CN111812051A - 一种基于烟气径向过滤的no浓度测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于烟气径向过滤的NO浓度测量方法及测量装置，属于烟气浓度测量领域。其中浓度测量装置包括：径向过滤取样器，用于高温样气的采集；高温伴热导气管，用于对采集的高温样气进行恒温输送；过滤器，用于采集样气的过滤；冷凝器，用于将恒温输送的高温样气冷凝为常温；DOAS测量系统；对输入的常温样气进行测量，得到样气中的NO浓度。本发明测量装置结构简单，采用径向过滤的方式，有效缓解取样器堵塞情况，延长使用寿命，且过滤芯可在线更换，极大的方便了后期维护并降低了维护成本，同时本发明能扩展为多点烟气浓度测量，且浓度反演算法计算结果准确，计算误差低。
Description
技术领域：
本发明涉及NO气体浓度测量领域，尤其涉及一种基于烟气径向过滤的NO浓度准确、稳定测量方法及装置。
背景技术：
我国电力行业的蓬勃发展为国内经济的飞速发展提供极大的保障，但是目前国内的电力行业中，火电仍占着主导性的地位，而火电带来的大量污染物排放则成为经济发展同时必须面对和解决的问题。随着SCR系统的成熟运用，火电尾气中排放的NO污染已经有所改善。但是SCR系统运行时也会存在诸多问题，例如，由于无法掌握烟道中NO浓度，导致喷氨过量，从而引起大量氨逃逸，对下游设备的运行造成极大的危险，甚至引起火电机组异常停机，造成巨大的经济损失。所以，实现对烟道中NO的精确测量，则会显著减少氨逃逸。而目前的NO测量设备，长时间运行的情况经常会产生堵塞现象，影响其取样探头使用寿命；并且多数的取样系统不会对于取样管位于烟道外部的管道进行伴热，水蒸气冷凝及氨结晶极易由于长期运行堆积造成这段取样管道出现堵塞现象；此外，由于激光光源在长期使用后会出现光强衰减的情况，而基于原始光源的算法则会明显产生NO浓度计算误差；目前最常用的反演算法为最小二乘法，但是由于在进行光谱平滑滤波过程中，光谱的峰值位置可能会出现左右平移，从而与既定的NO特征吸收光谱峰值位置出现偏差，此时再使用最小二乘法时则会出现明显的误差；因此，迫切需要一种能够长时间稳定运行，且浓度反演准确的NO浓度测量系统。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种高效过滤、测量精度高的基于烟气径向过滤的NO浓度测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于烟气径向过滤的NO浓度测量装置，其特征在于，包括：
径向过滤取样器，用于高温样气的采集；
高温伴热导气管，用于对采集的高温样气进行恒温输送；
过滤器，用于采集样气的过滤；
冷凝器，用于将恒温输送的高温样气冷凝为常温；
DOAS测量系统；对输入的常温样气进行测量，得到样气中的NO浓度。
所述径向过滤取样器包括导气管、过滤芯以及抽气管；所述导气管连接在所述抽气管的尾部；所述过滤芯为长条状且设置在所述抽气管内，在所述过滤芯与抽气管之间形成一环绕过滤芯的的样气采样通道，样气经样气采样通道进入过滤芯后导气管导出。
所述抽气管固定在固定板上；导气管和过滤芯固定在固定圆台上；固定圆台与固定板可拆卸连接。
所述过滤器的过滤粒径为5～10μm，过滤器的长度80cm～100cm。
还包括一三通阀，该三通阀设置在所述径向过滤取样器与过滤器的连接管道上，在所述三通阀上设置有一用于对所述径向过滤取样器进行反向清洗的高温压缩空气进气口。
高温压缩空气的温度为180℃～250℃，压强为0.4～0.6MPa；高温伴热导气管的伴热温度为180℃～250℃。
DOAS测量系统计算NO浓度的方法是：
采用Savitzky-Golay平滑滤波对烟气样气光谱I0进行拟合，获取其慢变光谱I；
