（环境工程专业论文）基于图像测温法的燃煤锅炉NOltxgt排放量预测.pdf

中文摘要 中文摘要 燃煤电厂是全球n o 。排放的主要来源之一。对燃煤电厂n o 。排放量进行预测， 不仅对锅炉的燃烧调整具有指导作用，而且对于保护坏境具有重要意义。本文研 究的目的是通过图像测温法获得炉膛温度，连同其他一些主要运行参数对n o 。排 放量进行预测，从而为电站运行人员提供有效的运行指导信息。本文以图像测温 法和n o 。排放预测与分析为主要内容，具体如下： 分析了n o x 生成机理和影响其排放的参数。根据采集的数据，分析了不同运 行参数及煤质对n o 。排放的影响，找出主要运行参数。结果表明炉膛温度高低与 分布的均匀性是影响n o 。排放量的重要参数之一，因此，有必要进行温度场的重 建。 基于图像测温法的温度场重建。对炉膛火焰数字图像进行降噪、局部增强和 边缘检测，突出了图像中感兴趣的特征。然后通过比色法和色度学原理进行了测 温和温度场重建。用v b 编程进行温度的趋势图、伪彩色显示。其温度结果作为预 测n o 。排放量的主要参数之一。 基于主成分分析和贝叶斯正则化b p 神经网络的n o 。排放量预测。针对电厂燃 煤锅炉n o 。排放量预测建模中输入因子过多而导致神经网络结构规模过大、泛化 能力差的问题，通过主成分分析剔除冗余数据。并用贝叶斯正则化方法改进传统 的b p 神经网络，以3 0 0 m w 燃煤锅炉多工况运行数据为例，对n o 。排放量进行预 测，并同综合烟气分析仪的测量值进行对比。结果表明，改进的b p 神经网络预测 方法与传统的b p 神经网络方法相比，泛化能力有显著地提高；同时也表明，根据 运行参数可以较好地预测n o 。的排放量。利用灰色关联度对n o 。排放有影响因素 进行了定量分析。参照灰色关联度分析结果可以对运行进行调节，从而为降低n o 。 排放提供参考。 最后，通过m a t l a b 和v b 混合编程进行图像测温和n o 。排放量预测系统界面 和模块功能的开发。 关键词：图像处理：n o x ；主成分分析；神经网络；贝叶斯正则化 a b s t r a c t a b s t r a c t c o a l f i r e dp o w e rp l a n ti so n eo f t h ei m p o r t a n ts o u r c e so fg l o b a ln o xe m i s s i o n s t o p r e d i c tn o xe m i s s i o n sf r o m c o a l f i r e dp o w e rp l a n tn o to n l yh a sg u i d i n gr o l et o c o m b u s t i o na d j u s t m e n t ，b u ta l s oi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t ot h ep r o t e c t i o no ft h e e n v i r o n m e n t t h ef u r n a c et e m p e r a t u r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ei m a g et h e r m o m e t r ya n d t o g e t h e rw i t ho t h e rm a i no p e r a t i o n a lp a r a m e t e r si su s e dt op r e d i c tt h en o x e m i s s i o n s t h i si st h ep u r p o s eo ft h et h e s i s t h e nt h ee f f e c t i v ei n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o no fo p e r a t i o n c a nb ep r o v i d e df o rt h ep o w e rp l a n tp e r s o n n e l t h i sa r t i c l et a k e st h ei m a g et h e r m o m e t r y a n dt h ef o r e c a s ta n da n a l y s i so fn o xe m i s s i o n sa st h ep r i m a r yc o v e r a g e ，a n dt h em a i n c o n t e n ti ss p e c i f i c a l l ya sf o l l o w s a s t u d yo nn o xf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dn o xe m i s s i o n sl a w sw a sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t