CN110823833A - 一种烟气中co浓度混合取样式在线监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置及方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该装置针对烟气中CO分布不均匀的特点，将省煤器出口烟道分为多个区域，各区域中心位置安装稀释取样探头，混合后的烟气进入赫里奥特池后结合波长调制光谱四次谐波与一次谐波比值法实现高精度免标定在线监测。该装置及方法关键在于对多个区域CO浓度平均值进行监测，其结果更具代表性；采用稀释方式取样由于降低了烟气露点无需做除水处理；采用赫里奥特池长光程进行测量提高了检测精度；采用四次谐波与一次谐波测量方法根据浓度与比值曲线进行免标定测量。该测量装置及方法解决了目前烟气CO测量中取样过程复杂、维护量大、单点测量代表性差等问题。

Description

一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种烟气中CO浓度在线测量装置及方法，特别涉及基于波长调制光谱技术结合稀释取样和赫里奥特池长光程方式的烟气CO浓度混合取样式在线测量装置及方法。
背景技术
燃煤电厂炉膛内燃烧过程的优劣直接影响锅炉效率，导致经济性问题。随着我国环保对超低排放要求的提高，燃煤电厂采用低氮燃烧的方式降低氮氧化物排放。脱硝中低氮燃烧采用分级和缺氧方式进行，分级方式将燃烧所需要的空气分为两级送入炉膛，主燃烧区和燃尽区。主燃烧区处于富燃料、缺氧状态，减少了氮氧化物的生成，然而由于不完全燃烧引起CO含量增加；进入燃尽区后，燃尽区属于富氧区，然而由于燃尽区温度低，虽然氮氧化物生成量较小，但是主燃烧区大量未燃尽气体和焦烟由于混合差、温度低等原因，CO排放浓度很高。CO的排放不仅造成煤炭资源浪费，而且容易造成炉膛管壁高温氧化、结焦等，提高了电厂的维护成本。
目前燃煤锅炉主要监测排烟氧量以预估燃料的送风比例是否恰当，燃烧是否完全，然而由于空气中氧量较大，烟道漏风和仪表漏风会给氧量的测量带来很大误差，因此如果能将未完全燃烧产物CO监测与氧量监测结合，将会提高炉膛内燃烧工况监测的准确性和可靠性。此外，CO的在线监测对于磨煤机的安全运行也有重大意义，因此测量烟气中CO的含量是非常必要性。
燃煤锅炉中烟气中CO浓度具有以下特点：含量偏高：运行数据显示电厂CO浓度约有1/3时间浓度都超过1000ppm，经核算，以一台600MW机组为例，每年1400小时CO均值为1000ppm，每年大约浪费924吨煤。而且，CO的浓度还与飞灰中碳含量具有正相关性，如果产生1000ppmCO，飞灰含碳量约增加2％，每年约浪费1693吨煤。波动剧烈：CO浓度短时间测量曲线显示烟气中CO浓度波动剧烈，浓度变化迅速，两分钟内，浓度可由几十ppm上升至几千ppm，然后再下降至几十ppm。分布不均匀：由于炉膛配风不均，炉膛老化，火焰倾斜等原因，虽然氧量分布相对均匀，然而CO分布却变化很大，因此需要对其进行分布式测量，从而调节配风，更好地控制燃烧。
目前烟气中CO在线监测主要依靠烟气在线监测系统(Continuous EmissionMonitoring System,CEMS)实现，该仪表采用非分散红外原理结合取样方式进行测量，然而为了确保测量烟气成分不失真，取样路径需要进行伴热和冷凝处理，取样过程复杂，还会存在镜片污染问题，仪表运行维护量大。而且目前所用仪表均采用单点测量方式，测量代表性差，无法适用于CO分布不均匀特点。
发明内容
为了解决目前依靠氧量作为燃烧效率评估依据存在的弊端及目前烟气CO在线监测中存在的问题，本发明的目的是提供了一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置，该装置包括信号发生模块、激光器驱动模块、可调谐半导体激光器、准直器、赫里奥特池气室、光电探测器、稀释取样探头、数据采集处理模块、干涉仪和示波器；信号发生模块与激光器驱动模块通过导线连接，激光器驱动模块与可调谐半导体激光器通过导线连接；可调谐半导体激光器与准直器通过光纤连接；稀释取样探头与赫里奥特池气室通过抽气装置和管路连接；所述稀释取样探头分别安装于烟道的不同区域内；光电探测器与数据采集处理模块通过同轴电缆连接；光电探测器与示波器通过同轴电缆连接。