对Ln(I0/I)进行傅里叶变换；
将NO特征吸收光谱进行傅里叶变换，并通过最小二乘法与Ln(I0/I)求最优解，通过最优解与标气浓度拟合方程进行比对求解NO浓度值Ci *；
对求解的NO浓度值Ci *进行修正得到样气NO浓度值Ci。
一种NO浓度测量方法，包括：
获取进入DOAS测量系统的烟气的光谱(I0)，对光谱I0通过Savitzky-Golay平滑滤波拟合出慢变光谱(I)，根据Lambert-Bell定律的变形公式计算样气浓度；
其中，L为测量光程；
为通过标气试验获得的NO特征吸收光谱；
对Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱进行傅里叶变换，并提取二者极值点前后300～500个数据点，通过最小二乘法求解出最优解，并获取最优解与标气浓度Ci之间函数关系，即浓度反演方程；
通过最小二乘法对样气的Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱经傅里叶变换提取的数据求解最优解，代入浓度反演方程，从而求解出NO浓度值Ci *；
将求解出NO的浓度值代入非线性修正方程从而获取样气NO浓度值Ci。
非线性修正方程为：
y＝5.07796x-0.01443x2+(1.55586E-5)x3-358.37116
式中，E为10-5次方。
本发明基于烟气径向过滤的NO浓度测量方法及装置，DOAS测量系统进行烟气抽取时，径向过滤取样器采集的样气通过三通阀门及高温伴热导气管，经由二级过滤器和冷凝器处理后，由常温导气管输入DOAS测量系统中，DOAS测量系统对抽取样气通过紫外差分算法计算出其浓度并于操作显示面板显示，测量后的烟气经由尾气管道排出，冷凝器中的凝结的水通过蠕动泵排出系统机柜；高温电磁阀由PLC进行控制，通过操作显示面板能够对系统机柜内的PLC、DOAS测量系统、冷凝器进行手动控制。
径向过滤取样器包括导气钢管、固定钢板、固定圆台、过滤芯、抽气管；其中，导气钢管、固定圆台及过滤芯焊接固连在一起，固定钢板与抽气管也通过焊接方式固连，固定圆台与固定钢板通过螺纹连接配合，以便于维修更换时，直接拆卸更换导气钢管、固定圆台及过滤芯整体，而无需更换整个抽气管。
导气钢管及抽气管位于烟道外侧部分均采用高温伴热处理，防止烟气在导出烟道的过程中冷凝造成管道堵塞。
过滤芯采用不锈钢材质，过滤粒径5～10μm，长度80cm～100cm，有效增加过滤芯与抽取至抽气管中的烟气接触面积，从而提升过滤效果，并延长滤芯使用寿命。
高温伴热导气管伴热温度为180℃～250℃，防止烟气取样过程中水蒸气冷凝或铵盐结晶导致管道堵塞。
高温电磁阀耐热达250℃，反吹时使用的高温压缩空气温度需达到180℃以上。
二级过滤器先后两个滤芯的过滤粒径尺寸分别为2～5μm和0.1～2μm。
本发明基于DOAS的NO浓度反演算法，包含以下数据反演步骤：
步骤1：获取进入DOAS测量系统的烟气的光谱I0，对光谱I0通过Savitzky-Golay平滑滤波拟合出慢变光谱I，根据Lambert-Bell定律的变形公式计算样气浓度：
其中，L为测量光程，80～160cm；
为通过标气试验获得的NO特征吸收光谱；反演过程中无需使用原始光源光谱，避免了因长期使用导致原始光源光谱衰弱造成的系统误差；
步骤2对Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱进行傅里叶变换，并提取二者极值点前后300～500个数据点，通过最小二乘法求解出最优解，并获取最优解与标气浓度Ci *之间函数关系，即浓度反演方程；
步骤3通过最小二乘法对样气的Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱经傅里叶变换提取的数据求解最优解，代入浓度反演方程，从而求解出NO浓度值Ci *；
