CN107941667A - 高温环境气固两相流多参数测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温环境气固两相流多参数测量装置和方法，包括用于采集辐射光信号的测量探针部(1)、用于分析所述辐射光信号的光谱特征的光谱探测部(2)和用于将所述光谱特征处理为相应参数的信号处理部(4)，在所述测量探针部(1)和所述光谱探测部(2)之间设置有用于将所述辐射光信号分为多束辐射光信号的分光透镜(23)，所述光谱探测部(2)包括多个光谱分析单元，以使各所述光谱分析单元一一对应地接收并分析各束所述辐射光信号的光谱特征。利用该高温环境气固两相流多参数测量装置和方法仅通过采集锅炉炉膛及高温烟道内辐射光信号就能够进行多参数的测量。

Description

高温环境气固两相流多参数测量装置和方法
技术领域
本发明涉及热工测控技术领域，具体地涉及高温环境气固两相流多参数测量装置和方法。
背景技术
锅炉炉膛及高温烟道内颗粒温度、热辐射强度、颗粒浓度、烟气温度、三原子气体浓度等参数直接影响炉内辐射与对流换热，是锅炉热力计算的重要依据，是锅炉运行优化的重要参数。
锅炉炉膛及高温烟道内动力场的复杂性及高温两相流恶劣环境给测量带来困难，目前，各参数只能通过不同方法和装置进行单独采集，例如，锅炉炉膛及高温烟道颗粒浓度、三原子气体浓度主要依靠取样分析测量，颗粒温度依靠热电偶等接触式测温法，而热辐射强度则只能采用复杂的热辐射计测量，尚缺少能够同时测量上述各参数的测量装置和方法，尚无法为锅炉的设计、运行优化调整提供直接上述参数的数据支撑。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的目前尚缺少能够同时测量锅炉炉膛及高温烟道内各参数的装置和方法的问题，提供高温环境气固两相流多参数测量装置和方法，以实现仅通过采集锅炉炉膛及高温烟道内辐射光信号就能够进行多参数的测量。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种高温环境气固两相流多参数测量装置，包括用于采集辐射光信号的测量探针部、用于将所述辐射光信号处理为光谱信号的光谱探测部和用于根据预先建立的拟合目标模型将所述光谱信号处理为高温环境气固两相流参数的信号处理部，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数、颗粒辐射强度参数和颗粒浓度参数和三原子气体浓度参数。
优选地，在所述测量探针部和所述光谱探测部之间设置有用于将所述辐射光信号分为多束辐射光信号束的分光透镜，
所述光谱探测部包括多个光谱分析单元，以使各所述光谱分析单元一一对应地接收并处理各所述辐射光信号束，并将各所述辐射光信号束处理为多个不同波段的光谱信号。
优选地，所述光谱分析单元有两个且分别为可见波段光谱分析单元和近红外波段光谱分析单元。
优选地，所述光谱分析单元包括通过光纤连接的第二准直器和光谱分析元件，所述第二准直器用于接收所述分光透镜传递出的辐射光信号，所述光谱分析元件与信号处理部连接。
优选地，所述高温环境气固两相流多参数测量装置还包括第一准直器，所述测量探针部与所述第一准直器连接，以将辐射光信号输送给所述分光透镜。
本发明的另一个方面提供一种高温环境气固两相流多参数测量方法，所述测量方法包括：
采集高温目标区域的辐射光信号；
将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号；
根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，得到所述高温环境气固两相流参数，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数和颗粒辐射强度参数。
优选地，在所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型之前，所述测量方法还包括：
基于普朗克定律建立辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式；
根据所述辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式及最小二乘法，建立所述拟合目标模型f(ε′)，如公式一所示：
在公式一中，Eλ为颗粒辐射强度参数；ε为辐射率，且ε′＝1/ε；C1和C2均为辐射常量；λ为所述可见波段光谱信号的波长；T为颗粒温度参数；yi是可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值；k为常数。
优选地，所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，包括：
