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[硕士论文] 吴静静
电子与通信工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:燃烧诊断中,测量参数主要包括燃烧温度和气体产物的浓度。对高温燃烧环境中这两个参数的测量研究具有重要的意义。目前,激光光谱法作为先进的测量技术,能够实现快速、非接触,多组分多参量同时测量。
  本文采用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术对燃烧环境的温度测量进行研究。对气体分子吸收光谱理论和测温方法、谱线对选取、设计系统并实验进行四位一体的研究。为验证TDLAS理论测温的可行性及工程化应用提供有力支持。
  测温理论方面,介绍气体吸收谱线的线强度和线型等相关理论。详细分析TDLAS技术测温的不同方法,并给出对应的温度反演算法。研究直接吸收和波长调制方法测温模型,对比两种方法优缺点,确定采用波长调制法来测量二次谐波信号反演温度值。
  特征谱线对选取方面,利用程序软件提取光谱参数数据,设计详细的吸收谱线对选择方案,确定燃烧场温度检测中可采用多分子谱线对的方法进行温度测量。进行吸收线型模拟,选出H2O水分子和CO2气体分子对应的谱线对。通过数据模拟,分析所选谱线对的测温上限和灵敏度。
  系统构建设计方面,结合谱线对的选择结果及系统分析,选取符合的器件型号,并对激光器和探测器等主要仪器进行参数分析及性能测试。通过调制测试实验,选定适合的调制参数。
  初步实验论证方面,通过设计以CO2分子为目标分子对燃烧炉的环境温度进行测量实验,并提出用实验标定的方式计算双谱线测温算法中的调制系数值。通过与K型热电偶测温结果对比,总结和分析测温过程的不确定性因素,初步验证TDLAS技术测温的可行性。
[硕士论文] 王永
动力工程及工程热物理;制冷及低温工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:低温技术的应用非常广泛,从人们的日常生活到工农业生产过程,从医疗技术到科学研究,都离不开低温技术。低温温度测量是低温技术研究的重要保障,低温温度测量时,各种漏热如固体传导热、辐射传热及残余气体的导热等会导致温度传感器所测的温度与被测介质的实际温度间存在一定的温差,温度参数的不准确使得无法正确判断低温流体的实际状态、低温系统的工作性能等,因此分析低温测量过程中影响测温效率的因素,获得精确的温度参数对低温系统的研究意义重大。
  本文对在低温流体管路输送系统中采用铂电阻温度传感器进行温度测量过程中的传热模型进行了研究,分析了不同因素对温度测量的影响。研究内容如下:
  (1)建立发泡绝热和真空绝热低温管道下采用贴壁式和插入式铂电阻温度传感器的测温稳态传热过程的数学模型,运用了热阻网络分析各部分热阻对于测温精度的影响。定量分析了不同热阻下测量温度与流体真实温度之间的偏差关系,结果表明:贴壁式和插入式铂电阻传感器所测点的温度均与流体温度存在误差,不同的热阻项会导致传感器测量温度具有不同的变化趋势以及温差,温差在0.1K至10K量级范围内变化。
  (2)针对低温流体输送过程中温度非稳态变化过程,本文对两种测温模型建立了非稳态传热数学模型,定量分析了不同热环境以及传感器结构尺寸对非稳态测温的影响,研究表明:漏热以及传感器的结构导致传感器的响应时间延长了几十秒至几百秒不等。
  (3)以水平低温流体输送管道为研究对象,进行实验和理论的比较,管道为充注液氮流体的预冷工况,通过PT100对不同测点测量的温度变化曲线和模拟计算进行对比分析,结果表明:当液氮以410.5Kg/h质量流量充注直径DN100管道时,T1测点温降曲线的流体状态变化的分界点温度大约为-112℃,在这点之前,管内流体以单相气态或者气液两相态流过PT100传感器,此后则以单相液态流过;T2测点流体状态变化的分界点温度大约为-139℃,最终管道末端上方和底部的温度分别为-160.49℃、-194.64℃,管道末端处达到了气液分层流状态。当液氮以615.8Kg/h流量充注管道时,T1测点流体状态变化分界点温度约为-129℃;最终稳定时末端上方和底部的温度分别为-190.05℃、-195.45℃,说明管道内流体基本以液相状态存在。
  (4)分析了影响低温流体输送过程中静态和动态温度测量精度的因素,针对不同的影响因素提出消除或减小测量误差的措施,对工程应用具有指导意义。
[博士论文] 项飞鹏
热能工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:煤是我国的主要一次能源。随着经济发展,能源需求将逐步增大,大规模开发利用以褐煤为代表的低阶煤势在必行。但是低阶煤普遍存在着高水分、低热值的缺点,需要采取预处理措施来脱除水分提高煤炭品质。水热处理是一种有效的非蒸发脱水技术,脱除的水分为液态无需汽化潜热,因而整体效率较高。水热处理会使煤的理化性质发生一定改变。痕量元素汞、砷、硒是挥发性较强的元素,在燃烧烟气段不易捕捉收集,对环境的危害性较大,引起了研究人员的极大重视。水热技术在脱除煤中水分的同时,也存在脱除煤中痕量元素的潜力。因此本文在研究水热技术对煤质影响的同时,对水热过程脱除痕量元素汞、砷、硒的能力展开探索。
  本研究采用煤种为三种产自内蒙的褐煤。探究水热技术对褐煤基本物理化学特性的影响,包括煤的工业元素分析,孔隙变化,红外光谱图变化,热解特性变化等。由工业元素分析可知,水热提质后的煤水分含量降低,挥发分减少,热值上升,煤阶升高;孔隙结构变化上,由于水分减少原含水孔隙结构发生萎缩,比表面积、孔径和孔容等表征参数经过水热提质后都出现了减小,但随着水热温度提升,这些表征参数又出现了上升趋势,这与煤中挥发分析出促使产生新孔有关;从红外光谱图结果上看,水热提质煤的含氧官能团减少,脂肪烃含量下降,芳香烃含量上升,煤的化学组成由低阶褐煤向更高阶的烟煤转变。热解实验结果表明提质煤的热解特性有些许改变,主要表现为热解失重率下降,反应活化能升高。采用逐步提取法和浮沉实验两种方法。通过逐步提取法,将煤中痕量元素的赋存形态分成四种:可交换态、碳酸盐态、硫化物和残余态。根据提取实验结果,这三种煤中宝日煤和伊敏煤的汞元素主要以黄铁矿形式存在,而平庄煤中汞元素则主要是残余态汞(有机态汞和硅酸盐态汞);砷元素主要赋存形式也是黄铁矿,其次是砷酸盐;硒元素在残余态和硫化物态含量中较高。通过浮沉实验,发现不同煤的质量分布趋势并不相同,伊敏煤质量主要集中在<1.3和1.3~1.4密度段,而平庄煤主要集中在1.3~1.4和1.4~1.5区段。另外测量各密度段煤汞/砷/硒的含量表明,各元素在高密度段含量较高,在低密度段含量较低,在>1.8密度段各元素都出现了明显富集,说明各元素都有很大一部分比例与大密度段的无机矿物质相结合。研究了水热过程对各痕量元素的影响。