步骤4将求解出NO的浓度值代入非线性修正方程从而获取样气NO浓度值Ci；非线性修正方程通过标气试验获取，修正方程为：
y＝5.07796x-0.01443x2+(1.55586E-5)x3-358.37116
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
一种基于DOAS及径向过滤的NO浓度测量系统，具有结构简单，易于安装及更换等优点，测量准确等优点；且使用径向过滤取样器，能够有效增大过滤芯与烟气接触面积，从而延长其使用寿命；通过傅里叶变换和最小二乘法结合，即用傅里叶变换后的特征峰值进行最小二乘法反演，能够有效提高反演精度，提高NO测量准确性。
附图说明：
图1为本发明所述的一种基于烟气径向过滤的NO浓度测量装置结构示意图；
图2为本发明所述的径向过滤取样器结构示意图；
图3为本发明所述的径向过滤取样器工作原理示意图；
图4为标气试验获得的NO特征吸收光谱；
图5为标气试验获得的NO反演修正方程曲线；
其中，1、径向过滤取样器；2、系统机柜；3、高温伴热导气管；4、三通阀门；5、高温电磁阀；6、导线；7、常温导气管8、蠕动泵；11、导气钢管；12、固定钢板；13、固定圆台；14、过滤芯；15、抽气管；21、操作显示面板；22、二级过滤器；23、PLC；24、DOAS测量系统；25、冷凝器；26、烟道截面；27、高温压缩空气；28、尾气排空；29、烟气；30、过滤管道；31、不锈钢滤芯；32、保温伴热导出管道；33、过滤层；34、烟气流动方向。
具体实施方式：
实施例1
如图1～2所示，本发明一种基于DOAS及径向过滤的烟气NO浓度测量系统，包括径向过滤取样器1、系统机柜2、高温伴热导气管3、三通阀门4、高温电磁阀5、耐热导线6、常温导气管7以及蠕动泵8；其中，系统机柜2包括操作显示面板21、二级过滤器22、PLC23、DOAS测量系统24和冷凝器25。
当需要抽取样气进入DOAS测量系统24进行测量时，DOAS测量系统24内部的抽气泵进行烟气抽取，径向过滤取样器2采集的样气经过三通阀门4后，PLC23控制向系统机柜2内部供气的高温电磁阀5打开，样气依次经由二级过滤器22(过滤芯的过滤粒径分别2μm和0.1μm)和冷凝器25处理后，由常温导气管7输入DOAS测量系统24中，在冷凝器25之前的导气管道均采用高温180℃伴热，并对抽气管15烟道外段和导气钢管11进行高温伴热，防止烟气中水蒸气冷凝和氨盐结晶造成管道堵塞；DOAS测量系统24对抽取样气执行既定的NO反演算法计算出其浓度并于操作显示面板21显示，测量后的烟气经由尾气管道进行尾气排空28，冷凝器25中的凝结的水通过蠕动泵排出系统机柜2。
当使用一段时间后，为避免前端径向取样器1出现堵塞现象，PLC23控制高温压缩空气27入口的高温电磁阀5打开，关闭通向系统机柜2的高温电磁阀5，从而实现高温反吹，通过高温反吹(温度>180℃)，去除铵盐及烟尘，延长径向取样器1使用寿命。
对于前端伸入烟道26的径向过滤取样器1，由导气钢管11、固定钢板12、固定圆台13、过滤芯14和抽气管15组成；导气钢管11、固定圆台13及过滤芯14焊接固连在一起，固定钢板12与抽气管15也通过焊接方式固连，固定圆台13与固定钢板12通过螺纹连接配合；过滤芯14采用不锈钢材料，过滤粒径5μm，长度80cm，由于过滤芯整体较长，烟气沿过滤芯14径向流向过滤芯14内部(如图3)，有效增加了过滤芯14与烟气的接触面积，延长了过滤芯14的使用寿命，提高了烟尘过滤效率；并且，由于前端导气钢管11长度固定，可以保证在测量时烟气始终来源于同一测量点，避免了目前市场上多数采取导气管口即进行过滤产生的前端堵塞而致使取样位置改变的问题；此外，当过滤芯14由于长时间使用出现大面积堵塞时，可以对过滤芯14连同导气钢管11、固定圆台13进行整体拆卸，继而清洗过滤芯14或直接进行更换，相比于目前市场上的取样探头，过滤芯与取样器焊接固定在一起，只能进行整体更换，大大增加了维护的便捷性，并降低了维护成本，此外，过滤芯14可以维护进行清洗二次使用，也极大的提高了利用率。