根据所述可见波段光谱信号，获取该可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值yi；
对所述拟合目标模型f(ε′)进行迭代计算，并在f(ε′)取最小值时，带入所述可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际辐射强度值yi’，计算得到颗粒辐射率参数和颗粒温度参数；
并将所述颗粒辐射率参数和颗粒温度参数代入辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式，计算得到颗粒辐射强度参数。
优选地，所述测量方法还包括：
根据预先获取的辐射率与颗粒浓度的正比比例系数及所述颗粒辐射率参数，确定所述高温环境气固两相流参数中的颗粒浓度参数。
优选地，所述测量方法还包括：
在将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号时，一并将所述辐射光信号转化为近红外波段光谱信号；
相对应的，根据所述近红外波段光谱信号，得到所述高温环境气固两相流参数中的三原子气体浓度参数。
该高温环境气固两相流多参数测量装置和方法仅通过采集锅炉炉膛及高温烟道内辐射光信号就能够进行多参数的测量。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所述的高温环境气固两相流多参数测量装置的一种实施方式的示意图；
图2为本发明所述的测量探针部的一种实施方式的示意图；
图3为本发明所述的高温环境气固两相流多参数测量方法的一种实施方式的流程图。
附图标记说明
1-测量探针部 100-支撑件
101-第一管体 102-第二管体
103-核心探头 104-光纤
105-安装座 106-压帽
107-液体出口 108-进水接头
109-安装法兰 110-光纤密封件
111-支撑结构 112-电缆
113-热电偶 114-热电偶密封件
2-光谱探测部 201-第二准直器
203-可见波段光谱分析元件 204-光纤
205-第二准直器 206-近红外波段光谱分析元件
207-光纤 21-可见波段光谱分析单元
22-近红外波段光谱分析单元 23-分光透镜
24-辐射光信号 25-第一辐射光信号束
26-第二辐射光信号束 3-高温目标区域
31-固体颗粒 32-辐射光信号
4-信号处理部 41-电缆
42-电缆
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
参照图1-2所示，本发明的一个方面提供一种高温环境气固两相流多参数测量装置，包括用于采集辐射光信号32的测量探针部1、用于所述辐射光信号24处理为光谱信号的光谱探测部2和用于根据预先建立的拟合目标模型将所述光谱信号处理为高温环境气固两相流参数的信号处理部4，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数和颗粒辐射强度参数。
通过该高温环境气固两相流多参数测量装置能够实现采集锅炉炉膛及高温烟道中颗粒辐射光谱信号，并通过对该辐射光谱信号的处理实现至少对颗粒辐射率参数、颗粒温度参数和颗粒辐射强度参数等多参数同时在线测量，能够为锅炉的设计、运行优化调整提供直接上述参数的数据支撑。
优选地，在所述测量探针部1和所述光谱探测部2之间设置有用于将所述辐射光信号24分为多束辐射光信号束的分光透镜23，所述光谱探测部2包括多个光谱分析单元，以使各所述光谱分析单元一一对应地接收并处理各所述辐射光信号束，并将各所述辐射光信号束处理为多个不同波段的光谱信号。
由于可见波段辐射光信号为固体颗粒31辐射的结果，而近红外波段辐射光信号为固体颗粒31辐射、气体辐射与吸收的结果，因此，为通过辐射光信号测量多个不同参数，优选地，所述光谱分析单元有两个且分别为通过电缆41和电缆42与信号处理部连接的可见波段光谱分析单元21和近红外波段光谱分析单元22。相应地，分光透镜23将辐射光信号分为第一辐射光信号束25和第二辐射光信号束26，两束辐射光信号束分别进入可见波段光谱分析单元21和近红外波段光谱分析单元22进行处理，相应获得可见波段光谱信号和近红外波段光谱信号，信号处理部4根据预先建立的拟合目标模型将可见波段光谱信号和近红外波段光谱信号处理为高温环境气固两相流参数。
为使得从分光透镜23传递出的辐射光信号能够聚拢且平行，优选地，所述光谱分析单元包括通过光纤连接的第二准直器和光谱分析元件，所述第二准直器用于接收所述分光透镜23传递出的辐射光信号束，所述光谱分析元件与信号处理部4连接。第二准直器可以有两个，分别为通过光纤204连接可见波段光谱分析元件203的第二准直器201和通过光纤207连接近红外波段光谱分析元件206的第二准直器205。
