聲學(xué)法燃煤鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)圖像重建研究.pdf

1、爐膛火焰溫度場(chǎng)是對(duì)爐膛火焰監(jiān)測(cè)和控制的最直接參數(shù)。為了維護(hù)鍋爐運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，必須對(duì)鍋爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，在自動(dòng)控制過(guò)程中，需要選取一些能夠及時(shí)響應(yīng)燃燒過(guò)程熱物理參數(shù)變化的量來(lái)反映設(shè)備運(yùn)行的狀況，而爐膛燃燒火焰溫度場(chǎng)直接體現(xiàn)了燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性，所以為實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制，首先必須對(duì)爐膛火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)對(duì)燃燒火焰溫度場(chǎng)的測(cè)量，可及時(shí)掌握火焰的燃燒狀態(tài)，為燃燒優(yōu)化運(yùn)行提供保證。但由于爐膛火焰燃燒過(guò)程自身具有瞬態(tài)變化、

2、隨機(jī)湍流、設(shè)備尺寸龐大、環(huán)境惡劣等特征，給實(shí)際鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)的在線測(cè)量帶來(lái)困難。目前還沒(méi)有建立非常有效的大型鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)可視化測(cè)量手段，因此尋求更為準(zhǔn)確，可靠的鍋爐爐膛火焰檢測(cè)技術(shù)。 本文研究了基于聲波傳感器并結(jié)合圖像重建技術(shù)的燃煤鍋爐爐膛溫度場(chǎng)圖像重建方法，對(duì)該方法中的一些難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)行了深入的理論分析及研究，主要完成了以下工作： 1.歸納總結(jié)了燃煤鍋爐爐膛火焰溫度場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀、難點(diǎn)和發(fā)展趨

3、勢(shì)。從聲學(xué)法燃煤鍋爐爐膛溫度場(chǎng)圖像重建系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用研究現(xiàn)狀、必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題、發(fā)展前景展望等對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了綜合評(píng)述。 2.對(duì)最小二乘法溫度場(chǎng)圖像重建算法和傅立葉正則化溫度場(chǎng)圖像重建算法進(jìn)行了理論分析和仿真與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明兩種算法溫度場(chǎng)圖像重建精度除受聲波傳播時(shí)間測(cè)量精度和傳感器位置分布影響之外，最小二乘法溫度場(chǎng)圖像重建算法溫度場(chǎng)重建結(jié)果受測(cè)量區(qū)域小區(qū)域劃分方法、小區(qū)域數(shù)量、爐壁溫度測(cè)量精度等的影響較大，傅立

4、葉正則算法受先驗(yàn)知識(shí)矩陣及正則化參數(shù)影響較大，溫度場(chǎng)圖像重建結(jié)果存在一定的邊緣效應(yīng)。 3.研究了由于溫度梯度變化所產(chǎn)生的聲波路徑“彎曲效應(yīng)”對(duì)溫度場(chǎng)圖像重建的影響，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)在矩形溫度場(chǎng)測(cè)量區(qū)域上實(shí)現(xiàn)了聲波路徑“彎曲”的補(bǔ)償和溫度場(chǎng)圖像重建。通過(guò)仿真比較了各種溫度場(chǎng)情況下，聲波路徑“彎曲”補(bǔ)償前后溫度場(chǎng)圖像重建效果，結(jié)果表明對(duì)單峰對(duì)稱溫度場(chǎng)，聲波路徑“彎曲”補(bǔ)償前后的最大誤差，均方根誤差分別為34k、17k，1.99％、1.

5、61％；對(duì)單峰偏斜溫度場(chǎng)，聲波路徑“彎曲”補(bǔ)償前后的最大誤差，均方根誤差分別為55k、38k，2.62％、1.57％；對(duì)雙峰偏斜溫度場(chǎng)，聲波路徑“彎曲”補(bǔ)償前后的最大誤差，均方根誤差分別為40k、40k，4.34％、3.67％。當(dāng)溫度梯度變化較大時(shí)，通過(guò)對(duì)聲波路徑“彎曲”的補(bǔ)償，可在一定程度上提高溫度場(chǎng)圖像的重建精度。 4.提出一種基于高斯函數(shù)與正則化方法的溫度場(chǎng)圖像重建算法，充分考慮火焰先驗(yàn)知識(shí)在溫度場(chǎng)圖像重建中的作用，通過(guò)在

6、溫度場(chǎng)圖像重建中加入火焰先驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度場(chǎng)的較高精度重建。通過(guò)仿真考察了該算法對(duì)不同溫度分布函數(shù)的重建效果，結(jié)果表明該算法比高斯函數(shù)溫度場(chǎng)重建算法具有較高精度而重建速度相近。 5.提出基于正則化方法與迭代技術(shù)的溫度場(chǎng)圖像重建算法。對(duì)單峰溫度分布，迭代前后溫度場(chǎng)圖像重建結(jié)果的均方根誤差分別為3.8％和3.7％；對(duì)單峰偏斜溫度分布迭代前后溫度場(chǎng)圖像重建結(jié)果的均方根誤差分別為2.1％和1.9％，對(duì)雙峰溫度分布，迭代前后溫度場(chǎng)圖像

7、重建結(jié)果的均方根誤差分別為4.1％和4.0％。該算法僅進(jìn)行一次優(yōu)化迭代，使溫度場(chǎng)圖像重建質(zhì)量有一定的提高，而溫度場(chǎng)圖像重建速度與傅立葉正則化算法溫度場(chǎng)圖像重建速度相近。該算法溫度場(chǎng)重建質(zhì)量?jī)?yōu)于其它算法，可望用于燃煤鍋爐爐膛二維溫度場(chǎng)圖像的重建。 6.設(shè)計(jì)一套溫度場(chǎng)圖像重建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和上述研究結(jié)果對(duì)室溫溫度分布及燃燒火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行了重建實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了室溫溫度分布和燃燒火焰溫度場(chǎng)圖像的重建，驗(yàn)證了所研究算法對(duì)實(shí)際被測(cè)溫度