CN111582698B - 基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,该方法通过构造锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标和锅炉炉膛截面温度的燃烧均匀度指标进而构造得出电站锅炉燃烧稳定性评价指标,使得炉膛燃烧状态可以精确量化为一个百分比数值,直观地指导运行人员对锅炉燃烧过程进行相关给煤量、风量和给水量的控制,减少火焰偏烧以及风量、煤量等控制量配比不合适造成的锅炉燃烧过程波动等现象,优化机组变负荷过程中的锅炉燃烧状态,有助于尽快稳定燃烧过程,在一定程度上减少运行人员由于没有足够的信息而造成的盲目操作,有效降低燃料量损耗、电厂运行成本和设备损坏机率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,尤其涉及一种基于电站锅炉炉膛出口温度测量的燃烧稳定性评价指标计算方法,属于自动控制技术领域。
背景技术
近年来,随着新能源发电技术的快速发展,传统火电机组更多的参与了调频和调峰的任务,机组负荷上下变动大,对锅炉的燃烧过程造成了很大的波动,使得机组煤耗增大,设备维护成本增加,更重要的是给运行安全性提出了更高的要求。
然而由于锅炉内的燃烧过程相对复杂,并且缺乏有效的监测手段,甚至炉膛内的燃烧监测在不少电厂仍然只能通过锅炉上的观火孔来进行,调整手段通常也只能由运行人员根据AGC指令调节机组给煤量、总风量、给水量等参数,结合公式和经验系数进行相关燃烧过程的调整,整个调节过程较为粗糙,不能通过及时和准确的调整来保证燃烧过程稳定。相比之下,在炉膛出口安装声波或激光测温装置能够比较直接和准确的测量炉膛出口截面上的温度数据,通过这些数据进行图像重建,可以初步反映炉内的燃烧情况,但是,目前还没有具体数据或指标能够反映炉膛燃烧稳定性并指导燃烧过程调节,提高机组运行安全性和经济性。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题,提供一种基于电站锅炉炉膛出口截面上的各分区温度和炉膛截面平均温度等数据计算而得的评价电站锅炉燃烧稳定性指标的公式,该指标公式可以用于指导锅炉燃烧过程的运行调节,降低电厂的燃料损耗,减小设备维护工作量,提升电厂运行安全性和经济性。
为了达到上述目的,本发明提出的技术方案为:一种基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、拟合锅炉炉膛出口平均温度TP和负荷N之间关系的函数TP=f(N);
步骤二、构建锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标公式u;
2.1、根据当前机组负荷和步骤一得出的函数关系,得到炉膛出口平均温度的期望值,再利用炉膛测温系统采集炉膛出口平均温度实际值,通过炉膛出口平均温度实际值与炉膛出口平均温度的期望值得到炉膛出口平均温度偏差e;并通过测得的炉膛出口平均温度实际值得到温度变化率ec;
所述温度偏差e的实际论域为[c1,c2],温度变化率ec的实际论域为[d1,d2],燃烧强度指标u的实际论域为[0,100];
2.2、设定温度偏差e的模糊变量为E,温度变化率ec的模糊变量为EC,燃烧强度指标u的模糊变量为U;
设定E、EC和U的模糊论域;
将温度偏差e和温度变化率ec的实际值转换成为模糊值;
2.3、设定模糊变量E、EC、U的模糊语言变量以及模糊语言变量与模糊值对应的隶属度函数;根据求得的E、EC的模糊值与隶属度函数得到E、EC隶属的模糊语言变量;
设定U的模糊语言变量与E、EC的模糊语言变量之间的对应规则,即模糊控制关系,然后根据E、EC隶属的模糊语言变量得到U的模糊语言变量;
2.4、根据U的模糊语言变量、隶属度函数以及与温度偏差E和温度变化率EC的关系,根据如下模糊矩阵公式计算U的模糊矩阵,再根据最大隶属度原则求出U的模糊值;
U=(E×EC)oR
式中,R为模糊关系,Ri=Ei1×ECi2×Ui3
其中,q为对应的模糊控制关系数量,Ri为第i条模糊控制关系,Ei1、ECi2、Ui3分别表示不同的模糊语言变量的隶属度矩阵,将q条模糊关系取并集就得到总的模糊关系R;
2.5、根据下式求得解模糊化的燃烧强度指标u;
步骤三、将锅炉炉膛截面划分为j1*j2个分区,根据下式构造炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式:
J=j1·j2
其中:J为分区数量,J=j1*j2;TP为锅炉炉膛出口截面平均温度;Tv为锅炉炉膛出口截面各分区温度值;σ为炉膛分区温度数据的标准差;
步骤四、根据燃烧强度指标公式u和炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式y,构建电站锅炉燃烧稳定性评价指标z,
其中z∈[0,100]。
对上述技术方案的进一步设计为:所述步骤二中根据下式将温度偏差e和温度变化率ec的实际值转换成为模糊值;
