基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置及检测方法与流程

1.本发明涉及燃煤分析研究技术领域，尤其是涉及基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置及检测方法。


背景技术：

2.煤炭一直以来都是我国经济和社会发展的重要一次能源，煤炭的高效和清洁利用对经济发展和生态环境的影响意义深远。煤炭资源在我国的能源中占据非常关键的位置，有效支撑国民经济的快速发展。电站锅炉的正常运行，是电站安全运行的基础，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。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，煤粉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粉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。
3.专利号cn105527255a公开了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，但是该种方法的取样管路依旧比较复杂，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，目前对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，燃尽度的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)的煤焦的燃尽度，无法检测靠近炉膛中心煤焦的燃尽度，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。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置及检测方法，本发明提出的基于光谱分析的煤粉锅炉燃尽度检测装置可以实现煤粉锅炉燃尽度的在线检测。根据煤焦在可见光波段(200nm
‑
1100nm)的辐射光谱，通过光谱分析计算得到煤焦颗粒表面温度和发射率，获取煤焦颗粒在热辐射波段的光谱发射率分布，在已知温度和发射率的情况下，计算出煤焦燃尽度，并建立煤粉炉中不同高度、不同燃尽度之间的关系。与现有技术相比本发明可以实现在线实时检测，得到实时燃烧速率和表观动力学参数。
5.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置，包括探测器和装有控制软件的笔记本电脑，光谱仪通过串行总线与笔记本电脑通讯，其特征在于，所述探测器分为前后两个腔体，前腔
体前端设有开孔，开孔处设有用于保护镜头的石英镜片，内部设置有支撑架，用于支撑前腔体内的铠装光纤，铠装光纤前端装有准直透镜，准直透镜前端对准开孔，尾端与后腔体内的光谱仪相连，较长的前腔体用于插入锅炉观火孔内。
6.进一步地，所述后腔体下端装有握柄，上端装有提把。
7.进一步地，所述探测器外壳材质为304不锈钢，可以耐受高温。
8.基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
9.s1：在安装好煤粉炉测量装置、使用串行总线连接笔记本电脑后，整个系统开始运行，将测量装置装有铠装光纤的前置腔前端插入观火孔，为防止观火孔喷出的高温气体或煤粉灼伤操作人员，可在观火孔处安装阻火板；
10.s2：炉膛内部光线通过光纤传到光谱仪采集电站煤粉炉燃烧状况的光谱图像，图像数据采集完成后，通过串行总线传输功能把图像信息传输至笔记本电脑，笔记本电脑上的程序通过算法进行数据处理；
11.s3：通过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ε＝f(t,burnout)，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；
12.s4：改变检测装置探头位置，重复上述步骤1、2、3，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。
13.进一步地，s2中所述的采集过程中，可调整合适的积分时间，以便保证光谱仪采集到的光谱图像数据非饱和，并且具有高的信噪比。
14.进一步地，所述s3中的光谱辐射强度表示为：
15.热辐射波段内煤焦颗粒的光谱发射率可以表示为：
16.其中，i
b
(λ
i
,t)为黑体辐射强度，i(λ
i
,t)为光谱辐射强度，单位为w/m
‑
3；ε(λ
i
)为煤焦颗粒的光谱发射率；c1为planck第一辐射常数，即1.1910
×
108w
·
μm4·
m
‑2·
sr
‑1，λ
i
为波长，单位为m；c2为planck第二辐射常数，即1.4388
×
10
‑2m
·
k。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明提出的基于光谱分析的煤粉锅炉燃尽度检测装置可以实现煤粉锅炉燃尽度的在线检测。根据煤焦在可见光波段(200nm
‑
1100nm)的辐射光谱，通过光谱分析计算得到煤焦颗粒表面温度和发射率，获取煤焦颗粒在热辐射波段的光谱发射率分布，在已知温度和发射率的情况下，计算出煤焦燃尽度，并建立煤粉炉中不同高度、不同燃尽度之间的关系。与现有技术相比本发明可以实现在线实时检测，得到实时燃烧速率和表观动力学参数。
附图说明
19.图1是基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置图。
20.图2是煤焦颗粒热辐射波段内光谱信号检测装置示意图。
21.图3是现场测量图。
22.其中，1
‑
准直透镜；2
‑
开孔；3
‑
支撑架；4
‑
铠装光纤；5
‑
前腔体；6
‑
后腔体；7
‑
提把；8
‑
光谱仪；9
‑
串行总线；10
‑
握柄；11
‑
笔记本电脑，12
‑
滴管炉；13
‑
升降台；14
‑
光纤；15
‑
阀门。
具体实施方式
23.下面结合附图1
‑
3对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
