一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法

摘要

一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法,涉及一种测试方法。目前，在锅炉流场测试中，通常采用网格法，计算量大。本发明包括以下步骤：根据所需测量的锅炉烟道平面，交叉布置脱硝反应器进口或出口的实测点；测量各个实测点的参数值；基于测点位置及实测点的参数测量值，应用克里格方法计算获得预测值；根据得到的预测值绘制等值图，在等值图上获取未知区域的预测点的数值；根据预测点的数值计算区域值，并反馈输出。本技术方案可以大大降低常规网格法的测试工作量，具有较高的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试方法，尤其指一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法。

背景技术

目前，在锅炉流场测试中，如锅炉炉膛及尾部烟道等流场，包括流速、组分浓度、含尘浓度等测试过程中通常采用网格法。网格法测量的精确度依赖于网格大小，网格越小，测点越多，精度越高，也就是说应用网格法时为获得较好的测量精确度，测量的网格必须足够多。其计算量大，为了获得较快的速度，往往需要牺牲精度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法，以达到兼顾计算量与精度的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据所需测量的锅炉烟道平面，交叉布置所测断面的实测点；

2)测量各个实测点的参数值，参数值包括流速、组分浓度、温度、压力中的一个或多个；

3)基于测点位置及实测点的参数测量值，应用克里格方法计算获得预测值；

4)根据得到的预测值绘制等值图，在等值图上获取未知区域的预测点的数值；

5)根据预测点的数值计算区域值，并反馈输出，其中区域值包括局部平均值、最大值、最小值中的一个或多个。

克里格法从统计意义上说，从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变化的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角度讲对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计的一种方法。将此法应用于燃煤机组烟道内流场分布研究，可以预估未知区域点无偏、估计误差最小的分布情况。

对于锅炉内部以及尾部烟道的温度、浓度、流速等变量，呈空间分布，属于区域化变量，其具有双重性。在测量前，这些区域化变量是一个随机函数，具有局部的、随机的、异常的特征；在测定后是一个确定的空间点函数值，具有一般的或者平均的结构性质，即变量在测定点与偏离测定点某一位置处的随机量具有某种程度的自相关，具有区域化变量的结构性特征。基于少量实测值，应用克里格法进行模拟分析，可以预估实测点之外未知区域流速、污染物浓度分布情况，并且具有较高的精确度。所需的实测点少，计算量小，且精确度高，有利于提高计算速度。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

在步骤3)中，根据公式：

计算任一未知点的克里格预测值；其中为任一未知点的克里格预测值，Z(x_i)为实测点的参数值；λ_i为各属性的权重系数。

应用克里格方法计算获得预测值时，采用针对空间依赖的回归方法，通过数据转换成正交的变异函数模型的线性组合，以实现对原始数据去相关，然后通过线性回归方法做数据转换，预估实测点之外未知区域流速、污染物浓度分布情况。

应用克里格方法计算获得预测值时，对于某一区域变量Z(x)，若已知若干点位属性值Z(x_i)(i＝1,2,…,n)，则对于研究区域内某一未知点x的值Z(x)由线性回归方程进行估算：

其中，λ_i为各已知属性的权重系数，m(x)和m(x_i)分别为区域化变量Z(x)和Z(x_i)的数学期望。

对于某一区域变量Z(x)，若已知若干点位属性值Z(x_i)(i＝1,2,…,n)，则对于研究区域内某一未知点x的值Z(x)可由线性回归方程进行估算：

其中，λ_i为各已知属性的权重系数，m(x)和m(x_i)分别为区域化变量Z(x)和Z(x_i)的数学期望。线性回归方程是克里格法的理论依据。

对于任何一种估计方法，预测值Z^*(x)和Z(x)的误差是不可避免的。采用克里格法进行估计时必须满足以下两个限值条件：

(1)真实值和预测值之间的偏差的期望为0，即估计误差的期望为0：

(2)真实值和预测值之间的单个偏差尽可能小，即估计误差的方差尽可能小：

所有克里格法都遵循以上两个基本条件，条件(1)可以确保满足无偏估计，条件(2)可以确保估计满足最优解的条件。因此克里格法是一种最优无偏的线性估值方法。克里格法求解过程的主要任务是满足克里格最优估计限值条件，即如何确定样本Z(x_i)的权重系数λ_i，使所得的预测值Z^*(x)与真实值Z(x)之间的误差方差最小。

普通克里格法是在局部邻域内，区域化变量Z(x)的数学期望为E[Z(x)]，且Z(x)满足内蕴假设条件，则对于式(1)，区域化变量Z(x_i)的数学期望m(x_i)可由待估计点位在局部平稳内的变量Z(x)的数学期望m(x)代替，则由式(1)可得任一未知点预测值Z^*(x)的估计方法为：

因为局部均值m(x)是未知的，若令则可将未知项m(x)从式(4)中消除，因此克里格的解为：

式(5)表明，当区域化变量满足内蕴假设条件是，任一未知点的克里格预测值可以通过该点位局部平稳区域内n个有效样本值Z(x_i)(i＝1,2,…,n)的线性组合得到。

