲函數和高斯函數的加權求和決定的。

為了證實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行仿真驗證。從HITRAN數據庫中，選取了CO2位于4 992.5 cm-1吸收譜線作為目標譜線，如圖2所示，該譜線不僅有足夠強的吸收，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的摩爾分數為4.0%、光程長度為10 cm，波數從4 992.1 cm-1到4 993 cm-1間隔為0.01 cm-1仿真，得到在90組數據的吸收譜線，依據算法流程圖，對該吸收譜線進行擬合仿真，利用Matlab并結合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與仿真的設定值進行對比。

通過圖4可以看出，當信噪比(SNR)在(0，20)區(qū)間內，測量得到的CO2氣體溫度的誤差范圍在(-13.3%，20%)以內。而測得的CO2氣體壓強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)現當原始數據組數越多，通過多次平均測量結果，所有測量值仍然可以與設定值保持一致。隨著SNR的增加，測量不確定度逐漸變小，當SNR>20時，3個參數的測量不確定度都可在10%以內，SNR>30時，溫度測量不確定度可以在3%以內。因此，為了保證測量的準確性，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，可以通過數據濾波預處理、均值預處理等方法保證數據具有較高的信噪比。

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的仿真譜線進行擬合、分解的處理結果

圖4 CO2不同程度的噪聲對直和算法溫度參數的影響

4 實驗結果

在首鋼某電廠150 MW高爐煤氣燃氣鍋爐(GT11N2)，利用本文設計的實驗系統進行了測量，現場安裝示意圖如第26頁圖5所示，首先，高爐煤氣從母管出來后，進行除塵除濕后輸送到煤氣壓縮機進行升壓處理，與此同時對空氣進行過濾及升壓，然后將升壓后的高爐煤氣和空氣輸送到鍋爐燃燒室進行燃燒，燃燒產生的CO2體積分數能夠達到40%～50%。本測量系統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，在此處對溫度進行實時測量并與熱電偶測量的結果進行了對比，結果如第26頁圖6所示。實驗結果表明，系統的測量結果與熱電偶的測量結果較為一致，也證明了該系統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合，利用CT技術對爐膛燃燒的截面進行二維重建，來測量燃燒過程中非均勻分布的溫度場。

圖5 高爐煤氣燃氣輪機燃燒爐膛溫度測量示意圖

圖6 高爐煤氣燃氣鍋爐爐膛溫度測量結果

5 結論

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，以燃燒最普遍產物之一的二氧化碳氣體為檢測目標，選取其位于2 003 nm處的吸收譜線，用高斯函數和洛倫茲函數的直接加權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。將系統應用到首鋼某電廠機組功率為150 MW的高爐煤氣燃氣鍋爐爐膛進行實地測量，并將系統的測量結果與熱電偶的測量結果進行比較，兩個結果較為吻合，表明該系統能夠用于對鍋爐爐膛的溫度場測量等測溫應用中。同時，該方法具有結構簡單、實用方便等優(yōu)點，可以擴展到其他燃燒場的診斷應用中，也為后續(xù)的燃燒優(yōu)化和節(jié)能減排奠定了基礎。