通过对比水热提质前后干基煤中的痕量元素浓度,发现水热作用对各元素都有一定脱除作用,对汞和硒元素脱除效果较好,对砷元素稍差。进一步的质量平衡分析结果显示,300℃时能脱除煤中约31%的汞,约19%的砷,约37%的硒。水热产物中的痕量元素大部分以固态和液态形式存在,气态极其微量。通过对水热产物的逐级提取,发现水热过程主要影响有机结合态痕量元素。XRD结果显示水热作用对煤中主要矿物质影响较小,对微量的复杂矿物质有影响,可能会破坏其结构。通过热解实验和水热实验痕量元素脱除效果对比,发现同温度下热解作用对脱除Hg元素有明显效果,而对As和Se脱除效果较弱,说明热解作用是水热作用影响的一部分因素,对Hg元素热解影响明显,而对As和Se元素影响不是很大。最后对影响机理进行讨论,水热过程对痕量元素的脱除原理体现在热解作用和类亚临界水环境的对部分煤中难溶物质的溶解能力上。于Factsage软件的热力平衡计算,以预测实际热力过程中的痕量元素的分布。主要针对气化和燃烧两个最为常见的热力过程,以它们的主要操作参数----气氛,压力和温度为考察变量,探究这些变量对痕量元素分布的影响。计算结果显示,对气化和燃烧过程,气氛和压力对产物的种类影响较小,只有温度会对其种类产生较大影响。相比气化过程,燃烧过程的产物更为集中,Hg元素主要是Hg单质,As元素主要是As4O6,Se元素主要SeO2。
[硕士论文] 何良瑜
机械工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:太阳能作为一种环保,绿色的可再生能源,世界各国都在对太阳能的开发利用进行积极广泛的研究。然而,太阳能因为其能量密度低,光照随时间有间歇性和位置不断变化而导致收集和利用相对困难。混合型太阳能可以有效提高太阳能利用率,逐渐成为研究的热点。
  本文以混合型聚光太阳能控制系统为研究对象,分析了混合型太阳能的实现原理,完成了太阳能控制系统整体的方案设计,着重对其运动跟踪控制系统进行了研究,主要研究内容如下:
  (1)太阳能控制系统总体方案的研究。通过对混合型太阳能的研究分析,完成了太阳能电能利用和热能利用的方案设计,最后完成太阳能控制系统的整体方案的设计。
  (2)太阳能系统的硬件控制方案的规划。根据完成的整体方案,分析需要实现的控制功能,分别对太阳位置跟踪的运动控制和太阳能发电的充放电控制进行电路方案设计,着重对运动控制电路进行研究,最终设计完成了满足要求的硬件电路。
  (3)太阳位置跟踪运动控制软件方案的设计。根据设计的硬件电路,完成能实现相应功能的软件程序,同时对太阳位置跟踪的实现方法进行研究,设计完成了能满足跟踪要求的软件算法。
  (4)对装配后的设备进行运动控制的实验。分别对自动跟踪的精度和跟踪系统时间间隔进行实验,太阳位置跟踪的精度能够保证自动跟踪时电压值与光照强度最大时,电压值相差不超过0.02v,具有较高的实际应用精度。根据时间间隔实验结果,将每次自动跟踪的时间间隔设置为10分钟,并对跟踪时间间隔机制进行了优化,提高了跟踪算法实际应用的可靠性。
[硕士论文] 亚云启
热能工程 中国矿业大学 2017(学位年度)
摘要:实现炉膛燃烧火焰的有效监测对于保证燃烧设备的正常运行、提高设备的燃烧效率以及减少污染物排放有着非常重要的意义。对燃烧火焰的有效监测的核心是对燃烧火焰温度与辐射特性的精确检测。
  论文利用光谱仪系统和图像探测系统对一台1030MW的燃煤电站锅炉开展了燃烧诊断研究。首先采用了一种基于多项式拟合的光谱分离方法,并通过数值模拟和求解Goodness-of-fit(GFC)系数来验证分离方法地准确性,结果表明该光谱分离方法能够有效的实现光谱分离目的,且信噪比的大小直接影响着该分离方法的准确性。论文接着利用基于双色法的灰体波段判断方法对光谱分离后的连续火焰辐射光谱进行分析,以寻找燃煤火焰的灰体辐射波段,结果表明燃煤火焰在600~900nm范围内符合灰体特性,并证明了利用最小二乘法拟合来计算火焰温度的准确性。由于图像法中所采用的红(R)、绿(G)基色所对应的中心响应波段位于非灰体波段内,因此论文提出利用光谱分析对图像法测温进行修正,并利用数值模拟的方法讨论了发射率之比εG/εR的变化对测温的影响,结果显示εG/εR的值变化20%,温度计算所产生的偏差总体在8%左右,有必要运用光谱分析方法对图像法测温进行修正。论文接着详细分析了燃煤火焰辐射图像的特性,表明火焰辐射图像的亮度与响应波长对应的辐射强度之比 IR/IG、火焰的发射率呈现出正相关关系,而与火焰辐射温度呈现出负相关关系,且燃烧器附近的明亮火焰可能是由从煤粉中所挥发出的挥发性物质分解产生的烟黑云造成。论文最后对该燃煤电站开展详细的诊断研究,表明在最下层和最上层的燃烧器区域相较于中间燃烧器区域温度较低,而在中间燃烧器呈现出近似等温分布,且10个测量点在一段时间内的测量温度波动范围不大。
  为了有效监测垃圾焚烧炉燃烧状况,并指导工作人员有效的调整风量、进料量等来实现燃烧的优化控制,论文利用便携式光纤光谱仪系统对一台锅炉负荷为35t/h垃圾焚烧炉火焰温度和发射率进行检测。首先证明了采用的光谱分离方法对垃圾焚烧炉火焰光谱分离结果的准确性,并利用基于双色法的灰体波段判断方法对光谱分离出的垃圾焚烧火焰的连续光谱进行分析。结果表明在650~900nm波长范围内,垃圾火焰呈现灰体特性分布。接着比较光谱分离前后的灰体波段判断的结果,表明非连续光谱的存在会使此判断方法计算出的温度和发射率分布造成严重失真,检测时需要对火焰辐射光谱进行分离。论文随后研究了碱金属辐射强度、计算温度、发射率三者之间的关系,研究表明碱金属钠(Na)与钾(K)的两个特征辐射强度随时间的变化趋势一致,且火焰温度随时间的变化趋势与碱金属辐射强度随时间的变化趋势非常吻合,但不存在一定的函数对应关系,同时火实现炉膛燃烧火焰的有效监测对于保证燃烧设备的正常运行、提高设备的燃烧效率以及减少污染物排放有着非常重要的意义。对燃烧火焰的有效监测的核心是对燃烧火焰温度与辐射特性的精确检测。
[博士论文] 吴奇
工程热物理 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:燃烧过程是化学反应和物理变化耦合的极其复杂的反应系统,对燃烧过程中的温度、气体组分浓度以及碳烟颗粒浓度等多种关键参数实现准确可靠的在线监测,以及对多种参数空间分布的同时测量与重建,对优化燃烧系统设计、提高能量利用效率等有着重要的现实意义。此外,对燃烧过程中的多种关键参数实现同时在线监测,对理解燃烧过程中的碳烟等污染物的生成机理也有着非常重要的帮助。在此背景之下,本文开展了火焰中气固两相多种参数同时测量以及燃烧场中多种参数空间分布重建的研究,并且将新型的多参数同时测量方法应用碳烟颗粒生成的相关化学反应机理研究中。