在步骤2)中采用采用定电位电解法、非分散红外吸收法或紫外荧光法测量实测点的O₂、NOx、SO₂浓度。

步骤3)包括以下子步骤：

A)输入实测点的测量值，生成标准格式文件；

B)调用生成的标准格式文件1，应用克里格方法网格化数据，并输出网格化后的文件；

在步骤4)时，调用网格化后的文件，并绘制等值图。

在步骤1)中，根据所需测量的锅炉烟道平面，交叉布置锅炉烟道所测断面的实测点位置，实测点的位置位于脱硝反应器进出口、除尘器进出口、脱硫进出口和/或锅炉炉膛内部，实测点位置设浓度传感器、压力传感器、温度传感器以对该位置点的O₂、NOx、SO₂、烟尘浓度、温度及压力进行检测。位于脱硝反应器进出口、除尘器进出口、脱硫进出口的位置传感器放置可靠方便。

有益效果：本技术方案一方面可以大大降低常规网格法的测试工作量，具有较高的准确度；另一方面，可以为锅炉尾气处理的相关环保设备的控制系统提供一种高精度的测量方法，提高了控制精度。且可解决实测点现场原因无法布置的问题，降低工作难度，提高计算速度。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明第一种NOx浓度预测值图。

图3是本发明第二种NOx浓度预测值图。。

图4是本发明第三种NOx浓度预测值图。。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

SO1交叉布置所测断面的实测点；

SO2采用定电位电解法、非分散红外吸收法或紫外荧光法等方法测量实测点的O₂、NOx、SO₂浓度；

SO3输入实测点的测量值，生成标准格式文件1；

S04调用生成的标准格式文件1，应用克里格方法网格化数据，并输出网格化后的文件2；

S05调用克里格方法生成文件2，应用文件2绘制等值图；

S06读取等值图上预测点的数值；

S07根据预测点的数值，计算区域值，同时反馈输出。

在步骤S04中，根据公式：

计算任一未知点的克里格预测值；其中为任一未知点的克里格预测值，Z(x_i)为实测点的参数值；λ_i为各属性的权重系数。

为方便检测，在步骤SO1中，根据所需测量的锅炉烟道平面，交叉布置锅炉烟道所测断面的实测点位置，实测点的位置位于脱硝反应器进出口、除尘器进出口、脱硫进出口和/或锅炉炉膛内部，实测点位置设浓度传感器、压力传感器、温度传感器以对该位置点的O₂、NOx、SO₂、烟尘浓度、温度及压力进行检测。

以脱硝反应器入口的NOx分布为例，如表1所示，选取24个测点中的16个测点作为克里格方法的样本值，对剩余的8个点进行预测验证。

表1验证一：B反应器入口NOx分布的实测值和样本值

基于18个样本值，采用克里格方法对SCR入口B侧的NOx浓度分布进行预测，其结果如图2所示。

从图2中读取应用克里格方法计算的各验证点的NOx浓度预测值，同时与实测值进行对比，其结果如表2所示。

表2脱硝B反应器入口NOx分布的实测值和预测值比较

从表2中可见，预测值与实测值的误差低于5％，克里格法可以精准预测SCR内部流场，减少网格法1/3以上工作量。其中误差较大的区域位于B5-5和B7-1这两个点，这是实测点布置的时候B4和B6这两个测孔由于现场原因无法布置，导致这个区域的预测精度有所下降。

在此基础上，进一步减少测试点数，变为8个测试点，然后用克里格方法去预测剩余的16个点。

表3验证二：B反应器入口NOx分布的实测值和样本值

基于8个样本值，采用克里格方法对SCR入口B侧的NOx浓度分布进行预测，其结果如图3所示。

对比图2和图3，两者的浓度分布具有一定的相似性，浓度较高的区域基本还是位于中间，浓度较低的区域还时位于右侧位置。为准确对比实测样本数较低时，应用克里格方法预测未知区域的准确性，从图3中读取应用克里格方法计算的各验证点的NOx浓度预测值，同时与实测值进行对比，其结果如表4所示。

表4验证二：脱硝B反应器入口NOx分布的实测值和预测值比较

从表4可见，样本点下降为8个点，下降幅度达2/3，基于这些样本点应用克里格方法进行预估，预测值与实测值的偏差小于10％，其精度还是处于可以接受的范围内，测试的工作量大大降低。

为进一步减少样本点，将样本点减少为5个点，样本点的选择如表5所示。

表5验证三：B反应器入口NOx分布的实测值和样本值

克里格方法实测点布置需交叉布置，如下所示，在3*10的网格中的布置点分别为1～5。

1 4 2 5 3

基于5个样本值，采用克里格方法对SCR入口B侧的NOx浓度分布进行预测，其结果如图4所示。

对比图3和图4，浓度较高的区域向左侧偏移。从图3中读取应用克里格方法计算的各验证点的NOx浓度预测值，同时与实测值进行对比，其结果如表6所示。

表6验证三：脱硝B反应器入口NOx分布的实测值和预测值比较

从表6中可见，样本点降至5个时，应用克里格方法预测19个点的预估值与实测值的误差仍然小于10％。

以上图1所示的一种基于实测值预测流场分布的高精度克里格测试方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。