一种脱硝烟气浓度场在线测量系统及脱硝喷氨系统

技术领域

本申请涉及激光测量技术及脱硝控制技术领域，特别是涉及一种脱硝烟气浓度场在线测量系统及脱硝喷氨系统。

背景技术

随着国家对环保要求力度不断加大，燃煤机组推进超低排放，NO

相关技术通常采用单点或多点混合式测量方式测量得到SCR脱硝系统内NO

鉴于此，如何提升脱硝系统烟气浓度场分布数据计算准确度，为实现精准喷氨提供有效数据支持，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种脱硝烟气浓度场在线测量系统及脱硝喷氨系统，提升脱硝系统烟气浓度场分布数据计算准确度，为实现精准喷氨提供有效数据支持。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种脱硝烟气浓度场在线测量系统，包括光信号输出模块、分光模块、信号调试模块和信号处理模块；

所述光信号输出模块交替输出待测脱硝烟气浓度场各待测组分相应吸收谱线的激光信号；

所述分光模块将所述光信号输出模块出射的激光信号同时分为多束子光束且多束子光束以形成n×n光路网格的形式穿过所述待测脱销烟气浓度场所在二维平面；

所述信号调试模块根据参考光信号对穿过待测脱销烟气浓度场后的各子光束光信息转化的电信号进行调试得到二次谐波信号；

所述信号处理器基于TDLAS原理和代数迭代算法对所述二次谐波信号进行反演得到所述待测脱销烟气浓度场的烟气浓度分布。

可选的，所述光信号输出模块包括信号发生器、多台激光控制器、多台可调谐激光器和分时复用器件；所述激光控制器的总台数与所述待测脱硝烟气浓度场中待测组分总数相同，且唯一控制一台可调谐激光器；

所述信号发生器将模拟信号同时输入各激光控制器，各激光控制器在接收到所述模拟信号后驱动相应可调谐激光器输出所需波段的激光信号至所述分时复用器件；

所述分时复用器件控制每路激光信号交替输出至所述分光模块。

可选的，所述分时复用器件为光开关和分时复用信号发射器；

所述分时复用信号发送器向所述光开关发送工作状态控制指令；所述光开关根据接收指令调整工作状态以输出相应激光信号。

可选的，所述分时复用信号发射器内嵌于所述信号处理模块。

可选的，所述分光模块包括分光器和2n个光纤准直器，所述分光器与各光纤准直器通过光纤连接；

2n个光纤准直器分为两组，每组包含n个光纤准直器；两组光纤准直器沿垂直方向呈直线排列，且位于同一方向上的两个相邻光纤准直器之间的距离相同；

所述分光器将所述激光信号分为2n束子光束，并将每束子光束分别同时投射至相应的光纤准直器中，各光纤准直器将接收到的子光束校正为一束平行激光光束，以使2n路平行激光光束穿过所述待测脱销烟气浓度场。

可选的，所述信号调试模块包括2n个光电转化器、采集卡和锁相放大器；

每个光电转化器唯一对应一个光纤准直器、且与相对应的光纤准直器的中心位于同一轴线上，用于采集相应光纤准直器出射子光束穿过所述待测脱销烟气浓度场后的光信息并将其转化为相应电信号；

所述采集卡将接收到各光电转化器发送的电信号发送至所述锁相放大器；

所述锁相放大器根据参考光信号对各电信号进行调试得到二次谐波信号，并将所述二次谐波信号发送至所述信号处理模块。

可选的，所述光信号输出模块包括信号发生器，所述锁相放大器与所述信号发射器相连，所述锁相放大器接收所述信号发射器发送的参考光信号。

本发明实施例另一方面提供了一种脱硝喷氨系统，包括如上任意一项所述的脱硝烟气浓度场在线测量系统、脱硝控制器、喷氨控制阀组和喷氨格栅；所述脱硝控制器的输入端与所述脱硝烟气浓度场在线测量系统输出端相连，所述喷氨控制阀组的输入端与所述脱硝控制器输出端相连，所述喷氨控制阀组包含的调节阀总数根据每个调节阀控制的喷氨支管数和所述喷氨格栅的总喷氨支管数确定；