其中,g为所求模糊值,x∈[a,b]为变量的实际论域,a、b为实际变量x的上下限,h为离散度,为量化因子。
所述步骤一中平均温度TP和负荷N的函数关系TP=f(N)通过粒子群算法进行函数拟合。
所述温度偏差e=平均温度实际值-平均温度期望值,偏差为正则平均温度实际值比期望值大,偏差为负则平均温度实际值比期望值小。
所述温度变化率ec为炉膛出口平均温度实际值每分钟的变化值,单位为℃/min,实际值增大则ec为正,实际值减小则ec为负。
所述温度偏差e和温度变化率ec的输入值若超出实际论域范围,则取相应论域的端点值。
所述步骤二中设定E、EC的模糊论域为:
E=EC={-n,-(n-k),…,0,…,n-k,n};
U的模糊论域为:
U={-m,-(m-l),…,0,…,m-l,m};
其中,n、k、m、l均为正整数,0<k<n,0<l<m。
所述步骤二中模糊控制关系数量为E和EC的模糊语言变量数量的乘积。
所述步骤三中炉膛各个分区温度采用声波测温方法测得。
所述步骤三中炉膛各个分区温度采用激光测温方法测得。
本发明相比于现有技术具有的有益效果为:
本发明通过构造锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标和锅炉炉膛截面温度的燃烧均匀度指标进而构造得出电站锅炉燃烧稳定性评价指标,使得炉膛燃烧状态可以精确量化为一个百分比数值,直观地指导运行人员对锅炉燃烧过程进行相关给煤量、风量和给水量的控制,减少火焰偏烧以及风量、煤量等控制量配比不合适造成的锅炉燃烧过程波动等现象,优化机组变负荷过程中的锅炉燃烧状态,有助于尽快稳定燃烧过程,在一定程度上减少运行人员由于没有足够的信息而造成的盲目操作,有效降低燃料量损耗、电厂运行成本和设备损坏机率。
附图说明
图1是锅炉炉膛截面分区划分示意图;
图2是平均温度TP和负荷N的拟合曲线图及拟合用数据;
图3是300MW负荷下各分区温度值。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本实施例选用的试验发电机组为某发电公司机组,锅炉为采用旋流对冲燃烧方式的直流锅炉,额定功率600MW,有6台中速磨煤机配正压直吹制粉系统,锅炉炉膛中燃尽风门上侧标高41米处布置有基于声波测温原理的炉膛温度场在线监测系统,该系统将锅炉截面划分为391个分区,如图1所示。
本实施例的基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法的步骤如下:
步骤一、拟合炉膛出口平均温度-负荷函数
在历史站数据中找出机组负荷段在180MW到600MW之间,间隔为10MW的几组锅炉炉膛出口截面平均温度TP的数据,所取数据应符合:炉膛各分区温度数据均匀分布、机组负荷稳定、锅炉燃烧状态稳定。取得的数据经过取均值等处理后,运用粒子群算法等方法进行函数拟合,得出表示平均温度TP和负荷N的函数关系TP=f(N),如下所示:
TP=-0.0019N2+2.4482N+602.03,N∈[180,600] (1)
拟合曲线图及拟合用数据如图2所示。该平均温度-负荷函数用于计算机组稳定燃烧时,在不同负荷N下的锅炉炉膛出口截面平均温度期望值TP。
步骤二、构造锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标公式
假设机组当前负荷N1=300MW,带入公式(1)求出炉膛出口平均温度的期望值TP0=1165.49℃,此时通过机组声波测温系统采集到的炉膛出口平均温度实际值TP1=1265.49℃,因此温度偏差e=TP1-TP0=100℃,由系统前后两次采集到的温度数据和系统采集周期计算得到温度变化率ec=-30℃/min,说明炉膛出口平均温度的实际值比期望值高100℃,但温度变化率为-30℃/min则说明温度值有减小的趋势,每分钟降低30℃。根据这些数据运用模糊控制算法和实际运行控制经验计算锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标u的步骤如下:
首先,结合实际运行情况给定温度偏差e的实际论域为[-150,150],温度变化率ec的实际论域为[-30,30],燃烧强度指标u的实际论域为[0,100];温度偏差e和温度变化率ec的输入值若超出实际论域范围,则取相应论域的端点值。
其次,设定温度偏差e的模糊变量为E,温度变化率ec的模糊变量为EC,燃烧强度指标u的模糊变量为U;
E、EC的模糊论域为:
E=EC={-3,-2,-1,0,1,2,3};
U的模糊论域为:
U={-9,-7,-5,-3,-1,0,1,3,5,7,9};
根据以下公式(2)将温度偏差和变化率的实际值转换成为模糊值。
其中,g为所求模糊值,x∈[a,b]为变量的实际论域,a、b为实际变量x的上下限,均为实数,h为离散度,也就是模糊论域的最大值,称为量化因子。
带入实际论域和离散度后公式如(3)、(4)所示:
温度偏差:
温度变化率:
第三,设定模糊变量E、EC、U的模糊语言变量及隶属度函数,输入和输出的语言变量个数可以一样也可以不同,语言变量个数影响控制规则的制定和控制效果,个数越多控制规则越复杂,计算量越大,在运用过程中,可根据实际情况自由选择;隶属度函数用于确定模糊变量对模糊语言变量的隶属程度,一般有三角形、梯形、高斯型、钟形、S形、Z形等。
本实施例中设定模糊变量E、EC、U的模糊语言变量均为:{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},它们分别表示:{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。温度偏差E、温度变化率EC和输出燃烧强度指标U的隶属度函数表格如下表1、2和3所示。
表1.温度偏差E的隶属度表格
表2.温度变化率EC的隶属度表格
表3.燃烧强度指标U的隶属度表格
第四,根据模糊化之后的温度偏差E和温度变化率EC的语言变量制定如表4所示的模糊控制规则表;
表4.模糊控制规则表
当U趋向于ZO时表示锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度较好,趋向于NB或者PB时表示锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度较差。
建立模糊控制规则表的基本思想如下:
当温度偏差E为负时,表示实际值比期望值小,若变化率EC为负表示温度有减小的趋势,会造成温度偏差越来越大,因此燃烧强度指标U较差,为负向值,可根据偏差和变化率的程度选择合适的输出模糊语言变量。
当温度偏差E为正时,表示实际值比期望值大,若变化率EC为正表示温度有增大的趋势,同样会造成温度偏差越来越大,燃烧强度指标U较差,为正向值,可根据偏差和变化率的程度选择合适的输出模糊语言变量。
当温度偏差E和变化率EC符号相异时,根据两个变量的正负向程度,结果偏向程度较深的一方,例如偏差E为正大,变化率EC为负中,表示炉膛出口截面平均温度实际值比期望值大很多,但温度有中速下降的趋势,因此炉膛温度趋向期望值,锅炉燃烧强度趋于和负荷相匹配,其指标U为正小,偏向偏差E的方向,燃烧强度指标较好。其中当偏差和变化率符号相异且程度大致相同时,输出燃烧强度指标U在零值ZO附近,燃烧强度指标较好。
建立模糊控制规则表的基本思想如下表5所示:
表5.模糊控制规则表基本思想
序号 | 模糊控制规则 | 序号 | 模糊控制规则 |
1 | If E=NB and EC=NB then U=NB | 26 | If E=ZO and EC=PS then U=PS |
2 | If E=NB and EC=NM then U=NB | 27 | If E=ZO and EC=PM then U=PS |
3 | If E=NB and EC=NS then U=NM | 28 | If E=ZO and EC=PB then U=PM |
4 | If E=NB and EC=ZO then U=NM | 29 | If E=PS and EC=NB then U=NS |
5 | If E=NB and EC=PS then U=NS | 30 | If E=PS and EC=NM then U=NS |
6 | If E=NB and EC=PM then U=NS | 31 | If E=PS and EC=NS then U=ZO |
7 | If E=NB and EC=PB then U=ZO | 32 | If E=PS and EC=ZO then U=PS |
8 | If E=NM and EC=NB then U=NB | 33 | If E=PS and EC=PS then U=PS |
9 | If E=NM and EC=NM then U=NM | 34 | If E=PS and EC=PM then U=PM |
10 | If E=NM and EC=NS then U=NM | 35 | If E=PS and EC=PB then U=PM |
11 | If E=NM and EC=ZO then U=NS | 36 | If E=PM and EC=NB then U=NS |
12 | If E=NM and EC=PS then U=NS | 37 | If E=PM and EC=NM then U=ZO |
13 | If E=NM and EC=PM then U=ZO | 38 | If E=PM and EC=NS then U=PS |
14 | If E=NM and EC=PB then U=PS | 39 | If E=PM and EC=ZO then U=PS |
15 | If E=NS and EC=NB then U=NM | 40 | If E=PM and EC=PS then U=PM |
16 | If E=NS and EC=NM then U=NM | 41 | If E=PM and EC=PM then U=PM |
17 | If E=NS and EC=NS then U=NS | 42 | If E=PM and EC=PB then U=PB |
