一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置及方法，该装置包括探测装置和装有控制软件的计算机；探测装置包括前、后两个腔体，在前腔体远离后腔体的侧面上设有开孔，在前腔体内设有沿其长度方向延伸的铠装光纤，铠装光纤远离后腔体的一端与开孔对应的位置设有准直透镜，铠装光纤的另一端与后腔体内的光谱仪相连，光谱仪与计算机间通过串行总线连接通讯。本申请公开的装置的结构简单，可与计算机配合原位检测靠近炉膛中心的煤焦的燃尽度，获得实时燃烧速率和表观动力学参数。获得实时燃烧速率和表观动力学参数。获得实时燃烧速率和表观动力学参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置及方法


[0001]本专利技术属于燃煤分析研究
，具体涉及一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置及方法。

技术介绍

[0002]煤炭一直以来都是支持我国经济和社会发展的重要一次性能源，煤炭的高效和清洁利用对经济和生态的可持续发展具有深远意义。煤炭资源在我国的总能源中占据非常关键的位置，起到有效支撑国民经济的快速发展的作用。电站锅炉的正常运行，是电站安全运行的基础，煤炭的燃烧状态关乎锅炉的运行，因此快速、及时和准确的判断出电站锅炉炉膛内的燃烧状态是极为重要的。
[0003]对于燃煤发电机组，煤焦发热值可占到煤总发热值的95％，煤焦燃尽时间约占全部燃烧所需时间的90％以上，因此煤的燃烧效率和燃尽时间主要由煤焦决定，炉内煤焦的燃尽度很大程度上决定了煤粉的利用程度，煤焦的燃尽度是衡量煤粉利用程度的一个重要指标，这就要求在实际燃烧过程中煤焦要在较短的时间内尽可能完全燃烧。根据炉内不同高度的燃尽度检测结果，可以更好地组织炉内煤焦的燃烧，提高煤粉燃烧效率，减少煤炭的使用量，降低CO2减排压力。
[0004]目前调查煤粉炉燃尽度的研究方法主要为沿程取样法，该方法根据不同高度采集的煤焦的组分变化计算对应的燃尽度，中国专利CN 105527255 A公开一种入炉煤煤质特性在线监测系统，包括取样单元、等离子体光谱分析单元、储样单元、三通式颗粒流测量单元和样品回送单元，该系统可对煤质特性进行有效分析，但是该种方法的取样管路比较复杂，在实验中存在诸多不便，并且缺少对锅炉燃尽度的检测与分析，无法实现在线实时检测，也无法得到实时燃烧速率和表观动力学参数。
[0005]常用的燃尽度计算方法主要为灰示踪法，该方法假设煤样中灰分在燃烧前后保持不变，根据燃烧前后灰分质量分数的变化计算煤中可燃物的析出比例，即燃尽度。这种检测方法只能采集靠近采样点(观火孔)附近的煤焦的燃尽度，无法检测靠近炉膛中心的煤焦的燃尽度，检测结果无法代表检测高度处燃尽度的整体水平，且无法实时原位检测，获得实时燃烧速率和表观动力学参数。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置及方法，装置结构简单，可与计算机配合原位检测靠近炉膛中心的煤焦的燃尽度，获得实时燃烧速率和表观动力学参数。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置，包括探测装置和装有控制软件的计算机；探测装置包括前、后两个腔体，前腔体远离后腔体的侧面上设有开孔，在前腔体内设有沿其长度方向延伸的铠装光纤，铠装光纤远离后腔体的一端与开孔对应的位置设有准直透镜，铠装光纤的另一端与后腔体内的光谱仪相连，光谱仪
与计算机间通过串行总线连接通讯。
[0008]进一步地，开孔处装有石英镜片。
[0009]进一步地，铠装光纤通过支撑架固定在前腔体内，前腔体和后腔体的腔体外壳材质为304不锈钢；在后腔体下端设有握柄、上端装有提把。
[0010]利用上述基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置测量煤粉锅炉燃尽度的方法，主要包括如下步骤：
[0011]S1：装配探测装置、使用串行总线连接计算机，将探测装置的前腔体插入观火孔；
[0012]S2：炉膛内部光线通过铠装光纤传到光谱仪，光谱仪采集电站煤粉炉燃烧状况的光谱图像，采集过程中调整合适的积分时间，图像数据采集完成后，图像信息传输至计算机，计算机上的程序通过算法进行数据处理；
[0013]S3：利用采集到的煤粉炉各层的光谱分布图，根据光谱辐射强度计算出炉膛横截面的温度和发射率分布图像，通过光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型计算得到煤焦颗粒在不同温度、不同光谱发射率情况下的煤粉燃尽度；
[0014]S4:改变探测装置的探头位置，重复上述步骤S1、S2、S3，得到不同工况下煤粉炉的温度以及发射率分布图，计算出煤粉燃尽度。
[0015]进一步地，步骤S3中提及函数模型是在如下步骤的基础上建立的：
[0016]1)根据热辐射定理，获取单颗粒煤焦的光谱辐射强度的表达式；
[0017]2)利用光谱仪采集煤焦颗粒200
‑
1100nm波段范围内的辐射光谱；
[0018]3)将光谱响应带划分多个窄谱带，得到每个窄谱带中的光谱辐射强度并进行归一化处理；
[0019]4)根据划分的可见光窄谱带，得到每个窄谱带中的黑体辐射强度并进行归一化处理；
[0020]5)归一化后的测量光谱辐射强度与归一化的相同温度下黑体辐射强度具有相似的分布特性，在不同温度下比较，并根据最小二乘法计算实际物体的光谱辐射强度和Planck黑体辐射强度之间的差异，较小的系数给出了更强的相关性；获取窄带光谱窗口中光谱强度曲线与普朗克黑体辐射曲线在不同温度下的最小距离，此时对应的温度即为当前光谱窗口中对应的测量温度；