所述脱硝控制器根据所述脱硝烟气浓度场在线测量系统输出的烟气浓度分布和SCR反应器测量的烟气浓度信息计算各调节阀的阀门开度值并生成阀门控制指令；

所述喷氨控制阀组根据接收的阀门控制指令调节各调节阀的阀门开度，以通过控制相应喷氨支管的喷氨量使各喷氨小室的氨氮摩尔比均匀。

可选的，所述脱硝控制器调用预先存储的阀门开度计算程序执行如下步骤：

根据所述脱硝烟气浓度场在线测量系统输出的烟气浓度分布得到NO

根据所述NO

根据SCR反应器出口各区域NO

可选的，所述调节阀为电动调阀或气动调阀。

本申请提供的技术方案的优点在于，脱硝烟气浓度场在线测量系统利用光信号输出模块和分光模块将位于待测组分吸收光谱波段的激光信号进行分束并形成n×n光路网格穿越过待测脱销烟气浓度场，信号处理模块基于TDLAS技术和ART算法分析激光信号被待测组分其他吸收情况从而反演得到脱硝烟气浓度场在线测量系统所部署截面的NOx浓度、NH

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的脱硝烟气浓度场在线测量系统的一种具体实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的脱硝烟气浓度场在线测量系统在脱销系统中布设的一种实施方式示意图；

图3为本发明实施例提供的脱硝烟气浓度场在线测量系统在脱销系统中布设的另一种实施方式示意图；

图4为本发明实施例提供的脱硝烟气浓度场在线测量系统的另一种具体实施方式下的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的脱硝喷氨系统的一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种脱硝烟气浓度场在线测量系统方法的流程示意图，脱硝烟气浓度场在线测量系统可布置于脱硝反应器的进口截面、出口截面或任意一个截面，脱硝烟气浓度场在线测量系统布置于脱硝反应器的进口截面如图3所示，脱硝烟气浓度场在线测量系统布置于脱硝反应器的出口截面如图4所示，脱硝烟气浓度场在线测量系统布设于脱销反应器的哪个截面，就可以测量该截面的烟气浓度场。脱硝烟气浓度场在线测量系统可包括光信号输出模块1、分光模块2、信号调试模块3和信号处理模块4，这四个功能模块共同实现对脱硝烟气浓度场在线测量系统所布设截面的烟气场浓度。

在本实施例中，光信号输出模块1可交替输出待测脱硝烟气浓度场各待测组分相应吸收谱线的激光信号。脱销烟气浓度中需要测量的气体组分的总数与光信号输出模块1输出的激光信号的路数相同，例如脱销烟气浓度中的待测组分为氨气和氮氧化物，相应的光信号输出模块1输出的激光信号为两路，一路用于穿过待测脱销烟气浓度场去测量氨气浓度，另一路用于穿过待测脱销烟气浓度场去测量氮氧化物浓度。而至于何时输出哪一路光信号可根据实际需求进行预先设置，例如可先输出氨气吸收谱线的激光信号然后在输出氮氧化物吸收谱线的激光信号，本申请对此不作任何限定。光信号输出模块1输出的激光信号的波长或者是说激光器的工作波段要涵盖待测气体组分的吸收谱线，已从工作波段中确定待测吸收谱线的气体吸收数据，对于NO组分来说，其对应的激光信号的中心波长可为5263nm，这样激光信号穿过待测脱销烟气浓度场时一次扫描可获取1900.07cm

本实施例的分光模块2可将光信号输出模块1出射的激光信号同时分为多束子光束，且多束子光束以形成n×n光路网格的形式穿过待测脱销烟气浓度场所在二维平面。也就是说，分光模块2将每一路激光信号均分为2n束激光信号，n束激光信号和n束激光信号的光线传输方向相垂直，这2n束激光信号可构成一个n×n网格，这样几乎激光信号可以覆盖整个待测脱销烟气浓度场。

在本实施例中，信号调试模块3可根据参考光信号对穿过待测脱销烟气浓度场后的各子光束光信息转化的电信号进行调试得到二次谐波信号。由于待测脱销烟气浓度场的各气体组分对激光信号波长响应是非线性的，所以经过吸收介质后的激光光强变化的频率将包含很多谐波成分，通过测量激光信号穿过待测脱销烟气浓度场调制信号的二次谐波信号便可实现对待测脱销烟气浓度场的气体参数信息，至于如何根据参考光信号对电信号进行调制得到二次谐波信号，可参阅任何一种现有技术记载的TDLAS(Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy，可调谐二极管激光吸收光谱技术)中的二次谐波信号处理方法，此处，便不再赘述。