本发明提供的一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将烟道分区，在每个区域中心位置安装稀释取样探头，采用干燥的压缩空气对烟气进行稀释，在抽气装置作用下，各路烟气混合后进入赫里奥特池气室；
2)对可调谐半导体激光器参数进行标定，并计算谐波比值和浓度的关系曲线：
a)选用中心频率为v0的CO特征吸收谱线，以可调谐半导体激光器为光源，调节激光器驱动模块的设置温度及电流，调节信号发生模块的频率和幅度，使可调谐半导体激光器在中心频率v0处发生高频调制；
b)将经过高频调制后的激光经过准直器后进入干涉仪，干涉信号由光电探测器接收，输入示波器进行显示和采集；
c)将经过高频调制后的激光经过准直器后，原始光强信号I0由光电探测器接收，再输入示波器进行显示和采集，采用下式对干涉信号和原始光强信号进行拟合，得到频率调制和光强调制的相位差φ、可调谐半导体激光器的电流调谐系数ε和光强线性调制系数i；
Figure BDA0002247629480000021
式中，v为激光瞬时频率；ω为高频调制频率；a为频率调制幅度，a＝εA，A为调制电流幅度；I0为原始光强信号；I0为谱线中心频率处光强；
根据朗伯比尔定律可知，经过气体吸收后的透射光强信号It与原始光强信号I0之间满足下式：
Figure BDA0002247629480000031
式中：τ(v)为激光透过率函数；α(v)为激光吸收率函数；P为气体压力；S(T)为谱线强度；x为气体浓度；L为吸收路径长度；
Figure BDA0002247629480000035
为线型函数；Hk为激光透过率函数的傅里叶系数，其表达式为：
Figure BDA0002247629480000032
对透射光强信号It进行谐波检测，X轴参考信号Vx和Y轴参考信号Vy表达式为：：
Figure BDA0002247629480000033
式中：R为参考信号幅值；β为参考信号初始相位；
根据锁相检测原理，可得到对透射光强It一次谐波X轴信号X1f和Y轴信号Y1f表达式为：
Figure BDA0002247629480000034
式中G为光电放大倍数，一次谐波S1f幅值为：
Figure BDA0002247629480000041
四次谐波S4f表达式为：
d)将频率调制幅度a和步骤c)中标定的频率调制和光强调制的相位差φ及光强线性调制系数i带入下式，计算出在固定压力、光程、温度下的CO浓度与四次谐波S4f和一次谐波S1f比值间关系曲线；
Figure BDA0002247629480000043
3)按照步骤2)中标定的电流调谐系数ε和确定的调制幅度a及公式a＝εA，调节信号发生模块产生的调制电流幅度A，可调谐半导体激光器发出的激光经过准直器准直后进入赫里奥特池气室，在气室内多次反射被气体吸收后被光电探测器接收，并传输至数据采集处理模块；
4)数据采集处理模块对光电探测器信号进行谐波检测，得到透射光强信号It的四次谐波S4f和一次谐波S1f及其比值S4f/S1f，并根据公式(8)计算得到的谐波比值与浓度曲线，测得烟气中CO浓度。
上述技术方案中，步骤1)中所述烟道分区是沿烟气截面方向将烟道分为至少4个区域。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明方法采用稀释取样+赫里奥特池长光程方式，基于波长调制光谱技术中四次谐波比一次谐波方法对烟气中CO进行分布式测量，相对其它方法有以下优点：①将烟道分区，可实现CO混合取样测量，适用于CO分布不均匀特点，比单点测量更具代表性；②采用稀释法进行取样，稀释取样过程降低水浓度从而降低烟气露点，无需做伴热和除水处理，取样过程简单，运行维护量小；③稀释取样过程降低了烟气CO浓度，采用赫里奥特池长光程方式提高测量灵敏度，降低测量下限；④采用波长调制四次谐波比一次谐波法，四次谐波法背景信号小，信噪比高，同时采用一次谐波对其进行归一化，消除了光强的影响，最后根据谐波比值和浓度的关系曲线实现浓度测量，该方法无需进行标定。