18 | If E=NS and EC=ZO then U=NS | 43 | If E=PB and EC=NB then U=ZO |
19 | If E=NS and EC=PS then U=ZO | 44 | If E=PB and EC=NB then U=PS |
20 | If E=NS and EC=PM then U=PS | 45 | If E=PB and EC=NB then U=PS |
21 | If E=NS and EC=PB then U=PS | 46 | If E=PB and EC=NB then U=PM |
22 | If E=ZO and EC=NB then U=NM | 47 | If E=PB and EC=NB then U=PM |
23 | If E=ZO and EC=NM then U=NS | 48 | If E=PB and EC=NB then U=PB |
24 | If E=ZO and EC=NS then U=NS | 49 | If E=PB and EC=NB then U=PB |
25 | If E=ZO and EC=ZO then U=ZO |
根据指标U的模糊语言结果、隶属度函数以及与温度偏差E和温度变化率EC的关系,可以根据如下模糊矩阵公式(5)计算指标U的模糊矩阵,再根据最大隶属度原则求出U的模糊值。
U=(E×EC)oR (5)
R为模糊关系,由如下公式(6)求得:
其中,q为对应的控制经验数量,Ri为第i条模糊关系,Ei1、ECi2、Ui3分别表示不同的模糊语言变量的隶属度矩阵,将q条模糊关系取并集就得到总的模糊关系R。
本实施例中,E=2,EC=-3,取E=PM,EC=NB,根据基本思想第36条可知U=NS,模糊关系R36的计算过程如下:
将R1到R49全部算出并且取并集就可以得出模糊关系R,如下所示,再根据公式U=(PME×NBEC)oR即可计算出燃烧强度指标U=[0.3,0.3,0.3,0.7,1,0.3,0.3,0.3,0.3,0,0],其分别对应-9,-7,-5,-3,-1,0,1,3,5,7,9的模糊值,根据最大隶属度原则可得燃烧强度指标U的模糊值为-1。
当选择了e、ec、u的基本论域、E、EC、U的模糊论域、隶属度函数及控制规则后,模糊关系就已经确定,因此,可以在进行实时控制前,把控制量U全部算出,形成模糊控制表,这样在实时控制时根据温度偏差E和温度变化率EC就可以在模糊控制表中查找到相应的燃烧强度指标U,可以大大提高实时控制的计算速度,模糊控制表如表6所示。
表6.模糊控制表
第五,输出解模糊化的燃烧强度指标u。
燃烧强度指标u用百分数的形式来表示炉膛和负荷相匹配的燃烧强度,锅炉燃烧强度较好时u接近100%,燃烧强度差时u接近0%,只有正值;模糊变量U的值有正有负,锅炉燃烧强度较好时,模糊语言变量接近ZO,模糊变量接近0,燃烧强度较差时,模糊语言变量接近NB或者PB,模糊变量接近-9或者9,它的解模糊化结果如下:
所以说,锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标u为88.89%。
步骤三、构造锅炉炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式
本实施例机组炉膛截面温度场在线监测系统将炉膛截面划分为如图3所示的23*17=391个分区,该系统采用声波测温的方法,测量炉膛各个分区在相同的负荷下的温度值Tv和炉膛平均温度TP,根据这些值,构造如下所示炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式:
J=j1·j2 (9)
其中:J为分区数量,J=23*17;TP为锅炉炉膛出口截面平均温度,由测温系统根据各分区温度计算得出;Tv为锅炉炉膛出口截面各分区温度值;σ为炉膛分区温度数据的标准差。理论上,如果炉膛温度均匀性很好,各个分区温度与炉膛平均温度相同,则标准差为0,炉膛截面温度的均匀度y为100%,若炉膛温度均匀性很差,标准差理论上可以无限大,因此炉膛截面温度的燃烧均匀度y将会无限趋近于0%;但实际上,在锅炉运行过程中,炉膛截面各分区温度某一时刻的均匀度几乎不会低于50%,也不会达到100%。
由步骤二可知负荷N1=300MW,声波测温系统采集到的炉膛出口平均温度实际值TP1=1265.49℃,各分区温度值Tv如图3所示。
因此,标准差σ和锅炉炉膛截面温度的燃烧均匀度y为:
步骤四、构造电站锅炉燃烧稳定性评价指标公式
结合步骤二、步骤三得出的燃烧强度指标公式u和炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式y,构造如下公式(12)所示电站锅炉燃烧稳定性评价指标z,公式如下:
其中z∈[0,100],单位%。当燃烧强度指标u和燃烧均匀度指标y相差不大时,燃烧稳定性指标z和这两个指标值相差也不大,但是如果燃烧强度指标和燃烧均匀度指标中有一个指标很低,两者相差很大时,燃烧稳定性评价指标z更偏向于反映较低的数值,可以很好的提示锅炉燃烧运行的异常状态,更加贴近生产运行实际情况,准确表征当下炉膛燃烧的稳定性情况。
