电站锅炉炉内气体成分浓度场检测技术的研究

摘要

电站锅炉等可控燃烧空间内燃烧气体产物浓度及其分布的在线测量对于实现燃烧优化，提高燃烧效率和火焰品质，减少污染物的排放具有十分重要的意义。可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种新兴的气体成分光谱学测量技术，凭借高光谱分辨率、高准确度、响应速度快、高灵敏度以及不易受其他气体干扰等特点，成为大气痕量气体、工业漏气、高温高速尾焰尾气等的有效监测手段。将TDLAS技术结合层析成像技术应用到火电站锅炉炉内气体成分浓度场的成像测量能充分发挥其技术优势，实现非接触实时在线测量，但也面临高温负压环境影响中心谱线线型、大空间中测量结果准确度受光束数量和光路布置方式影响、粉尘等颗粒物影响激光吸收和透射等问题。
　　本文主要针对气体成分复杂、固体颗粒物较多的电站锅炉，基于近红外波段可调谐激光吸收层析成像技术，研究炉内关键气体成分的浓度及其分布的检测方法和技术。首先基于Beer-Lambert定律结合可调谐激光吸收光谱技术，对气体浓度和温度的反演计算式进行了理论推导，分析选定扫描波长直接吸收法作为优选的浓度测量方法。在实验室搭建了单光路短光程气体浓度测量实验系统，并对系统中的激光器等关键设备进行了性能标定，设计了单光程直接透射式气体吸收池;基于该实验平台完成了对一系列不同浓度CO2待测气的测量研究，结果表明该实验系统能准确测量20％-100％浓度的CO2待测气，其主要误差来源于相邻谱线的干扰以及扫描波长范围的局限性。最后，基于在计算机中构建的二维数值仿真模型，仿真研究了投影路径数量及其布置方式对成像测量的影响规律，分析发现场量对象的分布特点、投影路径的布置方式以及路径数量相互关联，共同影响着图像重建结果且具有一定的优选规律，对气体二维分布成像测量研究工作具有重要的指导意义。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 浓度场检测方法介绍

1．2．1 非光学分析法

1．2．2 光学分析法

1．2．3 TDLAS用于浓度检测的技术优势

1．3 可调谐激光层析成像技术的研究与应用

1．3．1 TDLAS的国内外研究现状及应用情况

1．3．2 技术缺陷及研究方向

1．4 本文的研究内容

第2章 激光吸收层析成像技术的理论原理

2．1 Beer-Lambert定律

2．1．1 线型函数

2．1．2 谱线强度

2．2 温度和浓度反演计算原理

2．3 代数迭代法重建原理

2．4 HITRAN数据库及谱线选择

2．4．1 HITRAN数据库的数据查询平台

2．4．2 谱线选择理论

2．5 本章小结

第3章 基于单光路短光程实验系统的CO2浓度测量

3．1 CO2气体吸收谱线的选择

3．2 实验方案

3．2．1 实验测量方案

3．3 单光路实验系统的构成

3．3．1 光源部分

3．3．2 光路部分

3．3．3 信号检出部分

3．3．4 实验系统关键设备汇总

3．3．5 实验步骤

3．4 实验结果与分析

3．5 本章小结

第4章 二维成像测量系统投影路径优化设计

4．1 光路优化研究现状

4．2 数值仿真模型

4．2．1 场量模型

4．2．2 投影路径布置

4．3 仿真结果与分析

4．3．1 投影路径布置方案的优选分析

4．3．2 投影路径数量对重建的影响

4．4 本章小节

第5章 结论与展望

5．1 总结与结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