附图说明
图1是本发明CO测量的系统原理图。
图2是本发明CO测量可调谐半导体波长标定原理图。
图3是本发明CO测量可调谐半导体光强标定原理图。
图4是本发明CO测量可调谐半导体激光器标定结果。
图5是本发明CO测量根据可调谐半导体激光器标定参数得到的谐波比值和浓度的关系曲线。
图6是本发明电厂实际运行CO浓度监测数据。
图中：1—信号发生模块；2—激光器驱动模块；3—可调谐半导体激光器；4—准直器；5—干涉仪；6—光电探测器；7—示波器；8—赫里奥特池气室；9—数据采集处理模块；10—烟道；11—稀释取样探头；12—抽气装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置，其主要包括信号发生模块1、激光器驱动模块2、可调谐半导体激光器3、准直器4、赫里奥特池气室8、光电探测器6、稀释取样探头11、数据采集处理模块9、干涉仪5和示波器7；信号发生模块1与激光器驱动模块2通过导线连接，激光器驱动模块2与可调谐半导体激光器3通过导线连接；可调谐半导体激光器3与准直器4通过光纤连接；稀释取样探头11与赫里奥特池气室8通过抽气装置12和管路连接；所述稀释取样探头11分别安装于烟道10的不同区域内；光电探测器6与数据采集处理模块9通过同轴电缆连接；光电探测器6与示波器7通过同轴电缆连接。
本发明提供的一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测方法，该方法包括如下步骤：
1)将烟道10沿烟气截面方向分成至少4个区域，在每个区域中心位置安装稀释取样探头11，采用干燥的压缩空气对烟气进行稀释，在抽气装置12作用下，各路烟气混合后进入赫里奥特池气室8；
2)对可调谐半导体激光器参数进行标定，并计算谐波比值和浓度的关系曲线：
a)选用中心频率为v0的CO特征吸收谱线，以可调谐半导体激光器3为光源，调节激光器驱动模块2的设置温度及电流，调节信号发生模块1的频率和幅度，使可调谐半导体激光器3在中心频率v0处发生高频调制；
b)将经过高频调制后的激光经过准直器4后进入干涉仪5，干涉信号由光电探测器6接收，输入示波器7进行显示和采集；
c)将经过高频调制后的激光经过准直器4后，原始光强信号I0由光电探测器6接收，再输入示波器7进行显示和采集，采用下式对干涉信号和原始光强信号进行拟合，得到频率调制和光强调制的相位差φ、可调谐半导体激光器的电流调谐系数ε和光强线性调制系数i；
Figure BDA0002247629480000061
式中，v为激光瞬时频率；ω为高频调制频率；a为频率调制幅度，a＝εA，A为调制电流幅度；I0为原始光强信号；I0为谱线中心频率处光强；
根据朗伯比尔定律可知，经过气体吸收后的透射光强信号It与原始光强信号I0之间满足下式：
Figure BDA0002247629480000062
式中：τ(v)为激光透过率函数；α(v)为激光吸收率函数；P为气体压力；S(T)为谱线强度；x为气体浓度；L为吸收路径长度；
Figure BDA0002247629480000063
为线型函数；Hk为激光透过率函数的傅里叶系数，其表达式为：
Figure BDA0002247629480000064
将式(1)中入射光强表达式带入(2)式中，可得到经过气体吸收后的透射光强信号It表达式为：
上式中透射光强信号It的各频率分量表达式如下：
Figure BDA0002247629480000071
由于分子吸收谱线的对称性，在谱线中心频率处公式(3)中的奇数次项均为0，即H1、H3、H5…均为0。因此，式(5)中一倍频分量和偶数倍频分量可以简化为：
对透射光强信号It进行谐波检测，X轴参考信号Vx和Y轴参考信号Vy表达式为：