e d ，av a r i e t yo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dc h a n g e si nc o a l t h a ti m p a c t e dn o xe m i s s i o na n dt h em a i no p e r a t i n gp a r a m e t e r sw e r ea l s om a i n l y s t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a to n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r st ot h ee m i s s i o n s o fn o xi st h el e v e lo ft h ef u r n a c et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t ya n dd i s t r i b u t i o n t h e r e f o r e ，i t w a sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h er e c o n s t r u c t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d i m a g en o i s er e d u c t i o n ，l o c a le n h a n c e m e n ta n de d g ed e t e c t i o nw e r ec a r r i e do n f l a m ed i g i t a li m a g e s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g ew e r eh i g h l i 曲t e d t h e t e m p e r a t u r ew a sm e a s u r e da n d t h et e m p e r a t u r ef i e l dw a sr e c o n s t r u c t e dt h o u g h c o l o r i m e t r i cm e t h o da n dc o l o r i m e t r ym e c h a n i s m t h et r e n d sa n dp s e u d o c o l o rf o r t e m p e r a t u r ew e r ed i s p l a y e db yp r o g r a m m i n gw i t hv b ，a n dt h et e m p e r a t u r ew a su s e d o n eo ft h em a i np a r a m e t e r st op r e d i c tn o xe m i s s i o n t h ep r e d i c t i o no fn o xe m i s s i o n sb a s e do np r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i sa n d b a y e s i a nr e g u l a r i z a t i o nb pn e u r a ln e t w o r k a i m i n ga tt h ec o m p l e xf r a m e w o r ko f p o w e rp l a n tn o xe m i s s i o n sp r e d i c t i o nm o d e lo fn e u r a ln e t w o r kb e c a u s eo fe x c e s s i v e s i z eo fi n p u tf a c t o r s ，w h i c hl e a d st od e c r e a s et h ep r e d i c t i o np r e c i s i o n ，t h er e d u n d a n t d a t aw a sr e m o v e dt h r o u g hp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s a n db a y e s i a nr e g u l a r i z a t i o n m e t h o dw a su s e dt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lb pn e u r a ln e t w o r k t a k i n gt h ed a t a e x p e f i m e n t e do n3 0 0 m wc o a l f i r e d b o i l e ri nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa s a l l e x a m p l e ，t h en o xe m i s s i o n sw e r ep r e d i c t e db yt h ei m p r o v e dn e u t r a ln e t w o r k 1 h e r e s u l tw a sc o n t r a s t e dw i t ht h es y n t h e s i sh a z ea n a l y z e r so b s e r v e dv a l u e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h em e t h o dc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h es i z eo ft h em o d e la n dt h e v l l 北京交通人学硕十学位论文 g e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t yo ft h em o d e lw a sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a ln e u r a ln e t w o r k t h ee f f e c t i v em e a n st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o xe m i s s i o n sw a sf o r e c a s t i n gb yt h e i m p r o v e dn e u r a ln e t w o r kc o u l dr e d u c en o xe m i s s i o na n di n c r e a s eb o i l e re f f i c i e n c yb y a d j u s t i n gc o m b u s t i o nc o n d i t i o n w h a t sm o r e ，t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so nn o xe m i s s i o n w e r es t u d i e db ym e a n so fg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ，t h er e s u l t sc a nb ear e f e r e n c ef o r t h e a d j u s t m e n to fc o m b u s t i o nc o n d i t i o n sf o rr e d u c i n gn o xe m i s s i o n f i n a l l y , t h ep r e d i c t i o ns y s t e mi n t e r f a c ea n dm o d u l ed e v e l o p m e n to fi m a g e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dn o xe m i s s i o n sd e v e l o p e db ym a t l a ba n dv bm i x e d p r o g r a m m i n g k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ；n o x ；p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；n e u t r a ln e t w o r k ； b a y e s i a nr e g u l a r i z a t i o n v l 独创性声明 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究一1 ：作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证1 5 而使川过的材料。与我一同i ：作的 同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 腆 签字日期： 二p 吁年万月琴目 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：中侏必 签字只期：加叩年月上bf i 导师签名：菩者4 7 噍扣 签字f t 期：彦川年莎月o c 多f t 致谢 本论文的工作是在我的导师张欣教授的悉心指导下完成的。张教授对学生要 求严格，科研工作上更是严格把关。她严谨的治学态度和科学的工作方法给予了 我极大地帮助与影响，会让我终身受用。张教授不但在学习和科研上给了我很大 的帮助和指导，在生活方面也像我自己的母亲那样体贴关爱，给予了我很大的鼓 励与支持。