同样的，为了使测量探针部1采集的辐射光信号送入分光透镜23之前能够聚拢且平行，优选地，所述高温环境气固两相流多参数测量装置还包括第一准直器16，所述测量探针部1与所述第一准直器16连接，以将辐射光信号输送给所述分光透镜23。
为使所述高温环境气固两相流多参数测量装置的测量功能达到理想的效果，所述测量探针部1至少包括如下优选结构，如图2所示，所述测量探针部1包括支撑件、连接有光纤104的核心探头103和连接有电缆112的热电偶113，所述支撑件一端设有安装位，所述核心探头103和所述热电偶113安装在所述安装位上，以使所述核心探头103和所述热电偶113能够分别采集高温目标区域3的辐射光信号和温度。核心探头103利用凹透镜汇聚固体颗粒31辐射光信号并耦合进光纤中，在进入光谱探测部2中。热电偶113则测量锅炉炉膛及高温烟道内高温目标区域3的温度。信号处理部4通过电缆112与热电偶113连接获得热电偶113测量的温度读数，该温度读数在经热辐射修正后得到准确的烟气温度。
为使热电偶113在采集高温区域温度时能够更接近该区域，而核心探头103可在距离该高温区域一定距离且温度较低的位置采集辐射光信号，优选地，所述核心探头103一端端面为采集端面，所述热电偶113向所述采集端面所面向的方向伸出。由此，可增加热电偶113采集数据的准确性，同时，降低高温对核心探头103的影响。
为使核心探头103充分采集辐射光信号，避免热电偶113对辐射光的遮挡，优选地，所述热电偶113为对辐射光信号的遮挡最小化的杆状。
为减小高温对核心探头103、光纤104和电缆112的影响，优选地，所述支撑件为第一管体101，所述安装位为安装在所述第一管体101一端内部的安装座105，用于连接所述核心探头103的光纤104和用于连接所述热电偶113的电缆112设置在所述第一管体101内，在安装座105面向热电偶113的端面上安装有压帽106，通过该压帽106将安装座105固定在第一管体101内，避免测量时安装座105从第一管体101内掉出。通过第一管体101设置在光纤104和电缆112外部，避免高温直接作用在光纤104和电缆112上，使二者与外部高温隔离，通过安装座105则使核心探头103、热电偶113、光纤104和电缆112能够稳定的固定在第一管体101上。
为使核心探头103和热电偶113之间分离，避免二者相互影响，进一步优选地，所述安装座105为环形件，所述核心探头103安装在所述环形件的内孔中且与所述环形件同轴线，所述热电偶113在所述内孔外侧贯穿所述安装座105。通过将安装座105设计成环形件，使其外壁与第一管体101之间能够贴合，使安装在103能够稳定的固定在第一管体101中，并通过核心探头103以及热电偶113不同的安装位置使二者隔离，避免相互影响。
为进一步减小高温对核心探头103、光纤104和电缆112的影响，进一步优选地，所述高温传热参数测量探针还包括用于向所述第一管体101内送入冷却液体的第二管体102，在所述第一管体101上设置有液体出口107。在第二管体102上设置有供冷却液进入的进水接头108。通过第二管体102送入冷却液，并将换热后的冷却液从液体出口107送出，使核心探头103、光纤104和电缆112得到有效冷却降温。使用时，安装座105、核心探头103、热电偶113和第一管体101相互之间密封，避免冷却液漏出。
为使核心探头103得到有效冷却，进一步优选地，所述第二管体102位于所述第一管体101内部的一端延伸至靠近所述核心探头103的位置处。
通过第二管体102将冷却液直接送至核心探头103处，使核心探头103由于直接接收到温度较低的冷却液而获得有效的降温效果。
为使第一管体101内部空间得到有效降温，进一步优选地，所述第一管体101和所述第二管体102同轴线，且在二者之间设置有支撑结构111。通过支撑结构111将第一管体101内壁与第二管体102外壁分离，使二者之间可供冷却液流入进行降温，避免第一管体101与第二管体102贴合，致使贴合处由于无法降温而温度过高，进而避免高温对光纤104、电缆113和核心探头103产生的影响。其中，热电偶113与安装座105之间通过热电偶密封件114密封。
为使光纤104得到有效降温，并使高温传热参数测量探针内部结构更加紧凑，进一步优选地，所述光纤104布置在所述第二管体102内并与所述第二管体102伸出所述第一管体101的一端之间通过光纤密封件110密封。光纤104布置在第二管体102内，使光纤104与进入第二管体102内的冷却液首先作用进行换热，保证了对光纤104的有效降温，并使高温传热参数测量探针内部结构更加紧凑。
为便于高温传热参数测量探针与外部安装位连接，进一步优选地，所述第一管体101外部设置有用于外部连接的安装法兰109。
本发明的另一个方面提供一种高温环境气固两相流多参数测量方法，所述测量方法包括：
采集高温目标区域的辐射光信号；
将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号；
