改進(jìn)的火電廠鍋爐溫度場(chǎng)重建測(cè)溫算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種改進(jìn)的火電廠鍋爐溫度場(chǎng)重建測(cè)溫算法，屬于火電廠聲學(xué)測(cè)溫領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大型火力發(fā)電廠的燃煤鍋爐中，溫度場(chǎng)的分布是反映燃燒過(guò)程和設(shè)備狀態(tài)的重 要參數(shù)之一，不僅對(duì)于鍋爐控制和燃燒診斷具有十分重要的意義，還直接影響到煤粉的著 火、燃盡W及鍋爐的經(jīng)濟(jì)性和安全性，同時(shí)影響到污染物的排放量。爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布能反 映爐內(nèi)燃燒運(yùn)行情況，為運(yùn)行人員的操作提供可靠依據(jù)，并為熱工控制的自動(dòng)化裝置提供 爐內(nèi)溫度信號(hào)。如果能準(zhǔn)確還原爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布，就可W及時(shí)判斷爐內(nèi)火焰的燃燒情況， 并進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，實(shí)現(xiàn)燃燒的優(yōu)化。然而，由于工業(yè)燃燒過(guò)程自身具有瞬態(tài)變化、隨機(jī)端 流、環(huán)境惡劣等特征，給有關(guān)熱物理量場(chǎng)參數(shù)的在線測(cè)量帶來(lái)了困難，特別是溫度分布的測(cè) 量更加困難，該樣導(dǎo)致燃燒調(diào)整沒(méi)有可靠的依據(jù)，燃燒最優(yōu)化運(yùn)行無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
[0003] 聲學(xué)測(cè)溫法作為一種基于聲波理論的鍋爐燃燒在線監(jiān)測(cè)的新型溫度測(cè)量技術(shù)，不 受外部條件的影響，適應(yīng)各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境，能夠給出整個(gè)爐膛溫度場(chǎng)的各 部分準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，能夠?qū)t膛溫度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。聲學(xué)測(cè)溫法表面為對(duì)溫度的測(cè)量，實(shí)則對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行重建， 在得到聲波在爐膛內(nèi)的飛渡時(shí)間后，調(diào)用相應(yīng)的溫度場(chǎng)重建算法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的"測(cè) 量"。
[0004] 目前典型的溫度場(chǎng)重建算法，例如聲學(xué)CT法，拋物線模型法等，在對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行 重建時(shí)都是將聲波傳播路徑按照直線來(lái)處理，然而在實(shí)際的鍋爐運(yùn)行工況下，受爐內(nèi)非均 勻溫度場(chǎng)的影響，聲波傳播路徑將發(fā)生彎曲，稱為溫度場(chǎng)的彎曲效應(yīng)。如果溫度場(chǎng)重建時(shí)仍 然按照直線進(jìn)行處理，勢(shì)必會(huì)降低溫度場(chǎng)重建的精度，溫度場(chǎng)測(cè)量的不準(zhǔn)確直接影響到運(yùn) 行人員的操作，進(jìn)而影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn) 的溫度場(chǎng)重建測(cè)溫算法，針對(duì)爐膛內(nèi)部測(cè)溫困難，現(xiàn)有的根據(jù)聲學(xué)溫度場(chǎng)重建算法計(jì)算測(cè) 溫結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題，進(jìn)一步提高溫度場(chǎng)重建的精度，從而測(cè)量得到更為準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分 布。
[0006] 技術(shù)方案；為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為改進(jìn)的火電廠鍋爐溫 度場(chǎng)重建測(cè)溫算法，包括W下步驟：
[0007] 1)根據(jù)聲波在非均勻溫度場(chǎng)內(nèi)的傳播特性，利用泛函的極值問(wèn)題和捷線問(wèn)題，在 化rmat原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出聲波在爐膛內(nèi)非均勻溫度場(chǎng)中聲波傳播路徑的常微分方程數(shù) 學(xué)模型；
[000引 2)利用打祀法求解常微分方程，將所述聲波傳播路徑數(shù)學(xué)模型的非線性兩點(diǎn)邊值 問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的初值問(wèn)題，并通過(guò)設(shè)置不同的初值w迭代的方式來(lái)逼近，數(shù)值計(jì)算出聲 波傳播路徑的數(shù)值解；
[0009] 扣在對(duì)聲波傳播路徑修正的基礎(chǔ)上，調(diào)用聲學(xué)CT算法，并將原算法中將聲波傳播 路徑按照直線處理的方式進(jìn)行改進(jìn)，引入實(shí)際的受非均勻溫度場(chǎng)影響產(chǎn)生彎曲的聲波傳播 路徑，進(jìn)行溫度場(chǎng)重建；
[0010] 4)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的裁剪算法，計(jì)算實(shí)際的聲波彎曲路徑在各個(gè)劃分網(wǎng)格內(nèi) 的路徑長(zhǎng)度，用于改進(jìn)后的溫度場(chǎng)重建；
