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炉膛三维温度场声学测量及其在燃烧优化中的应用研究

王然  
【摘要】:大型电站锅炉炉内温度场的分布直接反映了炉内的燃烧状况,准确掌握炉膛温度场分布情况能够为燃烧优化控制提供依据,通过对炉内的燃烧状况进行实时监测,可以指导运行人员以相应的手段进行燃烧优化。但是,由于炉内高温、多尘、腐蚀的恶劣环境,现有的测温技术难以对其温度分布尤其是三维温度分布进行直接的测量。因此,准确测量炉内三维温度场的分布对于研究炉内的燃烧过程以及优化燃烧具有重要的意义。本文从声学理论出发,提出了炉膛三维温度场声学测量方法,并且对其在锅炉燃烧优化中的应用进行了研究。本文基于声学理论建立了声学法三维温度场重建的数学模型。提出了多种求解重建模型的重建算法,通过仿真模拟从重建算法的重建精度、重建速度、抗噪声能力以及求解严重不适定问题的能力等角度评价了重建算法的优劣性。仿真结果表明,各种重建算法均能求解三维温度场重建模型,LSQR算法是综合能力最优的重建算法。研究了声学测点数目与布置方式对温度场重建的影响,对声学测点布置方式进行了优化设计,提出了一种声学测温系统最优化布置方式。采用仿真模拟的方法,分析了声学测点数目、布置方式、声波路径数目等因素对重建速度、重建精度的影响,归纳了声学测温系统设计的基本原则。研究表明,声学测点过多或过少都不利于温度场重建,系统设计时在基本原则的基础上必须综合考虑重建精度、重建速度、安装成本、安全性等因素。设计了三维温度场声学测量实验系统,在实验室条件下分别进行了冷态实验、热态实验,测量室温均匀温度场、燃烧产生热点的温度场的分布情况。实验结果表明,三维温度场声学测量方法可以准确描绘温度场分布情况,对于存在热点的温度场能够重建出热点的位置和温度,得到的温度梯度可以正确反映出温度场的变化趋势,测量方法具有一定准确性和可靠性。为了确保声波飞渡时间测量的准确性,研究了时延估计算法,研究表明,PHAT加权的互相关算法能够有效去除室内混响效应,得到准确的时延估计。以声学测温技术为基础建立了三维温度场信息与锅炉运行参数之间的燃烧优化模型,研究了基于该模型的燃烧优化控制策略,应用Fluent软件对锅炉炉内煤粉的燃烧过程进行了数值模拟。仿真结果表明,燃烧优化模型可以正确地预测锅炉运行参数的改变对炉膛温度场分布情况的影响,模拟退火算法可以作为燃烧优化的控制策略,该控制策略具有可行性,可以解决温度场中心偏斜问题。


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