DOAS测量系统24采用Savitzky-Golay平滑滤波对烟气样气光谱I0进行拟合，获取其慢变光谱I，对Ln(I0/I)进行傅里叶变换，由于反演过程中不涉及原始光源强度，因此在长期使用后，不会因为光源强度衰减而造成浓度反演误差。将NO特征吸收光谱(如图4所示)进行傅里叶变换，并通过最小二乘法与Ln(I0/I)求最优解，通过最优解与标气浓度拟合方程进行比对求解NO浓度值Ci *；再代入三次多项式非线性修正方程获取样气NO浓度值Ci。
基于DOAS的NO浓度反演算法，包含以下数据反演步骤：
步骤1：获取进入DOAS测量系统24的烟气的光谱I0，对光谱I0通过Savitzky-Golay平滑滤波拟合出慢变光谱I，根据Lambert-Bell定律的变形公式计算样气浓度：
其中，L为测量光程，80～160cm；
为通过标气试验获得的NO特征吸收光谱(如图4所示)；反演过程中无需使用原始光源光谱，避免了因长期使用导致原始光源光谱衰弱造成的系统误差；
步骤2对Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱进行傅里叶变换，并提取二者极值点前后300～500个数据点，通过最小二乘法求解出最优解，并获取最优解与标气浓度Ci *之间函数关系，即浓度反演方程；
步骤3通过最小二乘法对样气的Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱经傅里叶变换提取的数据求解最优解，代入浓度反演方程，从而求解出NO浓度值Ci *；
步骤4将求解出NO的浓度值代入非线性修正方程从而获取样气NO浓度值Ci；非线性修正方程通过标气试验获取，修正曲线如图5所示，修正方程为：
y＝5.07796x-0.01443x2+(1.55586E-5)x3-358.37116
表1为标气试验中NO浓度反演计算结果与最终修正结果对比：
表1
从表1的对比结果来看，修正后浓度值比修正前极大的降低了误差，与真实浓度误差很小。
表2为采用最小二乘法和本发明傅里叶变换和最小二乘法结合算法的结果对比：
表2
从表2的对比结果来看，最小二乘法的计算结果具有很大的不稳定性，误差在9.59％和130.22％之间，且不规律。采用本发明的测量方法，误差值最大只有1.55％，极大的降低了误差，能客观的反应真实的浓度值。
实施例2
本实施例与实施例1技术方案基本一致，不同之处在于，径向过滤取样器1的过滤粒径为8μm，长度90cm，二级过滤器22的两个过滤芯过滤粒径分别为3μm和1μm。
实施例3
本实施例与实施例1、实施例2技术方案基本一致，不同之处在于，径向过滤取样器1的过滤粒径为10μm，长度100cm，二级过滤器22的两个过滤芯过滤粒径分别为5μm和2μm。
实施例4
本实施例与实施例1技术方案基本一致，不同之处在于，5个径向过滤器1分别插入烟道中进行烟气取样，并通过PLC23控制五个高温电磁阀5依次向DOAS测量系统24提供样气，每路气体测量完成并被DOAS测量系统排空后，控制这路气体的高温电磁阀5关闭，下一个高温电磁阀5打开，并抽取样气进入DOAS测量系统24；通过操作显示面板21设定PLC23程度，控制反吹周期，当测量周期完成后，PLC23控制反吹气路的高温电磁阀5打开，同时对五路管道进行反吹清灰除氨。
Claims (10)
1.一种基于烟气径向过滤的NO浓度测量方法，其特征在于，包括：