Figure BDA0002247629480000073
式中：R为参考信号幅值；β为参考信号初始相位；
根据锁相检测原理，可得到对透射光强It一次谐波X轴信号X1f和Y轴信号Y1f表达式为：
Figure BDA0002247629480000074
式中G为光电放大倍数，一次谐波S1f幅值为：
同理，四次谐波S4f表达式为：
Figure BDA0002247629480000082
d)将频率调制幅度a和步骤c)中标定的频率调制和光强调制的相位差φ及光强线性调制系数i带入下式，计算出在固定压力、光程、温度下的CO浓度与四次谐波S4f和一次谐波S1f比值间关系曲线；
Figure BDA0002247629480000083
3)按照步骤2)中标定的电流调谐系数ε和确定的调制幅度a及公式a＝εA，调节信号发生模块1产生的调制电流幅度A，可调谐半导体激光器3发出的激光经过准直器4准直后进入赫里奥特池气室8，在气室内多次反射被气体吸收后被光电探测器6接收，并传输至数据采集处理模块9；
4)数据采集处理模块9对光电探测器6信号进行谐波检测，得到透射光强信号It的四次谐波S4f和一次谐波S1f及其比值S4f/S1f，并根据公式(11)计算得到的谐波比值与浓度曲线，测得烟气中CO浓度。
实施例：
1)将省煤器出口后烟道10沿烟气截面方向分为6个区域，在每个区域中心位置安装稀释取样探头11，采用干燥的压缩空气对烟气进行稀释，在抽气装置12作用下，各路烟气混合后进入赫里奥特池气室8；
2)对可调谐半导体激光器参数进行标定，并计算谐波比值和浓度的关系曲线：
a)选用中心频率v0为4297.705cm-1的CO特征吸收谱线，以可调谐半导体激光器3为光源，调节激光器驱动模块2的设置温度及电流，调节信号发生模块1的频率和幅度，使可调谐半导体激光器3在中心频率v0处发生高频调制；
b)如图2所示，将经过高频调制后的激光经过准直器4后进入干涉仪5，干涉信号由光电探测器6接收，输入示波器7进行显示和采集；
c)如图3所示，将经过高频调制后的激光经过准直器4后，原始光强信号I0由光电探测器6接收，再输入示波器7进行显示和采集，采用下式对干涉信号和光强信号进行拟合，得到频率调制和光强调制的相位差φ为1.06π、可调谐半导体激光器3的电流系数ε为0.0587cm-1/mA和光强线性调制系数i为0.0473；
Figure BDA0002247629480000091
式中，v为激光瞬时频率；ω为高频调制频率；a为频率调制幅度，a＝εA，A为调制电流幅度；I0为原始光强信号；
Figure BDA0002247629480000092
为谱线中心频率处光强；
d)将频率调制幅度a(实验例中选用0.237cm-1)和步骤c)中标定的频率调制和光强调制的相位差φ(1.06π)及光强线性调制系数i(0.0473)带入下式，计算出固定压力(1atm)、光程(2360.4cm)、温度(23℃)下，浓度与四次谐波和一次谐波比值间关系曲线，如图5所示；
Figure BDA0002247629480000093
3)按照步骤2)中标定的电流调谐系数ε(0.0587cm-1/mA)和确定的调制幅度a(0.237cm-1)及公式a＝εA，调节信号发生模块1产生的调制电流幅度A为4.04mA，可调谐半导体激光器3发出的激光经过准直器4准直后进入赫里奥特池气室8，在气室内多次反射被气体吸收后被光电探测器6接收，并传输至数据采集处理模块9；
4)数据采集处理模块9对光电探测器6信号进行谐波检测，得到透射光强信号It的四次谐波S4f和一次谐波S1f及其比值S4f/S1f，并根据公式(2)计算得到的谐波比值与浓度曲线得到CO浓度，图6为根据该方法测量得到的某电厂55天CO测量结果。

Claims (3)