在此衷心感谢张教授两年来对我的关心和指导。 杨飞老师对我的科研工作和论文都提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期问，实验室的其他同学也对我的研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时也要感谢我的妹妹，她对我的论文提出了很多宝贵意见和建议。 另外也感谢我的爸爸妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 1 绪论 我国是世界上最大的煤炭消费国，以燃煤为主的火力发电机组在我国电力工 业中占据主导地位i l 】。大型的燃煤电厂是全球氮氧化物排放的主要来源之一。氮氧 化物也是现今大气污染的主要物质之一，它包括n o 、n 2 0 3 、n 2 0 、n 2 0 2 、n 0 2 、 n 2 0 5 等，这里统称为n o 。【2 】。随着我国社会经济的进一步发展，我国同益严格的 环境保护标准对既是污染大户又是能源生产重要设备的燃煤电站锅炉提出了更加 苛刻的要求。特别是对于大容量燃煤电站锅炉，对其排放指标( 氮氧化物、碳氧 化物等) 提出了更加严格的控制要求。为了控制污染物的排放，国家环境保护局 1 9 9 6 颁布了火电厂大气污染排放标准g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ，该标准分年限规定了火 电厂氮氧化物的排放浓度，同时要求火电厂安装烟气排放在线监测系统1 3 j 。火电 厂大气污染物排放标准g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 规定了氮氧化物最高允许排放浓度限值， 并要求第3 时段火力发电锅炉须预留烟气脱除氮氧化物装置空间【4 】。 由于各种原因，大部分电厂安装的烟气排放在线监测系统没有发挥其应有的 作用【5 】，而传统的n o 。检测方法实时性比较差【6 j ，所以越来越多的研究工作者丌始 研究通过软测量技术来实现对n o 。排放量实时预n t 。7 8 1 。由予温度尤其是局部高温 对n o 。的生成量具有重要作用，所以要实现对n o 。的在线实时预测，温度测量的 准确性和实时性至关重要。传统的热电偶等接触式温度测量方法，不但不能满足 场测量的要求，也不能对炉膛温度长期实时测量【9 1 ；炉膛恶劣的燃烧环境也限制了 一些x , j - n 量环境要求较高的精密仪器的使用【i 们。所以，非接触式的温度测量方法 得到了长足的发展。其中，图像测温法是研究工作者越来越关注的炉膛测温法。 1 1 2 研究意义 煤粉燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是指n o 和n 0 2 ，其中n o 占9 0 左 右，在空气中极易氧化成n 0 2 。n 0 2 在阳光的作用下，经过一系列连锁反应可生 成0 3 ，臭氧是一种有害、危险的刺激物，当其浓度在1 - - 2 p p m 时，可刺激黏膜， 扰乱中枢神经，引起支气管炎和头痛，还对人的心、肝、肾脏及造血组织有损害， 严重时导致死亡。n o 和n 0 2 会破坏同温层中的臭氧层，使其失去对紫外光的屏蔽 北京交通人学硕十学位论文 作用，危害地面生物。大气中的n o 。与s o 。、粉尘共存，生成硫酸或硫酸盐溶液 和硝酸或硝酸盐溶液，形成酸雨。已查明，l 3 i 2 的酸阿是由氮氧化物造成的。 燃烧过程产生的n o 。占各种排放总量的9 0 。因此，实时预测n o 。的排放量并及 时进行燃烧调整对燃烧的清洁性非常重要。 对温度测量方法进行研究，图像测温法不仅能够实现对炉膛温度的实时测量， 也克服了热电偶等直接测量法不能满足温度的场测量和实时测量的弊端，对n o 。 等排放受温度影响比较大的污染物的在线预测，提供了一个重要的实时温度。温 度能为炉膛的灭火保护和安全运行提供重要的参考信息。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 常用高温火焰温度测量方法国内外研究现状 目前，高温火焰温度测量方法比较多。按传感器与被测物的关系大致可以分 为两大类【1 1 】：接触式测温方法和非接触式测温方法。 常用高温火焰温度测量方法分类如图1 1 所示。 i 一奎焰掣度i l l i 量办法j 厂一一一一一一l 。 卜接触扫缸司 一接触南薄圈卜接触婷。缸司 一接触掣粤习 ：一一一l 广 j 一1 l 一声享法一i_ 尧学法怛鬯但到 热电嘤塑l 堡壁壅塑堑鲨 厂一_ 二= i 一一一i ：一i r - 一一一= 一 、 ：声速法：频率法；辐射光谱法 非接触式光纤法f! 激光光游法 - 一一二二一：二一 一? ：一：i ! 南曩嚣圈丽 贼谣 有参考点溯温法 无参考点测温法i 全怠法f 剪切法 褶丁反s 托k l 【s 法f 1f 诱导荧光光游法。 o 一一一 f 一一一一一一+ 一- - 除色法i 巨晤：双色法1 臣阉 图1 1 常j l j 高温火焰测温方法分类 ( 1 ) 接触式测温方法 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑度、 热物理性参数等因素的影响，具有测温精度高、使用方便等优点1 1 2 1 。