根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，得到所述高温环境气固两相流参数，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数、颗粒辐射强度参数和颗粒浓度参数。
当采用高温环境气固两相流多参数测量装置进行测量时，在所述采集高温目标区域的辐射光信号之前至少包括：
将测量探针部1安装在电动机构上，并将测量探针部1的进水管接头108与冷却水管连接，测量探针部1通过光纤与光谱探测部2连接；
将冷却水通入测量探针部1内，启动电动机构将测量探针部1送入高温目标区域。
在所述将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号之前至少包括：启动光谱探测部2，获得测量探针部1采集到的高温目标区域的辐射光信号。
所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，得到所述高温环境气固两相流参数，则在所述信号处理部4中进行。
优选地，在所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型之前，所述测量方法还包括：
基于普朗克定律建立辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式，
由于可见波段为固体颗粒31辐射的结果，可认为可见光波段光谱特征就表现为锅炉炉膛及高温烟道中固体颗粒31的辐射光谱。
根据普朗克定律，辐射波长(nm)与辐射强度(W/m2)的关系式为：
将固体颗粒31辐射视为灰体辐射，将实验得到的光谱数据经标定后，利用参数拟合法结合关系式(1)，设定拟合目标函数：
式(1)与式(2)中，其中，Eλ为颗粒辐射强度参数，ε为颗粒辐射率参数，且ε′＝1/ε，C1和C2为辐射常量，λ为所述可见波段光谱信号的波长，T为颗粒温度参数，yi是可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值，k为常数。
进一步优选地，所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，包括：
根据所述可见波段光谱信号，获取该可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值yi，根据所述的光谱分析单元对光谱信号波段的响应特性，对所述的实际测量辐射强度值yi进行标定分析得到实际辐射强度值yi’；
对所述拟合目标模型f(ε′)进行迭代计算，并在f(ε′)取最小值时，带入所述可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际辐射强度值yi’，计算得到颗粒辐射率参数ε和颗粒温度参数T；
并将所述颗粒辐射率参数ε和颗粒温度参数T代入辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式，计算得到颗粒辐射强度参数Eλ。
由于锅炉炉膛及高温烟道内的固体颗粒31的颗粒辐射率参数主要受颗粒浓度的影响，可认为辐射率与颗粒浓度成正比关系，即：
ε∝Cp (3)
因此，优选地，所述测量方法还包括：
根据预先获取的辐射率与颗粒浓度的正比比例系数及所述颗粒辐射率参数，确定所述高温环境气固两相流参数中的颗粒浓度参数Cp。
进一步优选地，所述测量方法还包括：
在将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号时，一并将所述辐射光信号转化为近红外波段光谱信号；
相对应的，根据所述近红外波段光谱信号，得到所述高温环境气固两相流参数中的三原子气体浓度参数，
具体地，在近红外波段光谱中，1.4μm附近的光谱特征主要表现为H2O分子吸收，可近似认为辐射光谱强度衰减符合如下关系：
其中，It为1.4μm附近实测强度最低值，I0为通过光谱拟合得到的初始强度，CH2O为烟气中H2O分子浓度。该比例系数可以通过实验标定获得。
相应的，选取CO2对应的特定吸收谱线，又可得到烟气中CO2分子浓度。
当采用高温环境气固两相流多参数测量装置进行测量时，其中，在将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号时，一并将所述辐射光信号转化为近红外波段光谱信号，是通过分光透镜23将测量探针部1采集到的辐射光信号分成辐射光信号束25和辐射光信号束26，然后通过可见波段光谱分析单元21和近红外波段光谱分析单元22将两个辐射光信号束分别处理为可见波段光谱信号和近红外波段光谱信号实现的。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.高温环境气固两相流多参数测量装置，其特征在于，包括用于采集辐射光信号的测量探针部(1)、用于将所述辐射光信号处理为光谱信号的光谱探测部(2)和用于根据预先建立的拟合目标模型将所述光谱信号处理为高温环境气固两相流参数的信号处理部(4)，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数、颗粒辐射强度参数、颗粒浓度参数和三原子气体浓度参数。