最后，信号处理器4为基于TDLAS原理和代数迭代算法对二次谐波信号进行反演得到待测脱销烟气浓度场的烟气浓度分布。

其中，基于比尔-朗伯定律可知，若一束强度为I

式中，A为气体介质对激光的吸收度。当被测分子即A确定后，其特征谱线强度S(T)可表示为：

S(T

式中，i为射线编号；j为网格编号；L

式中，k为迭代次数序号；A

在本发明实施例提供的技术方案中，利用光信号输出模块和分光模块将位于待测组分吸收光谱波段的激光信号进行分束并形成n×n光路网格穿越过待测脱销烟气浓度场，信号处理模块基于TDLAS技术和ART算法分析激光信号被待测组分其他吸收情况从而反演得到脱硝烟气浓度场在线测量系统所部署截面的NOx浓度、NH

在上述实施例中，对于光信号输出模块1的结构并不做限定，本实施例中给出了光信号输出模块1在一种实施方式下的结构示意图，光信号输出模块1可包括信号发生器、多台激光控制器、多台可调谐激光器和分时复用器件；激光控制器的总台数与待测脱硝烟气浓度场中待测组分总数相同，且唯一控制一台可调谐激光器。信号发生器可将模拟信号同时输入各激光控制器，各激光控制器在接收到模拟信号后驱动相应可调谐激光器输出所需波段的激光信号至分时复用器件，分时复用器件控制每路激光信号交替输出至分光模块2。

作为本实施例的一种可选的实施方式，分时复用器件为光开关和分时复用信号发射器；分时复用信号发送器可向光开关发送工作状态控制指令，光开关根据接收指令调整工作状态以输出相应激光信号。光开关可为任何一种开关，本申请对此不作任何限定，分时复用信号发送器可为封装分时复用信号发送程序的硬件如存储介质，也可为一段计算机程序直接嵌入至计算机中，该计算机同时还可嵌入其他计算机程序，如实现信号处理模块中基于TDLAS原理和代数迭代算法对二次谐波信号进行反演得到待测脱销烟气浓度场的烟气浓度分布的计算机程序。无论是一段计算机程序，还是封装计算机程序的硬件装置均可内嵌于计算机中，而信号处理模块4也可为计算机，所以分时复用信号发射器可内嵌于信号处理模块4中。

在上述实施例中，对于分光模块2的结构并不做限定，本实施例中给出了分光模块2在一种实施方式下的结构示意图，分光模块2可包括分光器和2n个光纤准直器，分光器与各光纤准直器通过光纤连接；2n个光纤准直器分为两组，每组包含n个光纤准直器；两组光纤准直器沿垂直方向呈直线排列，且位于同一方向上的两个相邻光纤准直器之间的距离相同；分光器将激光信号分为2n束子光束，并将每束子光束分别同时投射至相应的光纤准直器中，各光纤准直器将接收到的子光束校正为一束平行激光光束，以使2n路平行激光光束穿过待测脱销烟气浓度场。

相应的，信号调试模块3可包括2n个光电转化器、采集卡和锁相放大器；每个光电转化器唯一对应一个光纤准直器、且与相对应的光纤准直器的中心位于同一轴线上，用于采集相应光纤准直器出射子光束穿过待测脱销烟气浓度场后的光信息并将其转化为相应电信号；采集卡将接收到各光电转化器发送的电信号发送至锁相放大器；锁相放大器根据参考光信号对各电信号进行调试得到二次谐波信号，并将二次谐波信号发送至信号处理模块。

在本实施例的一些实施方式中，对于光信号输出模块1包括信号发生器的场景来说，锁相放大器还可与信号发射器相连，上述实施例中的参考光信号即为信号发射器发射出来，锁相放大器接收信号发射器发送的参考光信号。

本实施例通过分光器将一束光信号分为2n束激光，每束激光信号通过光纤准直器校正为平行激光光信号然后在被相应的光电转化器采集转化为电信号，使得n×n束激光信号以网格形式穿过待测二维平面。本实施例利用光开关技术和分光器技术实现了多个烟气组分场分布的同时测量，不仅结构简单、易于实现且成本较低，而且可消除气体间的相互干扰。