这里,燃烧稳定性评价指标z如下:
可以看到,燃烧强度指标u略低,燃烧均匀度指标y尚可,如果需要调整燃烧稳定性评价指标z可着重调整燃烧强度指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等,均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、拟合锅炉炉膛出口平均温度TP和负荷N之间关系的函数TP=f(N);
步骤二、构建锅炉炉膛负荷匹配燃烧强度指标公式u;
2.1、根据当前机组负荷和步骤一得出的函数关系,得到炉膛出口平均温度的期望值,再利用炉膛测温系统采集炉膛出口平均温度实际值,通过炉膛出口平均温度实际值与炉膛出口平均温度的期望值得到炉膛出口平均温度偏差e;并通过测得的炉膛出口平均温度实际值得到温度变化率ec;
所述温度偏差e的实际论域为[c1,c2],温度变化率ec的实际论域为[d1,d2],燃烧强度指标u的实际论域为[0,100];
2.2、设定温度偏差e的模糊变量为E,温度变化率ec的模糊变量为EC,燃烧强度指标u的模糊变量为U;
设定E、EC和U的模糊论域;
将温度偏差e和温度变化率ec的实际值转换成为模糊值;
2.3、设定模糊变量E、EC、U的模糊语言变量以及模糊语言变量与模糊值对应的隶属度函数;根据求得的E、EC的模糊值与隶属度函数得到E、EC隶属的模糊语言变量;
设定U的模糊语言变量与E、EC的模糊语言变量之间的对应规则,即模糊控制关系,然后根据E、EC隶属的模糊语言变量得到U的模糊语言变量;
2.4、根据U的模糊语言变量、隶属度函数以及与温度偏差E和温度变化率EC的关系,根据如下模糊矩阵公式计算U的模糊矩阵,再根据最大隶属度原则求出U的模糊值;
式中,R为模糊关系,Ri=Ei1×ECi2×Ui3
其中,q为对应的模糊控制关系数量,Ri为第i条模糊控制关系,Ei1、ECi2、Ui3分别表示不同的模糊语言变量的隶属度矩阵,将q条模糊关系取并集就得到总的模糊关系R;
2.5、根据下式求得解模糊化的燃烧强度指标u;
步骤三、将锅炉炉膛截面划分为j1*j2个分区,根据下式构造炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式:
J=j1·j2
其中:J为分区数量,J=j1*j2;TP为锅炉炉膛出口截面平均温度;Tv为锅炉炉膛出口截面各分区温度值;σ为炉膛分区温度数据的标准差;
步骤四、根据燃烧强度指标公式u和炉膛截面温度的燃烧均匀度指标公式y,构建电站锅炉燃烧稳定性评价指标z,
其中z∈[0,100]。
2.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤二中根据下式将温度偏差e和温度变化率ec的实际值转换成为模糊值;
其中,g为所求模糊值,x∈[a,b]为变量的实际论域,a、b为实际变量x的上下限,h为离散度,为量化因子。
3.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤一中平均温度TP和负荷N的函数关系TP=f(N)通过粒子群算法进行函数拟合。
4.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述温度偏差e=平均温度实际值-平均温度期望值,偏差为正则平均温度实际值比期望值大,偏差为负则平均温度实际值比期望值小。
5.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述温度变化率ec为炉膛出口平均温度实际值每分钟的变化值,单位为℃/min,实际值增大则ec为正,实际值减小则ec为负。
6.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述温度偏差e和温度变化率ec的输入值若超出实际论域范围,则取相应论域的端点值。
7.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤二中,设定E、EC的模糊论域为:
E=EC={-n,-(n-k),…,0,…,n-k,n};
U的模糊论域为:
U={-m,-(m-l),…,0,…,m-l,m};
其中,n、k、m、l均为正整数,0<k<n,0<l<m。
8.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤二中模糊控制关系数量为E和EC的模糊语言变量数量的乘积。
9.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤三中炉膛各个分区温度采用声波测温方法测得。
10.根据权利要求1所述基于炉膛出口温度的燃烧稳定性评价指标计算方法,其特征在于:所述步骤三中炉膛各个分区温度采用激光测温方法测得。
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