  本研究主要内容包括:⑴对研究过程中的分子吸收光谱技术的基本原理及各重要参数进行了详细阐述。对基于吸收光谱技术的不同测量方法的特点及其适用范围进行了讨论,包括扫描波长直接吸收测量方法、固定波长直接吸收测量方法以及波长调制测量方法等。此外,还详细介绍了用于固体颗粒测量的Mie散射理论及其近似求解方法Rayleigh散射理论。⑵研究了对高温环境下多种气体的温度和浓度的同时测量。选择位于4996cm-1附近的CO2吸收谱线作为本实验研究过程中高温下CO2温度和浓度同时测量的目标谱线对。对吸收池内不同温度工况(873 K~1273 K)下不同CO2浓度(4%~10%)的CO2/N2混合气体的温度以及CO2浓度的进行了同时在线测量,温度值与设定温度值相比,平均偏差为2.07%,峰值偏差为3.49%;测量得到CO2气体浓度值与配比浓度值相比,平均偏差为2.25%,峰值偏差为4.75%。同时在实验室对不同燃烧工况下的乙烯/空气预混火焰中的CO2浓度、温度以及H2O浓度进行了实验测量,得到的温度结果与热电偶测量结果十分接近,两者平均偏差为0.6%,峰值偏差为3.9%;测量得到的CO2和H2O度值与理论计算值吻合良好。测量结果表明该波长位置处的CO2吸收谱线非常适用于高温环境下浓度和温度的同时测量。⑶提出了在同时考虑气体吸收作用、碳烟颗粒吸收作用以及火焰自身辐射的情况下,采用单台可调谐半导体激光器同时测量并分离气体吸收系数和碳烟颗粒吸收系数的新方法,并且详细介绍了理论推导和计算过程。对不同预混气体流速和不同燃烧当量比工况下的乙烯/空气预混平面火焰中不同高度位置处的碳烟颗粒浓度、温度以及 H2O浓度实现了同时在线监测。温度测量结果与热电偶测量结果之间平均偏差小于3%,峰值偏差小于5%。碳烟颗粒浓度测量结果与其他研究学者的测量结果相吻合。H2O浓度测量的结果与理论计算结果相比,平均偏差为5%,峰值偏差小于10%。⑷在实验室内搭建了扩散火焰燃烧试验台,利用自行设计并加工制造的改进型Wolfhard-Parker燃烧器,产生了稳定燃烧的矩形乙烯/空气扩散火焰。基于本文提出的火焰中气固两相多参数同时在线监测的新方法,采用三台中心工作波长分别位于1398.3 nm、2001.6 nm以及2302 nm处的可调谐半导体激光器,对扩散火焰中温度、碳烟浓度、H2O浓度、CO浓度以及CO2浓度进行了同时测量。分析和讨论了H2O和CO2对火焰中碳烟生成的影响。得出了H2O和CO2能够抑制火焰中碳烟的生成,且抑制作用主要是由于H2O和CO2的存在导致了火焰中OH浓度的升高,从而抑制了碳烟气态前驱物PAHs的生成这一重要结论。实验测量结果和得出的结论与其他研究学者基于化学反应动力学提出的数值模拟计算结果相吻合,为碳烟生成机理的相关研究提供了实验数据支撑。⑸将火焰中多参数同时测量技术与层析成像技术相结合,对燃烧环境中火焰的温度、H2O浓度以及碳烟颗粒浓度等多种参数的空间分布进行同时重建。搭建了预混火焰燃烧试验台,提出相关的重建模型,利用单台可调谐半导体激光器结合光纤分束技术,采用ART算法,对不同燃烧工况、不同高度测量平面内的甲烷/空气预混火焰中的温度和H2O浓度的二维分布进行了同时重建。此外,搭建了轴对称扩散火焰燃烧试验台,提出了适用于对轴对称扩散火焰的二维重建模型。在测量过程中,采用本文提出的火焰中气固多参数同时测量方法,结合LSQR算法,对火焰中的碳烟颗粒浓度、H2O浓度以及温度进行了同时重建。
[博士论文] 翁武斌
工程热物理 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:在煤及生物质燃料的利用过程中,为了实现高效低污染,对燃料的分级转化利用成了一个重要手段。其中,煤及生物质的气化利用是分级转化利用的重要环节之一。通过气化过程产生的煤气,可以直接用于燃气轮机进行高效低污染燃烧发电,还可以用作众多化工生产的原材料。但是在分级转化的气化工艺中,会出现来源不同的煤及生物质原料。这些燃料的特性差异,加上气化工艺本身的不同,气化煤气的组份存在着较大的不确定性。煤气的主要组份包括氢气,一氧化碳,甲烷,氮气和二氧化碳等。其中作为重要的可燃组份,氢气的燃烧特性和通常使用的天然气有着很大的区别。加上大量的不可燃组份,比如氮气和二氧化碳,造成燃料热值较低,这都会给煤气的高效低污染燃烧利用造成很大的挑战。所以了解含有不同组份的煤气的燃烧特性,开发合理的稳定燃烧手段成了重要的研究课题。另外,在不少煤和生物质的气化燃烧过程中,会释放出大量的碱金属元素,这不仅仅会造成炉膛的结渣腐蚀,还会极大地影响煤气的品质。含碱金属的煤气,往往会造成燃气轮机叶片的腐蚀。所以,对于气化燃烧过程中,碱金属的释放规律的研究,以及探索实用的碱金属监测手段成为重要的研究内容。本文主要通过不同先进激光诊断技术对以上课题中的关键问题展开了相应的研究。
  本研究对含有不同组份的煤气的层流火焰速度进行了精确的测量。层流火焰速度是燃料燃烧反应的重要特性之一,可广泛用于燃烧机理的验证和发展。本文使用的层流火焰速度测量方法包括热流量炉法和基于激光诱导 OH荧光(OH-PLIF)技术的本生灯法。通过不同比例的氢气和一氧化碳来模拟实际煤气的可燃组份,通过不同比例的氮气和二氧化碳来模拟实际煤气中稀释气体的比例。氢气在可燃组份中的比例从5%变化到75%,稀释气体比例从0%变化到50%。这些组份比例的大范围变化基本涵盖了不同类型的煤气。通过实验结果可以看出,煤气的层流火焰速度随当量比的变化趋势和甲烷等碳氢燃料有着很大的不同。煤气层流火焰速度峰值往往位于比较燃料富燃的区域,而不是通常的当量比1的附近。氢气量的增加可以极大地提高层流火焰速度,稀释度的增加可以明显减小层流火焰速度。通过对煤气燃烧机理的模拟分析发现,这些燃烧特性很大程度上都是受到燃烧过程中生成的H自由基的控制。本文总结了不同煤气的层流火焰速度和其燃烧反应区的H自由基浓度峰值之间的线性变化关系。通过总结实验获得的大量层流火焰速度,还总结出了用于估算不同煤气层流火焰速度的经验公式。通过OH-PLIF技术研究了不同煤气在较低湍流状态下,即皱褶区的火焰的燃烧特性。通过含有中心射流孔的平面火焰炉,生成了不同煤气在不同出口雷诺数下的预混射流火焰。这些火焰主要是在预混湍流火焰的起皱火焰区域和皱褶火焰区域。火焰的OH-PLIF瞬态图展示了不同工况下火焰的前锋面结构。本文分析计算了不同煤气在不同出口雷诺数下的湍流火焰速度。和对应的层流火焰速度相比较,湍流火焰速度随氢气比例以及稀释度的变化具有非常类似的趋势。较高的氢气比例造成较高的湍流火焰速度,较高的OH浓度以及较小的火焰尺寸。稀释度具有相反的效果。出口雷诺数的增加同样可以增加湍流火焰速度和 OH浓度。通过对实验获得的湍流火焰速度和对应煤气的层流火焰速度的比值的分析发现,对于起皱区和皱褶区的火焰,湍流度对湍流燃烧的影响规律不因煤气组分的不同而变化。另外,还通过 OH-PLIF技术和甲醛-PLIF技术研究了氮气稀释和二氧化碳稀释对低湍流度湍流火焰的影响。同样,稀释度的增加,极大地降低了 OH和甲醛的浓度,延迟了火焰的燃烧。对于相同湍流度下的火焰,稀释对火焰锋面局部结构的影响并不明显,但是会增加整体皱褶率。