为了使所述领域技术人员更加清楚明白本申请整个技术方案，结合图4所示的光学结构，本申请还以具体实例描述技术方案的实施方式，可包括下述内容：

脱硝烟气浓度场在线测量系统布置于脱硝系统内出口截面上，如图2所示，该测量系统可包括上位机110、信号发生器120、激光控制器A211、激光控制器B212、DFB激光器A221、DFB激光器B222、光开关230、单模光纤240、分光器250、光纤准直器260、二维待测平面310、光电转换器410、采集卡420和锁相放大器430。

脱硝烟气浓度场在线测量系统中各器件的连接关系可为：上位机110的输出端与信号发生器120输入端连接；信号发生器120输出端与激光控制器A211和激光控制器B212的输入端连接；激光控制器A211和激光控制器B212的输出端分别与之对应的DFB激光器221或DFB激光器222的输入端连接；DFB激光器221、DFB激光器222的输出端通过光纤与光开关230输入端连接；光开关230输出端通过单模光纤240与分光器250输入端连接；分光器250的2n个输出端分别通过光纤与2n个光纤准直器260输入端连接；2n个光纤准直器260输出端发射的激光束穿过二维待测平面310即待测脱硝烟气浓度场所在二维平面至2n个光电转换器410输入端，2n个光纤准直器260与2n个光电转换器410通过分光器将待测试截面划分为n×n个网格单元；2n个光电转换器410输出端与采集卡420输入端连接；采集卡420输出端与锁相放大器430输入端相连；锁相放大器430输出端与上位机(110)输入端相连；上位机110输出端也与光开关230输入端连接，为光开关230提供控制分时复用信号；信号发生器120输出端也与锁相放大器430输入端连接，为锁相放大器430提供参考信号。

其中，DFB激光器221或DFB激光器222的参数的选择可根据待测气体组分场选择DFB激光器的工作波段，DFB激光器工作波段要涵盖待测气体组分的吸收谱线范围，目的在于从工作波段中确定待测吸收谱线的可靠性数据。DFB激光器A221可选择中心波长为5263nm，一次扫描可获取1900.07cm

基于图4所示的脱硝烟气浓度场在线测量系统，该系统的操作方法包括：

第1步：打开脱硝烟气浓度场在线测量系统并调整光路，将每个光纤准直器260和对应的光电转换器410的中心调整至同一轴线上。

第2步：上位机110控制信号发生器120输出模拟信号，该模拟信号同时输入至激光控制器A211和激光控制器B212，激光控制器A211和激光控制器B212在接收模拟信号后分别驱动对应的两台DFB激光器发射激光信号。

第3步：激光控制器A211和激光控制器B212发射的激光信号通过光纤传输至光开关230，光开关230将二路激光信号耦合成一路激光信号输出，由上位机110分时复用控制光开关230中两路激光信号的交替输出。

第4步：光开关230输出的激光信号通过单模光纤240传输至分光器250，分光器250将输入的一路激光信号分为2n路激光信号。

第5步：分光器250输出的2n路激光信号通过光纤分别传输至2n个光纤准直器260，每个光纤准直器260将对应的一路激光信号校正为一束平行激光。

第5步：2n束平行激光穿过待测脱销烟气浓度场，形成一个n×n的光路网格，2n束激光的部分光谱被气体吸收后分别被对应的2n个光电转换器410接收。

第6步：2n个光电转换器410分别将接收的激光信号转换为电信号，并统一传输至采集卡420。

第7步：锁相放大器430具有两路输入信号和一路输出信号，输入信号包括采集卡420输出的电信号和信号发生器120输出的参考信号，锁相放大器430对输入的电信号进行调试，产生二次谐波信号，并传输至上位机110。

第8步：上位机110对输入信号进行采集和处理，并结合TDLAS技术和ART算法计算反演出二维平面的在布设截面处NOx浓度、NH

由上可知，本发明实施例针对高温多尘脱硝系统，基于TDLAS技术和ART算法实现了脱硝系统内某一截面烟气浓度场的非接触式在线测量；光开关技术作为一种分时测量技术实现了NOx、NH