接触式测温 最典型的代表是热电偶和接触式光纤高温计【1 3 , 1 4 】。由于工业炉内火焰具有瞬态脉 动的特性，接触式测温法难以作为真正的温度场测量方法。其主要原因是：一方 2 绪论 面，接触法测得的是某个局部位置的信号l l 引。要想测得整个燃烧空间场的信号， 必须通过在燃烧空间合理布点的方式，然后根据相应的方法( 如插值法等) 获得 对燃烧温度场的近似；另一方面，大部分接触式测温装置的动态特性差，响应时 问长，难以反映出温度的快速变化和火焰脉动【l 引。所以，目前接触式测温方法往 往仅限于在锅炉热态特性实验或在锅炉j 下常运行时，对锅炉关键部位的检测。 ( 2 ) 非接触式测温方法 非接触式温度测量由于不与被测介质直接接触，热惯性小，测量上限不受材 料限制等优点而备受关注【”】。在非接触式测量中，感受元件必须能响应温度和温 度变化，一般以光学法为主。根据反映温度和温度变化的信息载体，非接触式测 量法又可分为主动式和被动式测量两类。主动式测量的信息载体是初始状态已知 的标准信号源如激光和声音等。当标准信号经过介质时，信号的物理特性随之发 生改变，感受器件探测的就是这种物理性质的变化，然后通过介质温度与信号物 理性质变化的耦合来计算介质的温度。被动式测量的信息载体就是介质本身所具 有的辐射能量，因此也称为辐射法。辐射法主要包括c t 法f 1 8 之们、谱线反转法【2 1 】 和辐射强度法单色法、全色法、比色法( 双色法和三色法) 1 2 2 。2 4 】。主动式测 量根据信息载体的不同目前可分为声学测量声速法和频率澍2 5 j 和激光测量一 一相位测量和散射测量1 2 6 】等。 1 2 2 燃煤锅炉n o x 生成量的诊断 目前，火电厂大多采用的烟气连续排放监测系统( c e m s ) 中对n o 。等污染物 进行监测。对n o 。的监测系统主要基于以下原理：红外吸收法、紫外吸收法和化 学发光法【2 7 】。 ( 1 ) 红外吸收法 通过测定n o 对5 3 朋附近的红外线吸收量变化连续测定烟气中n o 浓度。 此方法适用于共存的水分、c 0 2 、h c 可以忽略或消除的场合； ( 2 ) 紫外吸收法 通过n o 在1 9 5 2 3 0 n m 或n 0 2 在3 5 0 4 5 0 胁附近紫外光吸收原理进行测定。 此方法适用于共存的s 0 2 可以忽略或消除的场合； ( 3 ) 化学发光法 n o 和0 3 反应产生激发态n 0 2 ，激发态n 0 2 转化为常态的n 0 2 时产生化学发 光，测量发光强度即得n o 浓度。n 0 2 是先通过还原转换器转换成n o 再测量。 目前，安装于锅炉上的价格昂贵的烟气连续监测系统大多处于不可用状态， 电厂对运行过程中的n o 。排放还没有有效地监测系统。 3 北京交通人学硕f ：学位论文 除了使用化学传感器和光谱分析等方法进行n o 。的实时监测外，也有很多学 者正在研究采用软测量方法对n o 。进行监测。其中具有代表性的是n k u r i h a r a 于 8 0 年代中期曾提出基于火焰图像识别的煤粉锅炉氮氧化物排放诊断方法【2 引，通过 分析火焰中氧化区和还原区中的氮氧化物生成和含n 中间产物的还原机理，将燃 烧器出口火焰分为上、中、下三个特征区，通过图像处理提取出与氮氧化物生成 密切相关的燃烧器出口上流区的火焰形状特征，建立了该部位火焰图像特征量与 氮氧化物生成量之间的估计关系式，并将估计值与实时火焰图像相结合实现对燃 烧的优化控制。而文献 2 9 贝j j 使用对氮氧化物有影响的阀门开度参数建立起对应关 系来预测污染物的生成量。另外一些学者提出了并发表了其他的软测量技术【3 0 1 ， 如统计回归方法和基于支持向量机理论的预测方法等【3 卜3 2 l 来进行n o 。排放诊断。 这些方法具有强大的非线性和容错能力，在污染物排放量预测方面得到了广泛的 应用。但是上述方法普遍存在的问题是：采集的影响n o x 排放的因素较多，各因 素之间存在着相关性，造成信息重复利用，因此一般难以建立有效地n o 。排放量 预测模型。如何采取一种既能包含影响n o 。排放量的多种因素，又能尽量减小网 络规模的方法，是改善n o 。排放量预测精度的关键之一。本文尝试采用主成分分 析和贝叶斯正则化方法对b p 神经网络进行改进。 1 3 主要研究内容 本文研究的目的是通过图像测温法获得炉膛温度，来实现对n o 。排放量预测， 从而为电站运行人员提供有效的运行指导信息。本文以图像测温法与n o 。排放分 析为主要内容，主要进行了以下几个方面的研究： ( 1 ) n o 。排放量影响参数的提取 在各种不同工况下，主要是定性考察了各种运行参数及其煤种的变化对n o x 排放量的影响规律，找出影响n o 。排放量的主要运行参数，为预测参数选择提供理 论基础。其中炉膛温度是影响n o 。排放量的重要参数之一，因此，有必要进行温度 场的重建。 对炉膛火焰数字图像进行了降噪、局部增强和边缘检测，突出了图像中感兴 趣的特征，有利于对火焰的燃烧状态的观察。根据炉膛辐射模型和火焰图像特点， 通过比色法和色度学原理进行测温和温度场重建，其结果用于下面n o 。