24.基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置及检测方法，其中基于光谱分析在线检测煤粉锅炉燃尽度的装置如图1，其主要由探测器和装有控制软件的笔记本电脑11组成。探测器分为前后两个腔体，外壳材质为304不锈钢，可以耐受高温。前腔体5前端设有开孔2，开孔2装有保护镜头的石英镜片，内部设置有支撑架3，用于支撑前腔体5内的铠装光纤4。铠装光纤4前端装有准直透镜1，可以保证进入铠装光纤4的是探头正视方向的平行光。准直透镜1前端对准开孔2，尾端与后腔体6内的光谱仪8相连。较长的前腔体5用于插入锅炉观火孔内，获得较好的视野并保持后腔体6内的光谱仪8远离高温。光谱仪8通过串行总线9与笔记本电脑11通讯，光谱响应范围为200
‑
1100nm，采集的光谱数据由笔记本电脑11记录并处理。此外，后腔体6下端装有握柄10，上端装有提把7，便于携带和检测。
25.在现场进行燃尽度检测时，用串行总线9将探测器与笔记本电脑11连接后，将探测器前腔体5插入锅炉观火孔，对准需要检测燃尽度的炉膛区域。通过笔记本电脑11控制探测器后腔体6内的光谱仪8，采集光谱数据并计算煤粉燃尽度。
26.基于光谱分析的煤粉燃尽度检测原理如下：
27.检测装置采集到的光谱信号主要由炉膛内煤焦热辐射产生的连续光谱和碱金属特征光谱组成，根据先剔除碱金属特征光谱后多项式拟合的光谱分离算法，得到煤焦热辐射产生的连续光谱。
28.根据热辐射定理，单颗粒煤焦的光谱辐射强度可表示为：
[0029][0030]
式(1)中，i
b
(λ
i
,t)为黑体辐射强度，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；c1为planck第一辐射常数，1.1910
×
108w
·
μm4·
m
‑2·
sr
‑1，λ
i
为波长，m；c2为planck第二辐射常数，1.4388
×
10
‑2m
·
k。
[0031]
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
[0032]
i
m
＝[i(λ1,t
m
),i(λ2,t
m
),l i(λ
i
,t
m
)],m＝1,2,l m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]
上式中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：
[0034][0035]
同理，归一化标准planck辐射强度矩阵为：
[0036][0037]
实际物体的辐射强度曲线与标准planck曲线的相似性定义为不同组空间点之间的距离，在不同温度下比较，并根据距离相似性计算，距离向量计算为：
[0038][0039]
等式(6)中t1,t2,l t
n
表示煤焦颗粒可能的温度范围，这n个元素表示窄带光谱窗口中测量光谱强度曲线与普朗克黑体辐射曲线在不同温度下的距离,对于任意元素n＝1,2,l,n使用mahalanobis距离来测量测量的光谱辐射强度与标准planck辐射强度之间的差异，有效地计算了两个样本之间的相似性,其中马氏距离d
m
(t
n
)为：
[0040][0041]
其中d
m
(t
n
)为表示t
n
温度下的马氏距离；cov表示协方差。曲线之间的相关距离越大，光谱仪测量的光谱辐射强度曲线与标准普朗克辐射强度曲线之间的相关性越弱。相反，较小的距离系数给出了更强的相关性。当光谱窗口中的距离和在最小化时，对应的温度等于当前光谱窗口中对应的测量温度：
[0042][0043]
将所有窄带光谱窗口中计算温度的平均值取至，得到最终煤焦颗粒的反演温度为：
[0044][0045]
则热辐射波段内煤焦颗粒的光谱发射率可以表示为：
[0046][0047]
此发明需要通过上述算法得到不同温度、不同燃尽度下煤焦颗粒的光谱发射率，通过在滴管炉上实验采集到所需的数据，实验将在图2所示的装置上展开，具体的实验步骤
如下：
[0048]
1.选用国内常用的五种动力烟煤：神东煤(不粘煤、长焰煤)、大同煤(弱粘煤)、准格尔煤(长焰煤)、铁法煤(长焰煤)、靖远煤(不粘煤)，利用管式炉制备不同燃尽度的煤焦颗粒，将制备好的煤焦筛分成单颗粒；
[0049]
2.利用滴管炉12生成高温环境，将炉子设定为n2气氛，设定炉温为1400k，利用铂铑细丝热电偶测量n2气氛下炉内反应段温度分布；
[0050]
3.利用注射器向单颗粒注入孔注入单颗粒煤焦，使用光纤光谱仪从滴管炉12的可视化窗口采集光谱数据；
[0051]
4.调整空气的比例，实现对温度的调控，每个工况下滴管炉12的可视化窗口位置的温度由铂铑细丝热电偶进行测量，用于验证光谱测温的准确性；
[0052]
5.测量得到不同温度、不同燃尽度下的光谱数据，利用上文所述的算法得到各个工况下的光谱发射率分布，建立煤焦颗粒200nm
‑
1100nm波段内光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型ε＝f(t,burnout)；
[0053]
重复不同的煤种实验，可以直接求解煤粉燃尽度。
[0054]
上述燃尽度测量方法在现场测量可包括以下步骤：
[0055]
s1：在安装好煤粉炉测量装置、使用串行总线9连接笔记本电脑11后，整个系统开始运行。将测量装置装有铠装光纤4的前置腔前端插入观火孔，为防止观火孔喷出的高温气体或煤粉灼伤操作人员，可在观火孔处安装阻火板。
[0056]
s2：炉膛内部光线通过光纤传到光谱仪8采集电站煤粉炉燃烧状况的光谱图像，采集过程中可调整合适的积分时间，以便保证光谱仪8采集到的光谱图像数据非饱和，并且具有高的信噪比，图像数据采集完成后，通过串行总线9传输功能把图像信息传输至笔记本电脑11，笔记本电脑11上的程序通过算法进行数据处理。
[0057]
s3：通过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，利用上述实验得到的光谱发射率与温度、燃尽度的函数模型ε＝f(t,burnout)，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。
[0058]
s4:改变检测装置探头位置，重复上述步骤1、2、3，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。
[0059]
根据本发明提出的检测装置跟方法可以实现炉膛内不同高度和区域燃尽度的在线检测，并按照不同工况建立不同高度对应的燃尽度分布图象，经过笔记本电脑11处理后可以进一步得到炉内燃尽度与高度的关系。图3所示为该测量装置现场测试图。
[0060]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。