在利用脱硝烟气浓度场在线测量系统采集脱硝测量系统反演出的某一截面烟气浓度场分布数据后，为了实现NOx与NH

其中，脱硝烟气浓度场在线测量系统51可参阅上述任意一个实施例所述的脱硝烟气浓度场在线测量系统。脱硝控制器52的输入端与脱硝烟气浓度场在线测量系统51的输出端相连，喷氨控制阀组53的输入端与脱硝控制器输出端52相连，喷氨控制阀组53可包含多个调节阀，调节阀可为电动调阀或气动调阀等任何一种类型可调节阀门开度值的阀门。喷氨控制阀组53包含的调节阀总数可根据每个调节阀控制的喷氨格栅54中的喷氨支管541个数和喷氨格栅的总喷氨支管数确定；若每个调节阀对应一个喷氨支管541，则调节阀总数与喷氨支管总数相同，若喷氨支管被划分为多个区域，一个区域包含多组喷氨支管，调节阀总数与区域总数相同。脱硝控制器52可根据脱硝烟气浓度场在线测量系统51输出的烟气浓度分布和SCR反应器测量的烟气浓度信息计算各调节阀的阀门开度值并生成阀门控制指令。阀门控制指令用于控制相应调节阀的阀门开度大小。喷氨控制阀组53可根据接收的阀门控制指令调节各调节阀的阀门开度，以通过控制相应喷氨支管的喷氨量使各喷氨小室的氨氮摩尔比均匀。

在本发明实施例提供的技术方案中，通过采集脱硝烟气浓度场在线测量系统输出的某一截面准确的烟气浓度场分布数据，可实现NOx与NH

此外，上述实施例中的上位机、信号发生器、激光控制器、DFB激光器、光开关、单模光纤、光纤准直器、光电转换器、采集卡、锁相放大器、脱硝控制器、喷氨控制阀等可均为市面上售卖的元器件。

作为上述实施例的一种可选实施方式，脱硝控制器52可基于偏差控制方法计算各调节阀的阀门开度值来实时优化各喷氨支管的喷氨量，在本实施例中，脱硝控制器52可调用预先存储的阀门开度计算程序执行如下步骤：

根据脱硝烟气浓度场在线测量系统输出的烟气浓度分布得到NO

根据NO

根据SCR反应器出口各区域NO

在本实施例中，根据脱硝烟气浓度场所在布设截面即测量截面的n×n个数据点，沿着宽度方向可将喷氨格栅54划分为m个分区，其中m为n的因数，m＝n、n/2、n/3、…，每个分区包含一组或几组喷氨支管，使得喷氨格栅分区与测量截面分区一一对应。分区阀控制采用均衡控制算法，对喷氨格栅各调阀进行细调从而实现脱硝系统内NOx与NH

其中，k'为分区编号，C

上述实施例还针对脱硝烟气浓度场在线测量系统提供了信号处理模块4以及脱销喷氨系统中的脱销控制器52是从功能模块的角度进行说明的，进一步地，本申请下述内容还可从硬件角度描述。对于信号处理模块4和脱销控制器52，其均可包括存储器和处理器，存储器用于存储计算机程序；处理器用于执行计算机程序时实现如上述任一实施例提到的相应方法的步骤，信号处理模块4用于执行计算机程序时实现如上述任一实施例提到脱硝烟气浓度场在线测量系统方法的步骤。脱销控制器52用于执行计算机程序时实现如上述任一实施例提到阀门开度值计算方法的步骤。

其中，处理器可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central Processing Unit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器还可以包括AI(ArtificialIntelligence，人工智能)处理器，该处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器至少用于存储以下计算机程序，其中，该计算机程序被处理器加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的相应方法的相关步骤。另外，存储器所存储的资源还可以包括操作系统和数据等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统可以包括Windows、Unix、Linux等。数据可以包括但不限于上述任意方法计算结果对应的数据等。

在一些实施例中，信号处理模块4和脱销控制器52还可包括有显示屏、输入输出接口、通信接口、电源以及通信总线。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构并不构成对脱硝烟气浓度场在线测量系统装置的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，例如还可包括传感器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本申请所提供的一种脱硝烟气浓度场在线测量系统及脱硝喷氨系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。