排放量的预 测。用v b 编程进行温度的趋势图、伪彩色显示。 ( 2 ) 利用改进的神经网络对n o x 排放量进行预测： 针对电厂燃煤锅炉n o x 排放量预测建模中输入因子过多而导致神经网络结构 规模过大、泛化能力差的问题，通过主成分分析剔除了冗余数据，然后用贝叶斯 4 绪论 正则化的方法对b p 神经网络进行改进。用改进的神经网络以3 0 0 m w 煤粉锅炉热 态多工况运行数据为例对n o x 排放量进行预测，并同综合烟气分析仪相应测量值 进行对比。 ( 3 ) 利用灰色关联度理论对n o ，排放有影响的参数进行定量分析。 根据灰色关联度分析理论，采用局部关联度分析模型，把n o x 排放作为参考 序列，把其他各影响参数作为比较序列，计算了其与参考序列的关联度，并进行 从大到小的排序。参照关联分析结果可以对运行进行调节，从而为降低n o 。排放 提供参考。 ( 4 ) 燃煤锅炉图像测温和n o 。排放量预测系统开发： 为了实现n o 。排放量预测的在线监测，对这两个功能模块，即图像测温和n o x 排放量预测模块进行集成作整体开发，通过v b 6 0 和m a t l a b 7 0 的混合编程来实现。 1 4 本文的技术路线 本文的技术路线见图1 - 2 。 理论准备 豫鬻j 铬 l 捧放规律分析数抛准餐 簟畦江哆赫仪表黼 翟；一i 久焰魁像 - 螭十图像测温i 一 一燃徽j 鬻f f , j 器篷黼 】l 一。 弛腻黼厦： ： 确定一j ： 。一一。一。一一一一一一一一? 一! = 一：? n o x 摊放髓! j 影响 f 参数之f u j 的局部狄 l 9 火些丝一j i 一 鏖盆釜嚣竽- - l 燃蠹：in 嚣蓑籍嘲 一一一一一，主，一一： l j 统唧：攀计| 图1 - 2 技术路线 5 氮氧化物排放鬣影响参数的确定 2 氮氧化物排放量影响参数的确定 锅炉燃烧过程中生成的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 ，通常把这两种氮的氧化 物称为n o 。，其中n o 占9 0 以上。煤燃烧过程中产生大量的氮氧化物，对环境 的污染非常严重。研究n o 。的排放特性，对实现锅炉清洁燃烧是十分重要的。 2 1 燃烧过程中氮氧化物生成机理 对燃煤锅炉n o 。生成机理的研究是正确选择锅炉运行参数的前提。n o 。按其 生成起源和生成途径分类可用图2 1 表示。各种类型n o x 的生成机理和影响因素 有很大差异。 r 热力疆n o 。 l n o x 快速型n o x r 挥发份n o x l 燃料璎n o 。 l 焦炭n o 。 图2 - 1 燃烧过程中生成的n o 、的类型 ( 1 ) 热力型n o 。 热力型n o x 是指燃烧时空气中的n 2 在高温下氧化而生成的氮氧化物，其生成 量占总的氮氧化物的2 0 左右。热力型n o 。的反应机理见2 1 a 和2 1 b ： 2 + d 山加+ ( 2 一l a ) 0 + b n o + o( 2 1 b ) k 是反应速度常数，下标l ，2 分别代表反应方程2 1 a 和2 1 b 的正反应，下标 1 ，2 代表它们的逆反应。n o 反应速度计算公式为： d j n 广o ：向【2 】 d 卜舡。【d 】【】+ k 2 n 0 2 一七： n o l o l ( 2 2 ) 【】表示摩尔浓度。 根据文献 3 3 】上式可以改写为： 【n o 】= 3 x 1 0 。4 x e x p ( - s 4 2 0 0 0 r t ) n 2 1 0 2 2x d t ( 2 - 3 由上述分析可知，温度对热力型的n o 。的生成有决定性的影响。在实际燃烧 火焰中，温度分布是不均匀的，即使火焰的平均温度低，但局部高温处所产生的 大量n o 。，对总的n o 。生成量起着重要的影响。此外，热力型n q 的生成速度随 氡浓度增加而增加只是在过量空气系数小的时候才成立，这是因为浓度过高会使 得燃烧温度下降，从而导致n o 。的生成速率降低。 7 北京交通人学硕十学位论文 r 与一主：x 黼n k 毫婶溉他 8 氮氧化物排放鬣影响参数的确定 幽：l e x p 一( n o 】+ n 】) ( 2 x ) ) ( 2 5 ) x 式中，【n o 、【n 】和x 分别为n o 浓度、挥发分氮浓度以及按【n o 】和 n 】的化 学当量比确定的氧参数。 焦炭n o 的生成： 焦炭中n 的释放情况比较复杂，这与n c 及n h 之间的结合状态有关，即 与煤的组织结构有关。焦炭中的n 是以与焦炭燃尽速度成证比例的速度析出来的， 焦炭中的n 的析出量随焦炭燃尽率的增加而增加，到燃烧终止时，仍将有一部分 燃料n 残留在未燃尽的焦炭中，随灰渣排出。当温度提高时，焦炭燃尽率增加， 因而焦炭析氮量增加。焦炭析氮量增加，表明焦炭n o x 生成量增加。关于焦炭n 氧化成n o 。的机理今年来丌展了很多研究，主要有两种观点：一种是焦炭n 是以 c n 或h c n 形式析出后再氧化成n o x ；另一种是焦炭中的n 通过焦炭表面多相氧 化反应直接生成n o 。 研究表明，焦炭n o 。的生成速率或焦炭中的n 向n o 。