比较二氧化碳稀释气体和氮气稀释气体,区别比较大的是燃烧区的OH浓度。而对于未燃区的甲醛浓度,受不同稀释气体的影响较小。针对等离子体强化燃烧手段,研究了等离子体中的重要组分,即臭氧的强化燃烧特性。研究了臭氧强化燃烧的机理。通过甲醛-PLIF技术对臭氧强化甲烷/空气预混燃烧过程中甲醛生成的影响进行了研究。研究发现,臭氧的加入可以极大地促进火焰中甲醛的生成。在加入4500pp m的臭氧,对于当量比为1.4的甲烷空气预混火焰,反应区甲醛的浓度提高了50%以上。实验获得了在不同当量比下甲醛的增加率。通过实验数据和机理模拟结果的对照,验证了包含臭氧反应子机理的燃烧反应机理的可靠性。臭氧的加入,不仅仅增加了甲醛的浓度,而且明显提前了甲醛的生成时间。通过对甲醛的研究,可以看出,臭氧对于燃烧的促进作用主要发生在燃烧的预热区。通过可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术实现了对煤及生物质气化燃烧过程中钾原子浓度的定量测量,用于了解煤和生物质气化过程中碱金属的释放规律。比较不同的固体燃料,发现燃料本身的特性对碱金属的释放特性具有很大的影响。煤炭里面较多的固定碳使得其钾的释放主要发生在焦炭燃烧阶段。生物质较多的挥发份以及大量的水溶性碱金属,使其钾的释放主要发生在挥发份燃烧阶段。另外还比较了燃料在燃烧和气化过程中钾的不同释放特性。气化过程削弱了挥发分和焦炭的消耗反应,使得整个钾释放过程有所变弱。
[硕士论文] 黄平平
控制工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:煤粉颗粒度对磨煤机效率、锅炉燃烧效率和安全性影响至关重要,但由于技术性和经济性的原因使得煤粉颗粒度的在线检测还不能实现,现阶段电厂还大多停留在离线定期取样对煤粉颗粒度进行测量。
  本文吸取借鉴了软测量技术在电厂飞灰含碳量、烟气含氧量的测量和球磨机负荷预测方向上应用的成功经验,采用基于支持向量机的软测量方法,对煤粉颗粒度进行在线测量研究。
  介绍了软测量方法的基本原理和建模方法,从制粉系统进行机理分析,找出影响煤粉颗粒度的相关因素,再基于国华三河电厂的现场实际运行历史数据,采用相关性分析的方法,对原始数据进行预处理,进而确定出用于软测量模型的辅助变量。以详细分析研究SVM支持向量机为基础,运用支持向量回归机的方法进行建模,实现软测量的方案。结合现场运行参数的数据特点,并从理论上分析了该方法的可行性。
  基于国华三河电厂1号磨煤机相关的历史数据,分别通过网格搜索法、遗传算法和粒子群算法三种不同方法进行参数寻优,详细地介绍了基于支持向量机的煤粉颗粒度软测量方法的实现过程。经过多次试验比对,找到软测量模型的最佳参数值。运用该模型对测试样本进行预测并和真实的煤粉颗粒度数据比较,得出了通过网格搜索法和遗传算法寻优建立的模型可以准确地估计出煤粉颗粒度的值的结论,充分说明了采用基于支持向量机的方法实现煤粉颗粒度在线测量的可行性。进而论证了该方法具备在实际生产中应用的条件和价值。
[硕士论文] 李南
控制工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:火电作为我国能源的重要支撑,在整个工业中发挥的作用不言而喻。主蒸汽流量是反映火电厂机组运行状况的关键参数之一,直接影响着煤耗率和热耗率计算结果的准确性,而且锅炉的状态监测、控制优化以及整个火电厂的经济效益分析都离不开主蒸汽流量。但是在火电厂的热工测量过程中,主蒸汽流量测量一直存在着很多问题,因为采用直接测量法时造成的节流损失是大型机组所不能接受的,而采用间接测量法时测量结果的精度难以得到保证,这给火电厂基于数据驱动的一系列工作带来了诸多问题。因此,在火电厂中对主蒸汽流量进行校正有着重要的意义。数据校正技术利用数据的冗余性,并结合各种统计方法,来降低或者消除测量误差对数据的影响,从而提高测量数据的可靠性、一致性和完整性。本文运用数据校正技术对火电厂汽轮机系统中的主蒸汽流量进行了校正,首先从数据校正的相关概念和原理出发,将系统稳态时线性数据校正方法运用到流体网络中,对流体网络带有误差的流量测量结果进行了校正,而且对不可测变量进行了估计,然后将校正后的结果和估计的结果与实际值进行了对比分析,结果表明校正后的流量比校正前的更加接近实际值,估计的流量也具有一定的准确性。其次,将数据校正技术应用到某1000MW超超临界电厂的13号机组的汽轮机系统,对已测量的主蒸汽流量进行了校正,通过已有的现场主蒸汽流量与机组负荷的关系模型和额定值对校正结果进行了分析,结果表明校正后的主蒸汽流量比校正前的更加接近实际值。同时,还对汽轮机系统中未测的流量变量进行了估计,并通过与额定值的对比对估计结果进行了分析,结果表明估计的流量也具有一定的准确性。
[硕士论文] 操凯霖
动力工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:液体雾化是能源、化工等工业领域广泛存在的现象,在许多工业应用中喷雾液滴发挥着传热传质的主导作用。对液滴参数的准确测量,有助于人们掌握复杂气液两相流机理,从而指导工业优化设计和制造。在诸多气液两相流测量技术中,彩虹测量技术具有同时精确测量雾化液滴粒径和温度/浓度特点,近几年来在燃烧、污染物脱除等方面的应用研究取得了重要成果。本课题主要针对全场彩虹测量技术的高精度标定方法与在线应用进行研究,提出一种基于双波长的全场彩虹散射角高精度自标定方法,设计了一种便携式可变工作距离的全场彩虹测量探头,并开发了在线测量与数据管理功能集成化设计的彩虹探头在线测量软件。本文对以下三个方面进行了研究。
  根据介质在不同波长下的折射率偏差对应着彩虹角的偏差,提出一种基于双波长的全场彩虹散射角高精度自标定方法,并给出了具体的处理步骤以及算法流程。基于一个假设的标定介质温度T以及RI值(彩虹角对应的归一化光强),通过不断迭代寻找此假设温度下两种波长折射率与反演折射率的最小RMS偏差来确定最终标定方程,同时得到液滴在2种波长下的折射率。通过模拟研究发现当初始假设温度T和RI值逐渐接近目标真实值时此 RMS(均方根)偏差迅速降低。搭建双波长全场彩虹测量系统,用去离子水作为标定介质,最终测得喷雾平均温度以及标定参数。用此双波长自标定全场彩虹系统测量体积分数10%~60%梯度浓度的乙醇-水溶液的折射率,并与传统反射镜标定该系统后的反演结果以及文献中的黄光折射率对比。模拟和实验结果证明,自标定全场彩虹系统的测量精度可以达到彩虹反演算法的精度水平。利用自标定的方法既能免除额外的计量仪器又能用于传统计量仪器无法触及的场合(如密闭容器),也可用于一维甚至高维彩虹的CCD面标定,为后续彩虹在线测量应用及分析复杂过程的气液两相流场奠定基础。