2.根据权利要求1所述高温环境气固两相流多参数测量装置，其特征在于，在所述测量探针部(1)和所述光谱探测部(2)之间设置有用于将所述辐射光信号分为多束辐射光信号束的分光透镜(23)，
所述光谱探测部(2)包括多个光谱分析单元，以使各所述光谱分析单元一一对应地接收并处理各所述辐射光信号束，并将各所述辐射光信号束处理为多个不同波段的光谱信号。
3.根据权利要求2所述高温环境气固两相流多参数测量装置，其特征在于，所述光谱分析单元有两个且分别为可见波段光谱分析单元(21)和近红外波段光谱分析单元(22)。
4.根据权利要求2所述高温环境气固两相流多参数测量装置，其特征在于，所述光谱分析单元包括通过光纤连接的第二准直器和光谱分析元件，所述第二准直器用于接收所述分光透镜(23)传递出的辐射光信号束，所述光谱分析元件与信号处理部(4)连接。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述高温环境气固两相流多参数测量装置，其特征在于，所述高温环境气固两相流多参数测量装置还包括第一准直器(16)，所述测量探针部(1)与所述第一准直器(16)连接，以将辐射光信号输送给所述分光透镜(23)。
6.高温环境气固两相流多参数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
采集高温目标区域的辐射光信号；
将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号；
根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，得到所述高温环境气固两相流参数，其中，所述高温环境气固两相流参数中至少包括颗粒辐射率参数、颗粒温度参数、颗粒辐射强度参数和颗粒浓度参数。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，在所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型之前，所述测量方法还包括：
基于普朗克定律建立辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式；
根据所述辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式及参数拟合法，建立所述拟合目标模型f(ε′)，如公式一所示：
在公式一中，Eλ为颗粒辐射强度参数；ε为颗粒辐射率参数，且ε′＝1/ε；C1和C2均为辐射常量；λ为所述可见波段光谱信号的波长；T为颗粒温度参数；yi是可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值；k为常数。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述可见波段光谱信号求解预先建立的拟合目标模型，包括：
根据所述可见波段光谱信号，获取该可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际测量辐射强度值yi，根据所述的光谱分析单元对光谱信号波段的响应特性，对所述的实际测量辐射强度值yi进行标定分析得到实际辐射强度值yi’；
对所述拟合目标模型f(ε′)进行迭代计算，并在f(ε′)取最小值时，带入所述可见波段光谱信号的波长λ及可见波段光谱信号的实际辐射强度值yi’，计算得到颗粒辐射率参数和颗粒温度参数；
并将所述颗粒辐射率参数和颗粒温度参数代入辐射波长λ与辐射强度Eλ的关系等式，计算得到颗粒辐射强度参数。
9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：
根据预先获取的辐射率与颗粒浓度的正比比例系数及所述颗粒辐射率参数，确定所述高温环境气固两相流参数中的颗粒浓度参数。
10.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：
在将所述辐射光信号转化为可见波段光谱信号时，一并将所述辐射光信号转化为近红外波段光谱信号；
相对应的，根据所述近红外波段光谱信号，得到所述高温环境气固两相流参数中的三原子气体浓度参数。
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