的转化率膨，与焦炭 中的n 含量、氧浓度和温度等因素有关，随焦炭中n 含量和氧浓度增加而增加， 但与挥发分相比，其变化不大。当温度升高时，虽然焦炭中的n 向n o ，的转化率 减小，但由于此时焦炭的燃尽率增加，相应的y 值也增大，因而焦炭n o x 是增加 的。 在通常煤粉炉中，燃料型n o 。主要来自于挥发分，挥发分生成的n o x 占燃料 型n o 。的6 0 - - - 8 0 ，由焦炭n 所生成的n o 。占到2 0 - - - - 4 0 。影响燃料型n o x 转化率的因素包括煤质与运行参数两方面的因素。煤质因素包括：燃料中氮的含 量、固定碳与挥发分的含量之比以及煤的挥发分f 3 4 。5 1 。运行因素包括：过量空气 系数和温度的影响。 2 2 锅炉主要运行参数对n o x 排放的影响及参数确定 由于各方面条件的限制，不能通过实验方法得出各主要运行参数对n o 。排放 的影响。值得注意的是很多高校在方面已经丌展了系统而详细的理论计算与试验 研究 3 6 - 3 7 ，虽然大家的试验条件不完全相同，但其影响趋势基本是一致的。下面 通过几组实验，来分析锅炉主要运行参数对n o x 排放量的影响。为了区分不同炉 膛参数对n o 。排放量的影响，在不同环境下分别测了不同参数及其所对应的n o x 排放量。由于n o 。排放量与其影响参数之间的量纲不统一，为了更好的比较它们 的变化趋势，所以在比较之前先进行了数据的标准化，采用的方法是标准差标准 化。 9 l t 京交通人学碗十学位论文 ( 1 ) 负荷的影响 选择了8 个工况的平均负荷数据及其对应的n n 排放盘的数据，根掘其做折 线图。如图2 - 3 。可以看出，随着平均负荷的变化，n o , 排放量也有相应的变化， 并且两者变化趋势相同。 一 。十目n c _ v ) 一n o x 捧虽f m g 3 ) 日 - j 、 d 至0 5 4 + ， 一 0 一， n 。 l2345678 05 t 况 1 笙f2 4 平均负荷与对应的n o i 排放蜮的关系 ( 2 ) 炉膛温度的影响 同样选择了8 个工况的某一高度的平均温度和其对应的n q 排放量的数据， 做折现图，如图2 - 4 。从图中可以看出，炉膛温度与n o 。排放量也存在相同的变化 趋势这说明，炉膛温度是影响n n 排放量捧放的因素之一。 一 p f 目m t r ) l _ h o ，”i ( g 3 ) “ = ；1 z， 。一| ，癸藕 f _ l23r i5678 0 。 i 况 脚2 4 某一高度的平均温度与对应的n o i 摊放帑的戈系 ( 3 ) 一次m 量的影响 选择8 组一次风量和其对应的n o x 排放量的数据做折线圈，如图2 - 5 所 示。同样，一次m 量与n q 排放量之问存在着十h 同的变化趋势。这说明，一次 m 的环境也会影响n o 。排放量的排放。 氟氧化物捧放量影响参数的确定 曩 i 况 图2 0 一次风量与对应的n o x 捧放颦的关系 ( 4 ) 二次风温的影响 选择8 组二次风温和其对应的n o i 排放量的数据，做折线图，如图2 - 6 所 示。二次m 温与n o 。捧放量之间存在着相同的变化趋势。这说明，二次j 扎的环 境也会影响n 吼捧放量的排放。 ：釜麟。二二： 。一i 4 5 _ 。_ 嵋工 8 工况 图2 - 二次风温与对应的n o x 捧放量的哭系 ( 5 ) 烟气含氧量的影响 选择8 组烟气含氧量及其对应的n o ：排放量的数据，做折线圈，如图2 7 所 示。烟气含氧量与n 仉捧放量之问存在着不同的变化趋势。从图中可以看出，他 们的变化趋势基本上是相反的。这说明，燃烧后的烟气环境也会影响n 0 x 排放量 的排放。 = 一 1 i_0 n 0 囊量鲻一 北京交通人学硕十学位论文 f 2 3 5 e 7 8 一尹一一7 、i 一：，一一“一 ? 、y 。 丁况 厶7 划气舍氧量与对应的n o x 捧放鼙的关系 ( 6 ) 煤质分析 选择两种煤质含氮量的8 组数据及其对应的n q 捧放量的数据，做折线图 如图2 - 8 所示。由于煤种有限，所以折现没有非常理想的趋势。但是，还是可以看 出，n 含量与n o ；排放量基本有着相同的变化趋势。所以，煤质也会影响n o ；的 排放量。 ( ) 5 张 量 l 1 1 。一一1 一n a r n o x 排放量( m g m 3 1234 56 7 8 图2 4 煤质n 含量与对戍i i ；= i k 捧放置的关系 2 3 影响n o 。排放的参数确定 根据以上分析，1 4 知温度、负荷、排烟情况、燃料中氮的古量、一二次m 的 环境等对n o x 生常量有比较大的影响，结合电厂的数据可得性及其他人的研究， 本文拟选取平均负荷、一二次风温及m 量、排烟温度、烟气龠氧量、不同高度的 炉膛的最高和平均温度( 2 5 m ，3 2 m ，4 0 m 处) 、煤质共2 1 个参数作为预测n o 。 排放量的参数。 其中，由于炉膛温度比较重要，而热电偶等传统测温法不能满足场测量的要 氮氧化物排放肇影响参数的确定 求，所以用图像测温法进行了炉膛温度的测量，具体过程见第3 章。 2 4 本章小结 对污染物生成机理和排放规律的深入研究是进行正确的燃烧诊断和指导运行 实践的前提。