  基于几何光学对几种彩虹散射测量系统进行了原理上的分析和进一步改进的探索,设计并开发了一种双透镜式便携彩虹在线测量探头。双透镜-定焦镜头的探头光路设计是一种结构简单,各光学元件轴向位置基本不变的光路系统设计方案。彩虹探头可通过更换焦距不同的前透镜达到变物距测量的目的,其他元件的位置均不变,探头整体长度相比传统光路大幅缩短。通过多功能的旋转调节器可以快速实现多种工作模式的切换,有利于在工程应用中的灵活调节光路布置及在线测量。搭建了彩虹探头多物距测量系统,并进行了完整的彩虹光路调节、定焦镜头像距定档、激光器位置定档以及散射角标定。通过反复调试与不同物距下的喷雾实测,给出了最佳工作距离小于30cm的建议。用此探头系统测量乙醇-水二元混合喷雾组分,最终得到的彩虹曲线与反演计算得到的拟合曲线重合良好,实验测量值也与文献值的走势基本一致。
  针对彩虹测量探头配套处理软件,分析了在实际现场测量与软件操作过程中需要解决的问题。通过对全场彩虹测量手段的实验过程以及后续处理流程的详细梳理与设计,采用业务流程图、功能模块图等形式组织介绍了本软件的MVC(模型-视图-控制器)系统架构。对信号处理流程与反演算法进行了简要介绍,并针对在线测量做了相关功能与性能方面的优化。综合考虑实验室与工业现场测量两种场景下的软件需求,集成CCD的控制、数据实时处理以及高效易用的操作流程与文件统一管理机制,在Windows平台下使用Qt Creator设计开发了一款功能齐备、高可用性、高精度、高稳定性的彩虹探头测量软件。并对软件的欢迎界面、主界面以及页面跳转逻辑进行了分析,并对CCD控制、信号采集、信号处理、参数调节、数据操作、文件管理、实时反演、离线处理这8大功能点进行了详细介绍。经过多次软件在线与离线测试,验证了彩虹测量探头的实时在线测量效果,并对软件的测量误差、主要功能点以及软件性能进行了分析。
[硕士论文] 刘建军
控制工程 内蒙古大学 2016(学位年度)
摘要:在实际工业现场过程变量控制方面,被控对象往往都具有大时滞、时变、非线性且复杂的特性。加热水箱动态水循环温度控制是一个典型的大滞后过程,由于滞后时间长,控制作用不能及时到达,常规控制方法下实际运行往往很难取得理想的控制效果。
  随着科技的飞速发展和各种控制技术的更新,已经出现将各种新型智能控制算法融入常规控制理论中实现对温度大滞后等过程变量的实际控制。PLC可编程序控制器功能强大,抗干扰能力强,目前被广泛应用于工业现场控制,结合计算机强大的数据处理能力和监控组态设计为智能算法的实现提供了可能。
  本论文首先研究了温度大滞后系统控制算法相关理论实现与优化。然后,建立了加热水箱大滞后过程的一个数学模型,并在MATLAB平台上对常规PID控制及其改进、SMITH预估补偿、模糊PID控制算法进行了详细的仿真研究。基于下位机PLC搭建和配置系统硬件。在算法测试和实现上,利用OPC技术和WinCC上位机服务器完成Simulink仿真控制算法在过程装置平台的在线实时测试运行。在STEP7结构化编程中,开发实现了模糊PID算法在加热水箱系统的工程应用。基于WinCC组态了加热水箱温度控制系统监控画面,在系统实际运行中,相比传统的控制,模糊PID控制在温度曲线动态和稳态性能上都取得了优异的控制效果。
[博士论文] 顾慧
动力工程及工程热物理;动力机械及工程 东南大学 2016(学位年度)
摘要:电站安全、经济运行是保证国民经济稳定发展的基础,因此,针对大型火电机组的性能监测和运行优化技术的研究具有重要意义。由于热工过程结构复杂、非线性强、运行环境多变,难以建立精确适用的数学模型,因此需要借助数据挖掘手段对热工过程中复杂多变的数据进行分析,从中获得机组运行的知识和规则,从而达到热工过程状态监测和优化的目的。
  本文以热工过程的实时数据采集/存储系统获得的海量历史数据和实时数据为研究对象,在对热工过程数据进行预处理后,以属性约简和聚类分析等数据挖掘方法完成电站机组目标工况库的获取和运行状态监测。本文主要内容如下:
  1、开展了针对热工过程的数据预处理研究,将信息熵理论结合基本统计方法作为信号变换手段,实现信号不同层次内在特征的定量表征;采用自变量与因变量相关的延时样本的多元线性回归模型实现数据清洗;利用滑动样本熵对标准化处理后的运行数据进行样本熵分析,根据设定的稳态阈值提取稳态因子从而完成热工过程数据的稳定性判定;提出ECNN算法对热工过程数据进行压缩,通过减小高稳态样本的阈值权重、增加低稳态样本的阈值权重,使得压缩集在保留原始样本集数据特性基础上保留稳态程度较高的样本。
  2、针对传统离散算法的离散个数需预先设定的缺点,提出一种基于熵聚类(E_Cluster)的连续属性离散化方法,该方法从数据本身的分布特性出发,无需预先设定聚类的初参数。在粗糙集互补条件熵的基础上,引入处理增量数据的更新机制,获得改进的粗糙集互补条件算法(D_RED)。利用E_Cluster和D_RED算法对锅炉的可控运行参数进行连续属性离散化和属性约简,获得不同机组负荷下影响锅炉燃烧效率和炉膛出口NOx浓度的主要运行参数的变化情况。
  3、提出一种新的聚类评价指标Vnew,并将Vnew应用到改进Kmeans算法中,通过比较每种划分的聚类有效性指标值来确定最佳分类数,实现了类心个数的自适应。基于时频域信息熵分析的特征提取方法,采用改进的Kmeans算法分析炉膛压力信号,实现信号在不同变换空间内的能量分布特性定量表征和多层次特征提取,获得了炉膛压力信号特征值和机组负荷之间的关系。
  4、在处理混合型数据的经典K-prototypes聚类算法基础上,结合TS_PSO优化算法对聚类目标函数不相似程度D(x,y)函数进行寻优,获得了基于TS_PSO的自适应K-prototypes聚类算法,基于该方法获得了不同负荷和低位热值相应的最佳锅炉效率和最佳炉膛出口NOx浓度以及对应的各可控参数目标值,进而建立了反映实际锅炉实际最优运行水平的目标工况库。
  5、提出无需提前设定聚类初始值的EKFCM算法,通过计算Kmeans聚类过程中熵变差值,以跃迁差值达到最小值时的类别数作为FCM的初始参数,解决FCM聚类需要预先设定初始类心个数的缺点。为了避免总样本数目不断增加引起的处理难度加大的问题,在常见的FIFO增量处理策略基础上提出了Sub-TDFO策略。将所提出的EKFCM增量聚类算法应用于热工过程数据实时监测,完成了对空预器堵灰程度和汽轮机通流部分结垢的监测。
  6、从系统的原理、架构和功能等方面给出了热工过程数据知识发现系统(KDTPS)的设计与开发方案及其与厂级监控信息系统(SIS)的集成方案。
[博士论文] 杨建山
