可视化火焰测量系统的开发及应用

论文摘要

我国是能源消耗大国,煤炭作为燃料在能源消耗中占了很大比重。电站锅炉作为电能生产的主要方式,面临着提高燃烧经济性和减少污染的双重任务。只有更好的优化炉内燃烧工况,才能满足上述要求。另外,合理燃烧还可减少锅炉事故的发生。总之,优化燃烧控制是锅炉各项性能全面提高的必然要求。目前燃烧控制的特点是主要信号均取自燃烧室以外。从燃料入炉燃烧到蒸汽压力变化是个纯滞后大延迟的过程,难以迅速跟踪炉内燃烧的变化。而内涵丰富,直接反映炉内燃烧状况的火焰信息未被充分利用。本课题目的既是探索火焰信息的获取方法,并为优化燃烧控制提供参考。本课题通过研究燃烧的辐射成像模型、图像采集系统的光电特性、火焰温度场算法、可视化测量系统原理,从测量对象、测量模型、测量工具、测量应用等方面阐述了针对燃烧火焰所建立的较完善的研究方法,并以此为基础开发了新型的燃烧测量系统。本课题以可视化实时场测量为主要目标,以CCD相机、分光系统及相关图像采集及处理设备为主要测量工具,以电站锅炉煤粉燃烧火焰为主要研究对象,实现了对燃烧火焰的多参数测量。通过对火焰特性的研究确定了测量波长,对图像采集系统光电特性的研究选取了CCD相机,对测量原理的研究设计了测量方案并研制了分光系统,在此基础上开发了整套新颖的可视化燃烧火焰采集及分析系统。通过温度标定获得了温度灰度标准数据库,并应用于某电站300MW锅炉的实际测量。测量结果表明,本系统能够准确及时跟踪运行工况的变化,反映燃烧的实际情况。运用最小二乘支持向量机,通过火焰信息的提取和优化组合对锅炉负荷进行了预测,找到了与之紧密相关的火焰参数,为燃烧的优化控制提供了新的借鉴。本课题开发的燃烧测量系统具有波长及光路选择灵活,测量准确度高,运行稳定可靠等特点,并且具有较好的燃料适应性,可广泛用于非透明或半透明火焰的燃烧测量。

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摘要

ABSTRACT

主要符号表

第一章绪论

1 课题背景

2 温度场测量方法综述

2.1 接触式测温方法

2.1.1 热电偶测温法

2.1.2 黑体腔式热辐射高温计

2.1.3 其它接触式测量方法

2.2 非接触式测温方法

2.2.1 声学法

2.2.2 辐射光谱法

2.2.3 辐射强度法

3 常见的火焰检测方法

3.1 光学式火焰检测方法

3.2 相关型火焰检测方法

3.3 基于图像的火焰检测技术

4 基于图像的火焰检测技术的发展现状

5 本文主要工作内容

第二章火焰辐射特性及图像采集处理系统的光电特性

1 辐射测温基本理论

2 辐射测温的几种方法

2.1 亮温度

2.2 辐射温度

2.3 色温度

3 煤粉燃烧的辐射特性

3.1 辐射传递方程

3.2 燃烧气态产物的辐射特性

3.3 煤粉燃烧的辐射特性

4 图像处理系统的光电特性

4.1 CCD的基本工作原理

4.2 面阵CCD的特性参数

4.3 面阵CCD图像采集系统工作原理

5 CCD系统成像的光学模型

6 CCD的光辐射度学原理

7 辐射图像的数字化

8 小结

第三章可视化测量系统的原理及组成

1 基本原理

1.1 基于火焰图像的温度测量方法

1.2 比色测温原理及其算法评价

2 比色测温系统的布置方案

3 火焰检测系统的组成

4 小结

第四章测量系统的标定与分析

1 黑体炉简介

2 标定过程及标定参数

3 标定结果及分析

3.1 不同工况下的温度图像

3.1.1 不同快门速度下的标定图像及大小

3.1.2 不同光圈下的标定图像及大小

3.2 标定温度稳定性分析

3.3 标定曲线的拟合及结果分析

3.3.1 拟合方法的确定

3.3.2 标定拟合曲线

4 小结

第五章可视化火焰测量系统在电站锅炉上的应用

1 锅炉机组概况

2 火焰图像的采集

3 火焰温度分析

3.1 火焰温度的可靠性分析

3.2 火焰温度与负荷的关系

4 小结

第六章火焰参数在锅炉燃烧预测中的应用

1 火焰参数确定

1.1 火焰图像特征参数

1.2 火焰图像特征参数的提取

1.3 火焰温度参数

2 火焰参数与负荷的相关性分析

2.1 火焰参数的无量纲化

2.2 火焰参数与负荷的相关度

3 支持向量机对负荷的预测

3.1 统计学习理论

3.1.1 机器学习

3.1.2 统计学习理论

3.2 支持向量机

3.3 支持向量机的实现

3.4 LS-SVM在锅炉负荷预测中的应用

3.5 LS-SVM进行负荷预测的影响因素分析

4 小结

第七章结论与展望

1 结论

2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢

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