本章介绍了n o x 的生成机理和排放规律，对影响电站锅炉n o x 主要 运行参数进行了研究，结论如下： ( 1 ) 各种不同的因素对n o 。生成量的影响如下：随着炉膛温度、平均负荷、 一次风量、二次风温和煤中n 的升高而略有增大；随着过量空气系数的增加而略 有增加。 ( 2 ) 煤粉高温燃烧时对n o x 生成量有明显影响的因素有：温度、烟气含氧量、 燃料中氮的含量、二次风风温等。取平均负荷、一二次风温及风量、排烟温度、 烟气含氧量、不同高度的炉膛的最高和平均温度( 2 5 m ，3 2 m ，4 0 m 处) 、煤质共 2 1 个参数作为预测n o 。排放量的参数。 ( 3 ) 由于炉膛温度比较重要，所以本文采用了基于图像测温法的方法确定炉 膛温度。 1 3 基丁图像测温法的炉膛温度的计算 3 基于图像测温法的炉膛温度的计算 通过上面分析和其他人的大量研究成果【3 8 】表明，锅炉燃烧过程中所生成的 n o 。与很多因素有关，其中炉膛温度高低是主要因素之一；炉温分布的均匀性也 会对n o 。的生成有影响。在炉内实际温度分布不均匀的情况下，局部高温会导致 大量n o 。的生成，其对n o 。总量起决定性的作用。所以有必要获取准确的炉膛温 度。 由于传统的热电偶等直接测温方法不能满足场测量的要求，另外煤粉炉现场 恶劣的工作坏境限制了这些精密测量仪器在现场的实施，所以本文通过火焰图像 处理技术获取炉膛温度场，并作为预测n o 。排放的重要参数之一。 3 1 图像获取 炉膛燃烧火焰的图像通过火焰测量系统来获取。可视化火焰测量系统主要由 光学系统、c c d 摄像机和计算机处理系统构成，如图3 1 所示。 ，一r = ：一i ：二：二二二：j ：二二j j 叫工业电视 r 一 1 一一1 【l j m u u l 炉膛火焰_ 一光学系统| _ i c c d 工业相机卜 ：二：二i 二二一 。一一一一i j ：- - ：二三，三二= 二- j i jl 叫图像采集卡j i 一一j 广一、= 。丫一：_ 厂一 一t l 风冷系统ll 计算机 “。一 l 一一j 图3 1 火焰测量系统主要结构简图 鉴于图像采集部分是本课题的组成部分，但不是本文的重点，所以不做详细 介绍，只对系统最主要部件c c d 工业相机的功能做简要介绍。 c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 的突出特点是以电荷作为信号， 而不同于其他的大多数器件是以电流或者电压为信号。本课题c c d 相机选用 o ks c l 3 1 0 高分辨彩色数字相机，本相机内置集成了图像采集卡。图像采集卡将 将摄像机输出的模拟图像信号进行等时间间隔采样，并把每个采样点的模拟灰度 值转换成数字信号，然后按顺序存入存储器中得到数字化图像。 3 2 图像预处理 炉膛火焰燃烧测量的目的是要获取火焰温度及其分布、燃烧的稳定性及其它 燃烧时的参数。因此，这就要求我们根据获取的火焰图像，经过各种处理，得到 1 5 北京交通人学硕十学位论文 想要的信息。由于火焰图像量测过程中各种因素如炉膛飞狄等的影响，需要对图 像进行预处理。分析图像预处理技术，发现一般图像预处理包括火焰图像归一化、 图像增强、图像消噪和边缘检测等f 3 9 1 。 ( 1 ) 图像的归一化 由于采集到的图像对比度可能比较差，而且亮度也可能存在着不均匀的状况， 所以某些特定目的的图像处理要进行图像归一化【 l 。此操作是针对图像的每个像 素进行的，目的是降低图像脊线和谷线问的扶度偏差，使图像中纹线灰度均值和 方差接近某个给定的期望均值和方差，使后续处理具有同基准f 】。这里采用标 准差归一化的方法。设一幅图像的行列数为m 和n ，某点的原始像素值为p ( i j ) 。则 其归一化的过程为先求得整幅图的平均值m 和此像素点的标准差v ： m = 宰) 幸z e r o ，_ ，) ( 3 - 1 ) y = 木) e e ( e ( i ，) 一肘) ( 3 _ 2 ) 归一化后的值为【9 】： 儿卜一州一 3 ， 卜一型掣胞胯m 经过图像的归一化后，就然后进行图像增强。 ( 2 ) 图像增强 图像增强是根据图像的模糊情况采用各种特殊的技术突出图像中的某些信 息，削弱或消除无关信息达到增强图像的整体或局部特征的目的】，以达到提高 边缘检测或图像分割，突出图像特征的目的，便于计算机更有效地对图像进行识 别和分析。 首先以灰度图像增强来说明其原理：设原始图像在( x ，y ) 处的灰度为g ( x ， y ) ，对其经过一个函数变换，而增强后的灰度为g ( x ，y ) ，则对图像的增强可 表述为用将在( x ，y ) 处的狄度g ( x ，y ) 映射为g + ( x ，y ) ： a ( x ，y ) 山g ( x ，y ) ( 3 - 4 ) 图像增强图像增强的方法有两大类：一类是空域法，此方法是直接处理图像 中的像素；另一类是频域法，将图像看成波，利用信号处理手段对波进行处理【1 2 】。 前者般是修改直方图，常用的是直方图均衡化、直方图修j 下、直方图线性变换 等。次度图像增强就是采用直方图修改方法来进行。空域方法是对整个图像做整 体变换。而频域法更关心图像的局部信息，由于局部温度对n o ，排放有比较大