采用Savitzky-Golay平滑滤波对烟气样气光谱I0进行拟合，获取其慢变光谱I；
对Ln(I/I0)与NO特征吸收光谱进行傅里叶变换；通过最小二乘法与Ln(I0/I)求最优解，通过最优解与标气浓度拟合方程进行比对求解NO浓度值Ci *；
对求解的NO浓度值Ci *进行非线性方程修正得到样气NO浓度值Ci。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，非线性修正方程为：
y＝5.07796x-0.01443x2+(1.55586E-5)x3-358.37116
式中，E为10-5次方。
3.根据权利要求1所述的NO浓度测量方法，其特征在于，
根据Lambert-Bell定律的变形公式计算样气浓度；
其中，L为测量光程；
为通过标气试验获得的NO特征吸收光谱。
4.一种基于烟气径向过滤的NO浓度测量装置，其特征在于，包括：
径向过滤取样器，用于高温样气的采集；
高温伴热导气管，用于对采集的高温样气进行恒温输送；
过滤器，用于采集样气的过滤；
冷凝器，用于将恒温输送的高温样气冷凝为常温；
DOAS测量系统；对输入的常温样气进行测量，得到样气中的NO浓度。
5.根据权利要求4所述的NO浓度测量装置，其特征在于，所述径向过滤取样器包括导气管、过滤芯以及抽气管；所述导气管连接在所述抽气管的尾部；所述过滤芯为长条状且设置在所述抽气管内，在所述过滤芯与抽气管之间形成一环绕过滤芯的的样气采样通道，样气经样气采样通道进入过滤芯后导气管导出。
6.根据权利要求5所述的NO浓度测量装置，其特征在于，所述抽气管固定在固定板上；导气管和过滤芯固定在固定圆台上；固定圆台与固定板可拆卸连接。
7.根据权利要求4所述的NO浓度测量装置，其特征在于，所述过滤器的过滤粒径为5～10μm，过滤器的长度80cm～100cm。
8.根据权利要求5所述的NO浓度测量装置，其特征在于，还包括一三通阀，该三通阀设置在所述径向过滤取样器与过滤器的连接管道上，在所述三通阀上设置有一用于对所述径向过滤取样器进行反向清洗的高温压缩空气进气口。
9.根据权利要求8所述的NO浓度测量装置，其特征在于，高温压缩空气的温度为180℃～250℃，压强为0.4～0.6MPa；高温伴热导气管的伴热温度为180℃～250℃。
10.根据权利要求4-9任一所述的NO浓度测量装置，其特征在于，DOAS测量系统计算NO浓度的方法是：
采用Savitzky-Golay平滑滤波对烟气样气光谱I0进行拟合，获取其慢变光谱I；
对Ln(I0/I)进行傅里叶变换；
将NO特征吸收光谱进行傅里叶变换，并通过最小二乘法与Ln(I0/I)求最优解，通过最优解与标气浓度拟合方程进行比对求解NO浓度值Ci *；
对求解的NO浓度值Ci *进行修正得到样气NO浓度值Ci。
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| CN105181902A (zh) * | 2015-09-30 | 2015-12-23 | 华电电力科学研究院 | 一种基于液体吸收法的在线氨逃逸浓度测量装置及测量方法 |
| CN107966419A (zh) * | 2017-11-07 | 2018-04-27 | 青岛博睿光电科技有限公司 | 烟道气或管道气中气体绝对湿度的在线测量装置 |
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2020
- 2020-06-11 CN CN202010527786.8A patent/CN111812051B/zh active Active
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