工程热物理 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:越来越多的燃烧器被应用于工业装置中,在当今社会,这些装置的污染变得越来越严峻。因而对燃烧的研究变的越来越重要,随着计算机技术的发展,数值模拟方法被越来越多的学者用来研究燃烧。数值方法主要分为三类:直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)和雷诺平均模拟(RANS)。直接数值模拟主要被用来研究湍流燃烧的基础理论和燃烧模型的验证。尽管当前DNS能被用来研究实验室尺度火焰,但是,它当前还远远不能被应用于工业装置的研究,这主要是因为DNS需要的计算量很大。RANS和LES在计算上的花费相较于DNS来说很小, LES比 RANS提供更多的瞬态信息和增进人们对湍流燃烧现象的深入了解,所以,大涡模拟被越来越多的学者用来研究燃烧问题。在之前的直接数值模拟对传统定义的预混和扩散火焰研究中,都发现了预混火焰和扩散火焰同存的问题,而当前,所有的燃烧模型都不能很好的处理这种火焰。为了处理这种多燃烧模式的火焰,本文提出了一个新的大涡模拟燃烧模型(动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型)。通过对 Arrhenius表达式的直接过滤,从而得到过滤的反应速率。亚网格反应项通过一个代数式计算,该代数式子是通过严格的数学理论推导得到的。
  本研究主要内容包括:⑴对该模型进行了先验性验证,验证的数据源自直接数值模拟。结果表明动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型是可信的。其次,在单步反应化学机理的前提下,对该模型进行了后验证性分析。目标火焰为 Sandia圆孔直射流火焰系列(Flame C、D、E和F),通过对比发现,本燃烧模型可以精确的捕捉火焰的结构。与原始二阶矩阵燃烧模型(original-LES-SOM)进行了对比分析,结果表明original-LES-SOM可以捕捉到不同的燃烧区域和组分的信息,但是本燃烧模型这方面的能力都要优越于它。对Flame D中的亚网格粘性进行了研究,观察到了亚网格粘性负效应区域。关于亚网格反应速率对整个化学反应速率的影响,发现亚网格反应速率和整个化学反应速率相反,说明省略“二阶项”会使得反应速度要快于实际过程。⑵将动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型拓展至多步反应机理,并且将多步反应机理和单步反应机理结果进行了全方位对比。选用非常有挑战的旋流钝体火焰(SM1)作为目标火焰。结果表明,多步反应机理对SM1火焰中流场的影响很小,并且多步反应和单步反应机理都能够准确的预测SM1火焰中的信息。但是,多步反应机理在温度和混合分数的预测上要优于单步反应机理。⑶将动态亚网格“二阶矩”湍流燃烧模型拓展于液相燃烧。为了验证该拓展过程的准确性,采用LES和DNS数值方法对液相旋流燃烧进行了研究。结果表明,动态亚网格燃烧模型可以准确的预测预混和扩散同存的复杂火焰结构,并且对组分的预测上也表现的很优秀。
[博士论文] 徐璁
热能工程 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:我国作为多煤炭少油少天然气的国家,长久以来以煤炭为主体的能源消费结构在为经济社会发展做出突出贡献的同时也对我国的环境产生了严重的伤害。虽然政府已经开始重视调节优化能源结构,但是这是个长期的过程,并且煤炭作为廉价经济的能源并不会迅速退出历史舞台,因此在使用煤炭的同时如何做到高效清洁的利用也成为了当务之急。而煤基多联产技术可以将煤气化将其变为合成气进行清洁利用并且副产物可以通过梯级利用来降低成本,因此这项技术不失为一条清洁高效燃用煤炭的道路。所制得的合成气一般都含有一定量的氢气,鉴于氢气极其活泼的化学特性,如何科学安全的利用合成气也成为了一项科学课题。数值模拟作为可以深入了解湍流燃烧机理的手段已经得到了广大研究者的认可,直接数值模拟无需对于湍流进行任何假设就可以获得尽量多的流动信息,详细机理反应则可以深入了解燃烧反应中重要中间产物的详细变化,本文基于低马赫数下的纳维斯托克斯湍流方程以及详细机理求解燃烧反应开发了一套直接数值模拟湍流燃烧程序,并且通过与湍流火焰面相互作用的实验解和层流火焰速度对比验证证明了程序在进行湍流燃烧计算上的准确性。本文借用该程序对于简单合成气H2/CO湍流预混燃烧在诸多情况下的火焰面特性进行了研究。
  本研究主要内容包括:⑴使用谱方法对于不同当量比和不同湍流数下处于小火焰区湍流燃烧的二维火焰面与各向同性湍流的相互作用情况进行了研究。研究发现,在经过一个特征湍流时间尺度τ后贫燃工况出现了回火现象,湍流对于其火焰面产生了明显的挤压并且火焰面的传播速度大于其层流火焰速度。而富燃工况火焰面虽然剧烈褶皱但是其火焰面传播面积变化率的概率分布以零值线成轴对称,这说明火焰面在场中的平均位置不会发生变化。火焰面长度与当量比相关性不大但是与湍流数成正相关。火焰面上OH大多富集在火焰面的凸面,在凹面的分布较少。⑵通过二维配对涡通过火焰面对于不同合成气比例与不同稀释气比例下的火焰面局部熄火情况进行了研究。研究发现,随着H2在合成气中比例降低或是稀释气比例增加,湍流涡团的运动与火焰面的相互作用明显变强,体现为涡团脱离时间变长,涡团形态发生明显变化,但是相互作用的改变对于 H2比例降低更为敏感。而配对涡脱离时造成的熄火现象实质上只是H2组分化学速率迅速降低,CO组分的燃烧并不会停止,只是会因为 H2基本不燃烧导致了局部温度偏低从而 CO燃烧变慢。而配对涡脱离一段时间后,高 H2比例或低稀释气比例的火焰面会因为扩散-热力效应变为不稳定的细胞火焰。⑶使用三维定容封闭法针对合成气湍流情况下不同当量比、压力、等离子体浓度以及稀释气比例下的自着火特性做了一定的探讨。研究发现,自着火延迟与当量比关系不大,但是加大压力和添加等离子体会显著减小着火延迟,压力通过增大化学反应速率对着火延迟产生影响而等离子体则通过分解产生 O自由基使反应更容易进行。添加稀释气则可以适当增大着火延迟。⑷针对于添加 O3后的贫燃合成气湍流预混的近场自由燃烧射流进行了三维模拟。研究发现,O3在轴向8D~9D位置开始影响整个场的组分场以及温度场,燃料明显加快消耗并且温度有所升高,但是近场产物中只促进了CO2的生成,对H2O影响不大。而从火焰面沿时间的变化曲线上看来,O3会增大点火时期的火焰面面积,以及促进合成气燃烧的点火过程,使燃烧更早发生。而从统计量的概率密度分布可以看出,添加了 O3的火焰面更容易被湍流拉伸,但是整体的火焰面曲率分布不会发生变化,火焰面的传播速度也得到了一定的提高。
[博士论文] 张海丹
能源环境工程 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:燃烧作为一种化学反应,其过程十分复杂,包含各种基团之间的连锁反应。因此,对燃烧过程中的温度分布,及一些化学反应的产物进行实时在线监测对于设备的安全运行和节能减排具有非常重要的意义。烟黑颗粒物是一种典型的燃烧产生的固体颗粒,它们的粒径一般在0.1μm以下,可以由人体的呼吸系统进入肺中,严重影响人的身体健康。本文以基于液晶可调滤波片(LCTF)的高光谱火焰成像系统为基础,建立了一个碳氢火焰三维温度场和烟黑体积浓度场重建模型,做了大量的数值重建工作以及实验验证。
