一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统。激光器发射m种第一激光；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制每一种激光按预设时序交替输出；分光器将每一种激光都分为2np路激光；2np路激光穿过燃烧气体，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。

【技术实现步骤摘要】
一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统
本专利技术涉及气体非接触测量领域，尤其涉及一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统。
技术介绍
锅炉是火力发电厂中的能量输出设备，炉内涉及复杂的燃烧过程。炉内燃烧参数的测量对研究燃烧机理、提高燃烧效率和控制污染物排放等具有积极意义。燃烧温度和组分浓度是炉内最基础的燃烧参数。常规的热电偶和烟气分析仪等测量手段均为单点测量，但单点测量只能反映炉内整体的燃烧状况而无法反映炉内局部的燃烧状况。由于单点测量很难监测炉内火焰中心是否偏离等，从而造成锅炉效率下降、污染物排放增加、水冷壁高温腐蚀和结渣严重等问题。此外，常规的热电偶和烟气分析仪等接触式测量手段无法长期适应于高温、多尘和湍流的炉内环境。激光燃烧诊断技术是一种在线非接触式测量手段，可以实现燃烧参数的快速无干扰测量。可调谐二极管激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术具有系统结构简单、精度高、响应快和适应环境能力强等优点。传统的TDLAS技术是通过对待测区域内某一组分沿光学路径的积分吸收度进行测量，从而反演出光学路径上的平均温度和组分浓度。由于实际炉膛为三维结构，炉内燃烧气体温度和组分浓度分布差异较大，目前，基于TDLAS技术测量温度和组分浓度主要还局限于实验室水平，尚未有关于在实际锅炉上的应用。此外，现有的TDLAS技术不能满足对燃烧气体温度和多种组分浓度的同时在线测量。因此，如何提供一种能够同时在线测量炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度的方法或系统，就成了现有技术的需求。专利技术内容本专利技术提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统，以解决现有测量装置不能测量燃烧气体三维温度和组份浓度的技术问题。第一方面，本专利技术提供了一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。第二方面，本专利技术还提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统，其特征在于：该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统包括上位机、激光器、光开关、分光器、光电转换器、锁相放大器和采集卡；所述激光器和上位机电性连接，所述激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；所述光开关与激光器连接，所述光开关还和上位机电性连接，所述光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；所述分光器和光开关连接，所述分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；所述光电转换器，其用于按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；所述采集卡和光电转换器电性连接，所述采集卡按时序将m种2np路第二激光进行光电转换形成的电信号采集并转换成数字信号传输给锁相放大器；所述锁相放大器和采集卡电性连接，所述锁相放大器还和上位机电性连接，所述锁相放大器对按时序依次形成的数字信号信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；所述上位机用于对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。与现有技术相比，本专利技术通过提供一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法和系统，激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度，实现炉内多维燃烧气体温度和多组份浓度测量，针对高温恶劣的炉内环境，基于TDLAS技术实现了炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度的非接触式在线测量，具有无干扰、精度高、响应速度快和适应环境强等优点；光开关技术作为一种分时测量技术实现了多个燃烧参数的同时测量并消除了多组分气体之间的相互干扰，分光器技术则实现了多维燃烧参数场的测量，简化了系统结构，节约了设备成本。附图说明图1为本专利技术第一实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。图2为本专利技术第一实施例中2np路激光形成p层n×n的光路网格的结构示意图。图3为本专利技术第二实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。图4为本专利技术第三实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。图5为本专利技术第四实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法的流程示意图。图6为本专利技术第五实施例的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量系统的模块结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。

【技术特征摘要】
1.一种炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，该炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法包括：激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数；所述m种第一激光的波段分别涵盖待测气体组分的分子吸收谱线范围；光开关将m种第一激光耦合成一路激光，并控制m种第一激光中每一种激光按预设时序交替输出；分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光，n和p都为正整数；2np路激光穿过燃烧气体，2np路激光形成p层n×n的光路网格，所述待测气体中的每一组分吸收与其对应的中心波长的第一激光；未被完全吸收的m种第一激光按时序穿过所述燃烧气体，每一种第一激光形成2np路第二激光；光电转换器按时序将m种2np路第二激光进行光电转换，每2np路第二激光形成2np个电信号；锁相放大器对按时序依次形成的电信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号；上位机对依次产生的m×2np个二次谐波信号进行处理，以获取多维燃烧气体温度和多组分浓度。2.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于：所述燃烧气体温度为所述待测气体组分的浓度为其中，A＝∫vAv(v)dv＝∫v-ln(It/I0)dv＝P·X·S(T)L＝αvL，A是光路上的积分吸光度；Av为吸光度；I0和It分别为入射光强和透射光强；P为混合气体总压；X为介质气体组分浓度；L为激光路在介质气体中的传输距离；S为吸收线强度；T为温度；αν为气体吸收系数；温度T时的谱线强度S(T)为：S(T0)为在参考温度T0时的谱线强度；E为低态能级值；h为Planck常数；k为Boltzmann常数；c为光速；v0为吸收谱线中心频率；Q(T)为温度T时的配分函数值，表示为Q(T)＝a+bT+cT2+dT3，不同吸收谱线强度的比值R为单光路的积分吸收率可表示为光路经过的所有网格对吸收的贡献之和为：i为射线编号；j为网格编号；Lj表示光路经过第j个网格的光程；J为网格总数；a为网格内积分吸收系数；k为迭代次数序号；Ai表示第i条射线的积分吸收率；β为松弛系数，Lij第i条射线穿过第j个网格的光程；网格内吸收谱线强度的比值Ri为：Ri＝av1,i/av2,i。3.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，所述激光器发射m种第一激光，其中，1≤m≤M，M为待测气体组分数之前，还包括：信号发生器输出控制信号给激光控制器，以使激光控制器控制激光器，信号发生器还发出参考信号给锁相放大器；所述锁相放大器对按时序依次形成的电信号和参考信号进行处理，按时序依次产生m×2np个二次谐波信号。4.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，所述分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的每一种激光都分为2np路激光之后，还包括：光纤准直器按时序分别将2np路激光中每一路激光都校正为一路平行激光。5.如权利要求1所述的炉内多维燃烧气体温度和多组分浓度测量方法，其特征在于，分光器将按预设时序交替输出的m种第一激光中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李源，杜学森，胡胜林，詹胜平，任利明，毛睿，
申请(专利权)人：润电能源科学技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41