1.一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测装置，该装置包括信号发生模块(1)、激光器驱动模块(2)、可调谐半导体激光器(3)、准直器(4)、赫里奥特池气室(8)、光电探测器(6)、稀释取样探头(11)、数据采集处理模块(9)、干涉仪(5)和示波器(7)；信号发生模块(1)与激光器驱动模块(2)通过导线连接，激光器驱动模块(2)与可调谐半导体激光器(3)通过导线连接；可调谐半导体激光器(3)与准直器(4)通过光纤连接；稀释取样探头(11)与赫里奥特池气室(8)通过抽气装置(12)和管路连接；所述稀释取样探头(11)分别安装于烟道(10)的不同区域内；光电探测器(6)与数据采集处理模块(9)通过同轴电缆连接；光电探测器(6)与示波器(7)通过同轴电缆连接。
2.采用如权利要求1所述的一种烟气中CO浓度混合取样式在线监测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将烟道分区，在每个区域中心位置安装稀释取样探头(11)，采用干燥的压缩空气对烟气进行稀释，在抽气装置(12)作用下，各路烟气混合后进入赫里奥特池气室(8)；
2)对可调谐半导体激光器(3)参数进行标定，并计算谐波比值和浓度的关系曲线：
a)选用中心频率为v0的CO特征吸收谱线，以可调谐半导体激光器(3)为光源，调节激光器驱动模块(2)的设置温度及电流，调节信号发生模块(1)的频率和幅度，使可调谐半导体激光器(3)在中心频率v0处发生高频调制；
b)将经过高频调制后的激光经过准直器(4)后进入干涉仪(5)，干涉信号由光电探测器(6)接收，输入示波器(7)进行显示和采集；
c)将经过高频调制后的激光经过准直器(4)后，原始光强信号I0由光电探测器(6)接收，再输入示波器(7)进行显示和采集，采用下式对干涉信号和原始光强信号进行拟合，得到频率调制和光强调制的相位差φ、可调谐半导体激光器(3)的电流调谐系数ε和光强线性调制系数i；
Figure FDA0002247629470000011
式中，v为激光瞬时频率；ω为高频调制频率；a为频率调制幅度，a＝εA，A为调制电流幅度；I0为原始光强信号；为谱线中心频率处光强；
根据朗伯比尔定律可知，经过气体吸收后的透射光强信号It与原始光强信号I0之间满足下式：
Figure FDA0002247629470000021
式中：τ(v)为激光透过率函数；α(v)为激光吸收率函数；P为气体压力；S(T)为谱线强度；x为气体浓度；L为吸收路径长度；
Figure FDA0002247629470000027
为线型函数；Hk为激光透过率函数的傅里叶系数，其表达式为：
对透射光强信号It进行谐波检测，X轴参考信号Vx和Y轴参考信号Vy表达式为：：
式中：R为参考信号幅值；β为参考信号初始相位；
根据锁相检测原理，可得到对透射光强信号It一次谐波X轴信号X1f和Y轴信号Y1f表达式为：
Figure FDA0002247629470000024
式中G为光电放大倍数，一次谐波S1f幅值为：
四次谐波S4f表达式为：
Figure FDA0002247629470000026
d)将频率调制幅度a和步骤c)中标定的频率调制和光强调制的相位差φ及光强线性调制系数i带入下式，计算出在固定压力、光程、温度下的CO浓度与四次谐波S4f和一次谐波S1f比值间关系曲线；
Figure FDA0002247629470000031
3)按照步骤2)中标定的电流调谐系数ε和确定的调制幅度a及公式a＝εA，调节信号发生模块(1)产生的调制电流幅度A，可调谐半导体激光器(3)发出的激光经过准直器(4)准直后进入赫里奥特池气室(8)，在气室内多次反射被气体吸收后被光电探测器(6)接收，并传输至数据采集处理模块(9)；
4)数据采集处理模块(9)对光电探测器(6)信号进行谐波检测，得到透射光强信号It的四次谐波S4f和一次谐波S1f及其比值S4f/S1f，并根据公式(8)计算得到的谐波比值与浓度曲线，测得烟气中CO浓度。
3.如权利要求2所述一种烟气中CO浓度混合取样式方法，其特征在于，步骤1)中所述烟道分区是沿烟气截面方向将烟道分为至少4个区域。
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