煤粉炉内三维温度场及颗粒辐射特性重建.pdf

华中科技大学 博士学位论文 煤粉炉内三维温度场及颗粒辐射特性重建 姓名：娄春 申请学位级别：博士 专业：热能工程 指导教师：周怀春 20070123 I 摘 要 煤炭在一段时间内仍然是我国的主要能源，提高煤炭在大型电站煤粉燃烧锅炉中 的利用效率是煤燃烧科学研究的重要方向之一在大型电站煤粉炉内，辐射换热是最 主要的传热方式，而炉内的三维温度分布和煤粉燃烧颗粒的辐射特性对于炉内辐射传 热过程具有举足轻重的作用实现大型电站煤粉炉内三维温度场及颗粒辐射特性的检 测，对于揭示燃烧现象的本质和燃烧理论的发展，以及提高大型锅炉炉膛运行的安全 性、经济性和低污染性都具有非常重大的现实意义但由于大型电站锅炉内的煤粉燃 烧火焰具有大尺寸、高温度、强脉动、非透明等特点，采用常用的热电偶、高温计、 声学法、基于激光的光学法等都难以实现炉内三维温度场及辐射参数的检测本文在 火焰辐射成像的基础上，用火焰图像处理与辐射传递的逆求解相结合的方法来实现炉 内三维温度场和颗粒辐射参数的重建具体工作如下： 由于工业炉膛的大尺寸以及煤粉炉内介质的消光作用， 火焰的光学厚度对从火 焰图像中重建炉膛内三维温度场具有重要的影响。

本文对一台 10m10m20m 的 大型炉膛，针对不同的光学厚度，考虑测量误差、介质辐射特性、壁面辐射温度的 影响，进行了炉内三维温度场重建的模拟分析研究结果表明：在考虑实际测量条 件的情况下，在光学厚度在 1~15 范围之内，Tikhonov 正则化方法应用于大型煤粉 炉内三维温度场重建的结果仍然较好， 证明这种方法具有较强的抗误差能力和再现 炉内三维温度分布的能力 炉内温度和辐射特性参数共同影响火焰辐射图像，具有强烈的耦合特性由于 辐射温度图像是从两幅单色辐射强度图像的比值计算而来， 它与介质辐射特性相关 性较弱，而辐射强度图像与介质辐射特性是强相关，因此，本文提出了一种解耦重 建算法：用 Tikhonov 正则化方法从辐射温度图像中重建介质温度分布，而用最优 化方法从辐射强度图像中更新介质辐射参数，两者交替进行，直到收敛，以此实现 温度与介质辐射特性的解耦重建通过在一维平行平板系统、二维矩形系统中开展 的模拟研究，表明该方法具有鲁棒性，温度和辐射特性参数同时重建效果得到明显 改善 在将煤粉燃烧火焰视为灰体的情况下，通过黑体炉标定，从可见光火焰图像探 测器所得到的彩色火焰图像中计算出电站锅炉中煤粉燃烧火焰的黑度，并在 300MW 机组和 200MW 机组煤粉锅炉上投入监测。

检测结果表明：在可见光 II 谱区域， 煤质不变时煤粉燃烧火焰的黑度随负荷的增加而增加； 在炉膛燃烧器区域， 对于两种发热量相同的煤，高挥发分、低含碳量的入炉煤产生的火焰黑度高于低挥 发分、高含碳量入炉煤所产生的火焰黑度，证明燃烧器区域的火焰黑度主要与挥发 分燃烧产生的烟黑浓度有关；在燃烧器之上的炉膛区域，火焰黑度主要与入炉煤含 碳量有关，入炉煤中含碳量较高时，则其燃烧火焰的黑度也较高，而且随着燃尽度 的增加而减小 本文开发了一套电站锅炉炉内三维温度场监测系统，分别在 1025t/h 和 670t/h 电站煤粉燃烧锅炉上开展了炉膛断面温度场、三维温度场监测的实验研 究炉内三维温度分布的检测结果与热电偶测温结果相比，误差在 5%之内，满足 工业应用的需要；炉内三维温度场的刷新时间在 3s 之内，满足监测的需要 在一台 200MW 机组锅炉上的应用结果表明：炉内三维温度场的检测结果与机组负 荷、主汽压力具有较好的相关性，可以准确的反应炉内的燃烧工况；该系统还可以 帮助锅炉运行人员分析炉膛灭火事故，并与 FSSS 系统相结合提出全炉膛灭火预警 信号，有效的减少了因燃烧不稳导致的炉膛灭火事故。