  本研究主要内容包括:⑴推导了火焰中弥散介质的辐射传递方程,通过HITRAN数据库查询燃烧产生的几种典型气体产物的谱线后发现在650-1100nm的工作波段内可以忽略其辐射作用。利用MIE计算程序对烟黑颗粒、炭粒和飞灰在650-1100nm范围内的辐射特性进行数值计算,得出结论:在考虑烟黑的辐射特性时,可以忽略其散射作用,只考虑其吸收;相反地,考虑飞灰粒子的辐射特性时,可以忽略其吸收作用,而只考虑散射;炭粒的吸收作用和散射作用都需考虑,然而其散射系数略大于吸收系数。⑵解释了辐射反问题的定义,并使用三种不同的计算方法,分别为Tikhonov正则化算法、截断奇异值分解(TSVD)法和最小二乘QR分解(LSQR)法,对三维温度场求解模型进行计算,从重建误差和重建时间两个方面综合考虑,认为LSQR算法更适合应用于求解复杂的辐射反问题。⑶提出了基于多波长辐射光谱法的碳氢火焰三维温度场和烟黑体积浓度场重建模型,以对称分布火焰为算例,在添加不同信噪比下使用多波长法和传统的双色法对重建模型内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建计算,比较两种方法的重建结果可以发现,当测量系统信噪比为54dB时,双色法的温度重建平均误差为0.4806%,烟黑体积浓度重建误差为8.003%;而多波长法的温度重建平均误差为0.2401%,烟黑体积浓度重建误差为3.17%。显然多波长发射光谱法具有更强的抗噪性。同时考虑重建误差及计算效率,最终确定多波长发射光谱法选取的最佳波长数为6-11。之后以非对称火焰为目标,使用多波长发射光谱法对火焰内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建,同样得到了满意的结果,说明该重建模型同样适用于非对称形状的火焰。⑷提出了多波长发射光谱法测量火焰中颗粒粒径分布的计算模型,为了验证该计算模型的可行性,分别对单峰分布和双峰分布的颗粒分布形式进行数值重建计算,使用两种算法来求解包含粒径分布的线性方程组,发现LSQR算法的求解结果较为准确。另外从方程组中各方程之间的相关性考虑,提出了一种等间隔波长选取法来进行颗粒粒径分布的计算,且计算证明测量所用的最佳波长数为5。⑸使用基于液晶可调滤波片(LCTF)的高光谱火焰成像系统,搭建了实验室规模的小型乙烯层流扩散火焰试验台,在进行实验重建工作之前,使用标准黑体炉在650nm-950nm的波长范围内,对高光谱CCD相机进行了标定。首先以对称的乙烯层流扩散火焰为测量对象,使用一个视角下的多光谱火焰图像对目标区域内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建,将重建结果与热电偶和激光消光法测量结果进行对照,结果表明重建结果与验证结果吻合程度较高。通过添加空气射流的方法制造了非对称形状的乙烯层流扩散火焰,使用四个视角下的多光谱火焰图像对目标区域内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建,观察高度方向各截面的重建参数分布形状后发现与火焰形状相吻合。此外通过分析高度方向上的温度和烟黑体积浓度变化趋势可以发现与对称火焰中的变化趋势保持一致,这也可以证明非对称火焰实验重建结果的合理性。
[硕士论文] 关经纬
电子科学与技术 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:在器件设计和制作过程中,微尺度气体传热是遇到的非常基础性的物理问题,研究微尺度气体传热对提高器件的可靠性和稳定性具有很重要的意义。微尺度气体间隙作为传热和绝热机构广泛地存在于微机械电子系统中,而且一些微纳传感器件,例如流速计、皮拉尼真空传感器,都是按照气体传热的原理设计、工作的。微尺度气体表面作为传热和对流的边界在许多微机械系统的设计过程中是要着重考虑的部分。在微尺度条件下,气体传热属性出现随尺度变化的物理现象,本文选用微热板结构,研究了微热板中微尺度气体传热属性随尺寸的变化关系。
  与标准CMOS工艺兼容,尺寸微小等是微热板结构所具有的特点,最重要的是它具有本文所研究的对象:气体间隙和表面。正是由于两种气体传热类型的共同存在,给研究带来了很大的困难,本文的研究思路是先做微尺度表面气体传热属性的研究,再将研究所获得的结果用于微尺度气体间隙传热的研究中。
  首先,设计和制作了正面刻蚀体硅型微热板结构,建立起该结构常温常压和常温真空两种条件下的热阻模型,并结合稳态平板法的热物性测试原理,测量出微热板中表面空气自然对流传热系数。结果表明,由于比表面积的增大,微尺度表面空气自然对流换热能力远远强于常规尺度下的情况。同时,采用有限元仿真对测量方法的准确性和影响测量方法的不确定性因素做了分析,结果表明,测量方法的准确度高,微热板加热区温度分布不均是影响方法准确度的主要原因。
  其次,基于表面牺牲层工艺,设计和制作了具有不同厚度气体间隙的微热板结构,同样建立了结构的常压和真空条件下的热阻模型,结合稳态平板法原理测试了微热板中空气传热热导,结合表面气体自然对流传热的研究结果,计算出气体间隙的热导及其间隙中空气的热导率。结果表明,在220nm-1900nm范围内,随着尺度的减小,空气热导呈现出先增加后减小的趋势,空气热导率则呈现出一直减小的趋势。
[硕士论文] 钱晓颖
动力工程 东南大学 2016(学位年度)
摘要:分数阶控制器是整数阶控制器的一种广义形式,分数阶PIλDμ控制器由于比整数阶PID控制器多出两个参数,具有更大的调节范围,对于现场大延迟以及大惯性的热工过程具有更好的控制品质和鲁棒性能。随着分数阶控制器的广泛使用,它的设计也成为一大难点。针对这个问题,参考整数阶PID控制器参数的工程整定方法,提出了一种分数阶PIλ控制器参数的工程整定方法以及一种微分可调的分数阶PIλDμ控制器参数的工程整定方法,主要研究内容包括:
  1.基于改进遗传算法提出一种分数阶PIλDμ控制器参数的优化整定方法。针对基本遗传算法在实际的应用中存在的问题,提出了相应的改进算法,并采用改进性能指标对控制器参数进行寻优,通过仿真研究基于改进遗传算法整定的分数阶PIλDμ控制器的控制性能;
  2.提出一种分数阶PIλ控制器参数工程整定方法。建立以过程滞后时间和惯性时间为输入,分数阶PIλ控制器参数为输出的工程整定神经网络模型,使用该模型可根据热工过程阶跃响应曲线特征参数(稳态增益K,滞后时间τ以及惯性时间Tc)方便地计算得到对应的分数阶PIλ控制器参数;
  3.提出一种微分可调的分数阶PIλDμ控制器参数工程整定方法。将分数阶PIλ Dμ控制器的微分份额作为工程整定模型的一个输入变量,建立以过程滞后时间、惯性时间和控制器的微分份额为输入,以分数阶PIλ Dμ控制器参数为输出的工程整定神经网络模型,使用该模型可通过改变微分份额输入方便地调整分数阶PIλ Dμ控制器的微分作用大小;
