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基于波长调制光谱的吸收率函数测量方法及应用

周佩丽  
【摘要】:工业过程气体参数在线监测是控制系统的重要环节。在众多过程气体监测方法中,可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术由于选择性好,灵敏度高、非接触式测量等优点在气体参数监测方面发展迅速。吸收率函数是TDLAS技术的核心参数,通过其可得到气体浓度、温度、压力、光谱常数等参数。本文针对目前TDLAS技术中具有高信噪比的波长调制光谱无法对吸收率函数进行有效测量的问题,基于波长调制理论从固定点波长调制和扫描波长调制提出四种基于波长调制光谱的吸收率函数测量方法,并将所研究的方法结合先进的预处理方式应用于工业过程气体参数监测和优化控制中。主要内容包括:1)提出基于固定点波长调制的吸收率函数两种测量方法。针对2f/1f免标法中背景信号较大,应用中需扣除背景信号而工业现场应用中难以对背景信号进行实时测量的问题,提出4f/1f方法。该方法以经过高频调制的吸收率函数为出发点对透射光强的谐波信号进行正向计算,采用背景信号小的四次谐波与一次谐波比值法实现气体参数测量,采用CO分子4297.705cm-1处谱线进行了实验验证。针对弱吸收条件下,当调制系数为某一固定值时,偶次谐波比值是常数及偶次谐波和一次谐波比值与光强线性调制系数的乘积是吸收率峰值的固定倍数两个特征,提出偶次谐波比值法。该方法首先计算出两个特征对应的调制系数、固定比值和固定倍数,然后以一、二、四次谐波为例采用CO分子4297.705cm-1处谱线进行了实验验证。2)提出基于扫描波长调制的偶次谐波复现吸收率函数方法。该方法在时域上对经过高频调制的激光透过率函数于谱线调制频率处进行泰勒级数展开,并对偶次谐波进行叠加运算以消除高阶项影响,进而得到吸收率函数,并采用CO2分子6976.203cm-1处谱线进行了仿真计算和实验验证,结果表明该方法测量精度随着所采用谐波阶次的增加而提高。3)提出基于波长调制-直接吸收(WM-DAS)的吸收率函数测量方法。与传统扫描波长调制法采用低频三角波或锯齿波和高频正弦波叠加实现波长扫描和调制不同,WM-DAS方法采用高频正弦信号对激光二极管实现波长扫描和调制,对经过吸收后的透射光强信号进行频谱分析,采用各次谐波对光强信号进行高信噪比重构,然后基于正弦扫描和调制机理建立波长与光强之间的关系,最后对重构后的透射光强进行同步拟合,进而得到吸收率函数。本研究中分别从时域和频域两个角度对透射光强信号进行了重构和拟合,并采用CO分子4297.705cm-1处谱线进了实验验证。4)将所提出的吸收率函数测量方法应用到火电机组监测与控制中。针对烟气CO浓度的在线监测,将4f/1f方法结合稀释取样预处理方式实现了火电机组烟气中CO浓度混合式在线监测。该装置在某燃煤电厂进行了安装并实现了稳定运行,运行期间采用便携式分析仪与TDLAS监测结果进行了对比,二者测量趋势一致,误差小于1ppm。针对氨氮浓度的监测,将WM-DAS方法结合原位取样预处理方式实现了火电机组中气态氨浓度监测,并将其应用于脱硝优化均衡控制中。该装置在燃气电厂和燃煤电厂均实现了稳定运行,并采用物料衡算的方式对燃气机组的测量结果进行了验证。将该测量方法应用于脱硝优化均衡控制中,降低了脱硝后NOx分布不均匀度和氨逃逸量。本文将先进的测量方法和先进的预处理方式结合,实现了工业过程气体参数高精度在线监测,解决了目前波长调制光谱无法实现吸收率函数的有效测量和现有预处理方式测量失真、系统复杂、维护量大的问题,预期可为更多工业过程控制系统提供更精确的反馈监测参数。


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