[0021]6)将处理后的光谱辐射强度和黑体辐射强度相除，得到热辐射波段内的光谱发射率；
[0022]7)根据沿程取样法得到煤粉的燃尽度，根据已经得到的温度、发射率以及燃尽度，建立三者之间的关系，获得光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型
[0023]进一步地，步骤1)中，根据热辐射定理，获取单颗粒煤焦的光谱辐射强度表示为：
[0024][0025]式(1)中，I
b
(λ
i
，T)为黑体辐射强度，W/m
‑3；I(λ
i
，T)为光谱辐射强度，W/m
‑3；ε(λ
i
)为煤焦颗粒的光谱发射率；T为煤焦颗粒的温度，℃；C1为Planck第一辐射常数，1.1910
×
108W
·
μm4·
m
‑2·
sr
‑1；λ
i
为波长，m；n为波长数目；C2为Planck第二辐射常数，1.4388
×
10
‑
2
m
·
K。
[0026]进一步地，步骤3)中，将光谱响应带划分为M个窄带光谱窗口，每个窄谱带内有i个波长，对于第m个窄谱有
[0027]I
m
＝[I(λ1，T
m
)，I(λ2，T
m
)，
…
I(λ
i
，T
m
)]，m＝1，2，
…
M
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]式(2)中，I
m
为第m个窄谱带内的光谱辐射强度，W/m3，将窄谱带内的光谱辐射强度作归一化处理为：
[0029][0030]式(3)中，I
′
(λ
i
，T
m
)为窄谱带区间内归一化后的光谱辐射强度分布；
[0031]步骤4)中，标准Planck黑体辐射强度矩阵I
′
b
(λ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置，其特征在于，包括探测装置和装有控制软件的计算机；探测装置包括前、后两个腔体，在前腔体远离后腔体的侧面上设有开孔，在前腔体内设有沿其长度方向延伸的铠装光纤，铠装光纤远离后腔体的一端与开孔对应的位置设有准直透镜，铠装光纤的另一端与后腔体内的光谱仪相连，光谱仪与计算机间通过串行总线连接通讯。2.一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置，其特征在于，开孔处装有石英镜片。3.一种基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置，其特征在于，铠装光纤通过支撑架固定在前腔体内，前腔体和后腔体的腔体外壳材质为304不锈钢；在后腔体下端设有握柄、上端装有提把。4.一种利用权利要求1
‑
3中任一项所述的基于光谱分析在线测量煤粉锅炉燃尽度的装置测量煤粉锅炉燃尽度的方法，其特征在于，主要包括如下步骤：S1：装配探测装置、使用串行总线连接计算机，将探测装置的前腔体插入观火孔；S2：炉膛内部光线通过铠装光纤传到光谱仪，光谱仪采集电站煤粉炉燃烧状况的光谱图像，采集过程中调整合适的积分时间，图像数据采集完成后，图像信息传输至计算机，计算机上的程序通过算法进行数据处理；S3：利用采集到的煤粉炉各层的光谱分布图，根据光谱辐射强度计算出炉膛横截面的温度和发射率分布图像，通过光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型计算得到煤焦颗粒在不同温度、不同光谱发射率情况下的煤粉燃尽度；S4:改变探测装置的探头位置，重复上述步骤S1、S2、S3，得到不同工况下煤粉炉的温度以及发射率分布图，计算出煤粉燃尽度。5.如权利要求4所述的测量煤粉锅炉燃尽度的方法，其特征在于，步骤S3中提及函数模型是在如下步骤的基础上建立的：1)根据热辐射定理，获取单颗粒煤焦的光谱辐射强度的表达式；2)利用光谱仪采集煤焦颗粒200
‑
1100nm波段范围内的辐射光谱；3)将光谱响应带划分多个窄谱带，得到每个窄谱带中的光谱辐射强度并进行归一化处理；4)根据划分的可见光窄谱带，得到每个窄谱带中的黑体辐射强度并进行归一化处理；5)归一化后的测量光谱辐射强度与归一化的相同温度下黑体辐射强度具有相似的分布特性，在不同温度下比较，并根据最小二乘法计算实际物体的光谱辐射强度和Planck黑体辐射强度之间的差异，较小的系数给出了更强的相关性；获取窄带光谱窗口中光谱强度曲线与普朗克黑体辐射曲线在不同温度下的最小距离，此时对应的温度即为当前光谱窗口中对应的测量温度；6)将处理后的光谱辐射强度和黑体辐射强度相除，得到热辐射波段内的光谱发射率；7)根据沿程取样法得到煤粉的燃尽度，根据已经得到的温度、发射率以及燃尽度，建立三者之间的关系，获得光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型6.如权利要求5所述的测量煤粉锅炉燃尽度的方法，其特征在于，步骤1)中，根据热辐
射定理，获取单颗粒煤焦的光谱辐射强度表示为：式(1)中，I
b
(λ
i
，T)为黑体辐射强度，W/m
‑3；I(λ
i
，T)为光谱辐射强度，W/m
‑3；ε(λ
i
)为煤焦颗粒的光谱发射率；T为煤焦颗粒的温度，℃；C1为Planck第一辐射常数，1.1910
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫伟杰，弓慧芳，李框宇，胡智超，邢小玉，周怀春，陈玉民，
申请(专利权)人：江苏汉光智能科技有限公司江苏神火环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：