[0011] 5)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的理論計(jì)算或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際測(cè)量得到的聲波飛渡時(shí)間的估 計(jì)值，調(diào)用所述改進(jìn)后的溫度場(chǎng)重建算法，基于修正后的聲波傳播路徑，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行重 建。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟1)根據(jù)聲波在非均勻溫度場(chǎng)內(nèi)的傳播特性，利用泛函的極值 問(wèn)題和捷線問(wèn)題，在化rmat原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出聲波在爐膛內(nèi)非均勻溫度場(chǎng)中聲波傳播 路徑的常微分方程數(shù)學(xué)模型具體為：
[0013] 捷線問(wèn)題可W表示為
[0014]
(18)
[001引式中，（a,a)和化，0 )分別為捷線的起始點(diǎn)位置，y代表所研究捷線，X為對(duì)應(yīng)橫 坐標(biāo)；
[0016] 爐膛內(nèi)聲波的傳播路徑可W表示為：
[0017] y=y(x) (19)
[0018] 沿著該條傳播路徑的長(zhǎng)度微分可W表示為：
[0019]
(20)
[0020] 又已知聲波傳播速度與介質(zhì)溫度的關(guān)系為
[0021]
(21)
[0022] 式中，V代表聲波的傳播速度；丫為氣體介質(zhì)定壓比熱容與定容比熱容的比值；R 為摩爾氣體常數(shù);m為氣體摩爾質(zhì)量；T代表氣體絕對(duì)溫度；Z為常數(shù)，只與上述介質(zhì)特性有 關(guān)；
[0023] 那么聲波從發(fā)射點(diǎn)位置（XI，yl)到接收點(diǎn)位置（x2,y2)傳播所需要的時(shí)間為：
[0024]
(22)
[0025] 根據(jù)化rmat原理可知，聲波從發(fā)射點(diǎn)位置出發(fā)到達(dá)接收點(diǎn)位置一定按照聲波 傳播時(shí)間最短的路徑進(jìn)行傳播，那么式巧）的變分為0,即5t= 0,根據(jù)化ler方程
可w推導(dǎo)出如下的方程：
[0026]
(23)
[0027] 常微分方程（6)就是聲波傳播路徑的數(shù)學(xué)模型，其邊界條件分別為：
[002引
（24)
[0029] 即已知發(fā)射點(diǎn)（XI，yl)和接收點(diǎn)位置（x2,y2)，或者已知發(fā)射點(diǎn)（XI，yl)的位置及 其出射方向，就可W通過(guò)求解常微分方程的邊界值問(wèn)題得到聲波的實(shí)際傳播路徑。
[0030] 進(jìn)一步地，所述步驟2)利用打祀法求解常微分方程，將聲波傳播路徑數(shù)學(xué)模型的 非線性兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一般的初值問(wèn)題，并通過(guò)設(shè)置不同的初值W迭代的方式來(lái)逼 近，數(shù)值計(jì)算出聲波傳播路徑的數(shù)值解具體為：
[0031]設(shè)
[003引y'(xi) =t0偵）
[0033] 該時(shí)微分方程的邊界條件變?yōu)?br>[0034]
(26)
[0035] 式中xl為起始點(diǎn)橫坐標(biāo)，yl為對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)，y'為對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)，用to表 示；
[0036] 利用打祀法將上述非線性的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為下面方程的初值問(wèn)題
[0037]
(27)
[003引求解時(shí)，先要根據(jù)精度要求選擇一個(gè)步長(zhǎng)h，求出各節(jié)點(diǎn)處的近似值，如果出射率 適當(dāng)，則有y(x2, to)=y2;如果得到y(tǒng)(x2, t0)〉y2,另設(shè)一個(gè)小于to的值tl，重新求解；如 果得到y(tǒng)(x2, tl)<y2,下次應(yīng)該在to和tl之間取值，可W采用線性插值
[0039]
(28)
[0040] W此形式迭代下去最終使得
[0041] limy (又2, tk) = Y2(29)
[0042] 實(shí)際應(yīng)用中只需滿足
[0043] I}^(又2,tk)-y21 <e(30)
[0044] 時(shí)，停止迭代。
[0045] 進(jìn)一步地，所述步驟3)在對(duì)聲波傳播路徑修正的基礎(chǔ)上，調(diào)用聲學(xué)CT算法，并將 原算法中將聲波傳播路徑按照直線處理的方式進(jìn)行改進(jìn)，引入實(shí)際的受非均勻溫度場(chǎng)影響 產(chǎn)生彎曲的聲波傳播路徑，進(jìn)行溫度場(chǎng)重建，具體為：
[0046] 如果聲波傳播路徑上的溫度是不均勻的，可W將路徑沿傳播方向分成若干段，各 段路徑的長(zhǎng)度為li(i= 1，2, ? ? ?，n)。每一段的平均溫度為Ti，聲波傳播時(shí)間為Ti; 對(duì)于二維橫截面溫度分布的測(cè)量，需要將平面按網(wǎng)格劃分為n個(gè)單元，各個(gè)單元中氣體的 平均溫度分別為Ti(i= 1，2, ? ?，，n);為求解Ti，需要布置多個(gè)聲波發(fā)射和接收裝置，設(shè) 它們一共形成了m條聲波傳播路徑。對(duì)于其中的第j條傳播路徑（j=l，2, ? ? ?，m)，有 如下的方程：
[0047]
(31)
[0048] 式中Tj為聲波沿第j條路徑的傳播時(shí)間，a'j,= 1' j.i為實(shí)際的第j 條聲波彎曲路徑穿過(guò)第i個(gè)單元網(wǎng)格的長(zhǎng)度，同樣，X, =l/^ .a'j,為待測(cè)量，表示網(wǎng)格內(nèi) 的溫度函數(shù)特性；寫成矩陣形式，得到線性方程組：
[0化1] 由最小二乘法求解可W求得變量X，該樣便求出了聲波在每個(gè)劃分網(wǎng)格內(nèi)傳播速 度的倒數(shù)，利用速度和溫度的關(guān)系式，可W重建溫度場(chǎng)：
[0化2]
(33)。
[0053] 進(jìn)一步地，所述步驟4)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的裁剪算法