  4.将两种分数阶控制器的参数工程整定方法应用于单元机组过热汽温和再热汽温控制中,通过仿真研究这两种工程整定方法的实用性。
[硕士论文] 钱磊
动力工程及工程热物理;能源信息与自动化 东南大学 2016(学位年度)
摘要:热工过程的数学模型对其控制系统的设计起着关键作用。传统的热工过程模型辨识主要基于过程的动态特性试验,由于单元机组运行的特点,现场动态特性试验往往难以实施,即使做的动态特性试验,其结果也不一定理想。因此,研究基于现场数据的热工过程辨识不仅具有很强的理论意义,而且具有一定的应用价值。
  神经网络可以任意精度逼近连续函数,具有较强的适应能力和学习能力,广泛地应用于热工过程的非线性建模中。但辨识中如何确定神经网络的结构,如何提高网络的泛化能力,这些问题没有很好地解决。另外,神经网络模型不直观,不易于理解,难以与经典的控制理论方法结合使用。
  针对上述问题,论文研究基于现场数据的热工过程神经网络辨识,并提出从神经网络中提取传递函数的方法。主要研究内容及成果包括:
  1.针对普通的灵敏度剪枝算法存在的问题,在原有的灵敏度剪枝算法的基础上,提出了基于RBF神经网络的剪枝优化算法,并给出了的相应剪枝策略及算法步骤,仿真试验表明该算法是有效的;
  2.分析了利用现场进行神经网络模型辨识的可行性,提出了基于RBF神经网络剪枝算法的热工过程神经网络模型辨识方法,给出了相应的辨识算法步骤,并通过仿真试验,验证了该方法的有效性;
  3.分析了锅炉过热汽温的过程及特性,将基于RBF神经网络剪枝算法的热工过程神经网络模型辨识方法应用于锅炉过热汽温模型辨识中,通过基于现场数据的仿真试验,验证了论文所提方法的有效性;
  4.针对现场热工试验的困难性,研究并提出了从神经网络模型中提取传递函数模型的方法,并结合遗传算法给出了相应的算法及步骤,通过仿真验证了该方法的有效性。
[硕士论文] 陈福多
光学 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:在研究燃烧流场诊断中,火焰中的温度是非常重要的物理参数,它是衡量燃烧效率的重要参数之一。燃烧场中对温度的衡量在工业生产和生态环境都有着重要的意义。在工业生产上可以提高燃烧的效率,提高能源利用率,在生态环境保护上可以燃烧污染物的排放。开发二维温度场分布反演软件,对于测量非均匀流场的温度,有着重要的意义。
  可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS,tunable diode laser absorptionspectroscopy)是一种非侵入式测量、高选择性、高灵敏度、高分辨率、可以实现温度、浓度、流速的测量的技术。TDLAS技术在燃烧流场诊断时不会带来干扰诊断测试燃烧流场的负影响。将TDLAS技术与计算机断层扫描技术(CT)结合起来,可以实现反演出待测诊断流场的二维分布。本文开发了基于TDLAS技术与计算机断层扫描技术(CT)的二维温度场分布反演软件,可视化的软件易于非专业人员的流程化操作,本文的研究内容主要包括下面几个部分:
  1,首先介绍二维温度场测量的意义,分析对比传统的测量方法和新型的光谱的测量方法,在光谱学的测量方法中,重点介绍了可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)方法的特点和研究现状。
  2,从分子吸收光谱角度出发,介绍了红外吸收光谱温度测量的基础理论Beer-Lambert定律以及分子吸收光谱的线强和吸收线型函数的概念,结合本文的研究,利用HITRAN(High-resolution Transmission Molecular Absorption)高分辨分子数据库,结合Python语言,开发了HITRAN数据库选择谱线的程序,对H2O的吸收光谱做了计算,选取了合适的吸收线对作为测温谱线。详细阐述了TDLAS技术的两种基本技术方法:直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术,分析对比了两者各自的优缺点。
  3,为了开发基于TDLAS的二维温度场分布反演软件,基于Python语言,开发了处理Hitran数据库的可视化程序,实现了Hitran数据的获取、类SQL(数据库语言)的方式去选择和处理数据、线强、内配分函数、吸收系数和吸收光谱的三种线型函数显示、封装了处理数据的算法、吸收线的筛选。Python的跨平台与面向对象的特性,使得算法易于扩展。分析比较了Python语言相比Matlab数学工具在处理Hitran数据库的数据上的优势。
  4,文章分析了计算机断层扫苗技术的两大类算法,详细阐述了本文使用的代数迭代算法(ART,Algebraic reconstruction technique),基于Python语言,结合Tkinter绘制和用户交互的可视化界面,通过Scipy和Numpy数值算法计算库去计算矩阵、Matplotlib2D和3D绘图库绘制最终的结果,首先给出了二维温度场的数值模拟分布,在给定积分吸光度的基础上,反演出了二维温度场的分布和插值后的分布,接着反演了加上2%噪声后的分布。
[硕士论文] 冯新强
控制科学与工程 华北电力大学 2016(学位年度)
摘要:热工参数辨识和PID参数优化在某个角度上都能转化为最优化问题。随着群体智能理论在各个领域的快速发展,相继有许多学者将群体智能算法用于热工参数辨识和PID整定。然而群体智能算法用于热工参数辨识和PID参数优化时具有随机性强、收敛慢、耗时长的特点。本文针对这些不足,旨在将确定性的寻优算法应用于热工参数辨识和PID参数优化。
  本文首先介绍了如何将热工参数辨识和PID参数优化问题转化为最优化问题;然后仿真研究了在两类问题中目标函数沿各个方向上大体上呈单峰性的特点;再将黄金分割法分别与坐标轮换法、Powell直接法相结合形成两种新的确定性算法,其结合过程即先根据坐标轮换法或Powell直接法确定一维搜索方向,再利用黄金分割法进行一维寻优;最后将结合后的两种方法分别应用于热工参数辨识和PID参数优化,并与标准粒子群算法相比较以凸显改进算法的高效性。此外,本文又结合了IMC-PID,针对热工系统中普遍存在的一阶时滞、二阶时滞过程,以ITAE为目标函数,利用黄金分割法对IMC-PID的滤波器参数进行快速寻优。进一步显示基于黄金分割法的优化策略在控制器参数寻优时的独特优势。
  基于现场数据的应用表明,结合后的两种方法在快速性、精确性上明显优于标准粒子群算法,并且耗时短、前期收敛快、设置参数少、占用内存少,更适合于热工对象的在线参数辨识和PID控制系统参数的在线优化。将两种应用相结合,则为热工控制系统调节参数的在线快速自整定提供了一套新途径。
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