最后， 本文开展了大型电站煤粉炉内煤粉燃烧颗粒辐射特性的模拟计算和实地 测量研究通过对炉内颗粒轨迹的模拟计算了 670t/h 锅炉中颗粒的辐射特性分布， 此外将本文提出的解耦重建算法应用到电站锅炉内煤粉燃烧火焰温度与颗粒辐射 特性的同时重建中先在一台 300MW 机组煤粉炉上开展了实验研究，给出了三种 负荷工况下颗粒辐射特性的检测结果；随后在一台 200MW 机组煤粉炉上测量了炉 膛三个典型断面的温度分布和颗粒吸收系数、散射系数，同时在相应位置采集了燃 烧火焰中的颗粒物， 在实验室中测量了颗粒的含碳量， 对检测结果的综合分析表明： 炉内颗粒辐射特性主要与颗粒含碳量、浓度分布成正比 关键词： 煤粉炉 三维温度场 辐射特性 图像处理 逆问题 同时重建 III ABSTRACT Coal is still the main energy sources in China for a long period. It is one of the most important research directions to increase the utilization efficiency of coal in large- scale pulverzied- coal- fired boilers of power plants. In large- scale pulverzied- coal- fired boilers, thermal radiation is the predominant mode of heat transfer. The three- dimensional (3- D) temperature distributions and radiative properties of particulate medium are very important to the processes of radiative heat transfer. The measurement of 3- D temperature and radiative properties is essential for the development of combustion theory and technology and the increase of security, economic operation, and low- pollutant emission of boilers. However, because of the large- scale, high temperature, strong pulse, and opacity of pulverized- coal- fired flame in furnaces, the most widely applied methods such as thermocouples, high temperature pyrometers, acoustic method, and measurement techniques based on laser are hardly used in measurement of 3- D temperature distributions and radiative properties in furnaces. Based on radiative imaging models, this dissertation used image processing techniques and inverse of radiative transfer to reconstruct of 3- D temperature and radiative properties. The detailed description is as below. Because of large scale and extinction from medium in industrial furnaces, when 3- D temperature distributions are reconstructed from flame images, the optical length of furnace is a very important factor. The 3- D temperature distributions in a 10m10m20m furnace were reconstructed under different optical lengths in this dissertation. The effects from measurement errors, radiative properties of medium, and radiation from walls were considered in the reconstruction. The results showed that 3- D temperature distribution can be reconstructed correctly by Tikhonov regularization method when the optical length of the furnace is between 1 and 15. It proved Tikhonov regularization method is reliable. Flame radiative images are determined by both temperature in furnace and radiative properties of medium, which is very coupling. However, because of radiative temperature image was calculated from ratio of two monochromatic intensity images, it is more related with temperature in system than radiative properties of medium, while radiative intensity image is more related with radiative properties of medium. So, a decoupled reconstruction IV method was proposed by the dissertation. The temperatuer distirbution in systems can be reconstructed by the Tikhonov regularization method, while the radiative properties were updated by optimation methods. Thses two steps are taken alternately till a convergence is reached. Temperature and radiative properties of medium can be reconstructed simultaneousely by the decoupled reconstruction method. It can be seen that the decoupled reconstruction method was robust and the reconstructed results were improved significantly from the simulation reconstruction i。