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激光诱导击穿光谱技术在电站运行诊断中的应用研究

作　者: 姚顺春
导　师: 陆继东
学　校: 华南理工大学
专　业: 电站系统及其控制
关键词: 电站运行诊断激光诱导击穿光谱技术粉煤灰未燃碳结渣特性灰分锅炉受热面多变量分析
分类号: TM711
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着我国电力生产的快速发展和用电结构发生的重大变化,使电站锅炉面临来煤多变,煤质特性复杂多样,大范围的负荷变化等不利影响,导致运行中出现各种各样的问题,比如燃烧效率偏低、燃烧稳定性差、受热面积灰、结渣、磨损等,不利于机组的稳定控制,直接影响电站锅炉运行的安全性和经济性,也严重影响了电网运行安全。燃煤电站锅炉机组在线测量技术的缺乏已经成为制约火电机组优化运行技术发展的瓶颈问题之一。因此本文致力于探讨将激光诱导击穿光谱技术应用于电站锅炉的运行诊断中,以此作为论文的研究主题,针对粉煤灰未燃碳、燃煤结渣特性和灰分含量以及受热面失效趋势的快速分析和检测开展理论和实验研究。论文在粉煤灰未燃碳、燃煤结渣特性和灰分含量以及受热面失效分析的技术水平和研究现状基础上,阐述了本论文选题的背景和意义,并明确了本论文的研究内容。详细的介绍了激光诱导击穿光谱技术原理与搭建的实验系统,为实现激光器和光谱同步控制进行了触发信号控制系统改造。将多变量分析方法引入激光诱导击穿光谱技术的定性和定量分析中,在详细阐述各方法的数学原理和计算过程的基础上,结合实验研究验证了多元线性回归、主成分回归和偏最小二乘法回归方法在LIBS定量分析方面的潜力。对重要测量参数之一的激光能量对粉煤灰未燃碳分析的影响机制和规律进行了深入研究,探讨了在大气环境下利用深紫外区碳谱线定量分析未燃碳的可行性。针对基体效应影响定量分析的问题,引入了多元线性回归和多谱线强度和为内标的定量分析方法,对比了不同煤种的粉煤灰样品未燃碳含量的定量分析结果,验证了激光诱导击穿光谱技术分析粉煤灰未燃碳的煤种适应性能力。在深入研究样品形态和激光能量这两个重要参数对燃煤中主要的灰成分元素测量的影响机制和规律的基础上,对比分析了直接关系到现场应用的两种收光模式下的燃煤等离子体光谱信号,发展了一种基于单次光谱同时检测Si₂O和Al₂O₃的燃煤结渣特性评价方法。此外,针对传统方法由光谱数据先得到灰成分含量再计算灰分含量的测量精确度较差问题,引入了偏最小二乘法,发展了直接提取燃煤光谱数据分析得到灰分含量的新方法,并验证了其良好的灰分分析精确度。针对传统失效分析方法需要进行破坏性割管和无损检测方法只能分析裂纹等宏观缺陷的问题,提出了将激光诱导击穿光谱应用于受热面材料宏观缺陷出现前的失效趋势分析。在详细分析锅炉受热面材料失效特征的基础上,深入研究了不同金相组织和不同球化程度的受热面材料与激光相互作用的机制,揭示了谱线特征、等离子体温度和电子密度等激光等离子体特性随受热面材料不同状态的变化规律。并引入了主成分分析法,利用更多可以表征材料特性的光谱数据对不同组织的样品进行了归类。为发展受热面失效趋势分析的新方法和拓展激光诱导击穿光谱技术应用的新方向奠定了理论基础和实践依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-27
  1.1 研究背景与意义  12-14
  1.2 粉煤灰未燃碳测量的研究现状  14-18
  1.3 燃煤结渣特性和灰分分析的研究现状  18-21
  1.4 受热面失效趋势分析研究现状  21-24
  1.5 本文的课题来源和研究内容  24-27
    1.5.1 本文课题来源  24-25
    1.5.2 本文研究内容  25-27
第二章激光诱导击穿光谱技术原理和多变量分析方法  27-51
  2.1 激光诱导击穿光谱技术原理  27-31
    2.1.1 激光等离子体形成机理  27-28
    2.1.2 激光等离子体光谱特性  28-31
  2.2 LIBS实验系统介绍  31-34
    2.2.1 系统组成与实验操作  31-32
    2.2.2 实验系统信号触发模式改造  32-34
  2.3 多变量分析方法  34-50
    2.3.1 多元线性回归  34-39
    2.3.2 主成分分析  39-45
    2.3.3 偏最小二乘法回归  45-50
  2.4 本章小结  50-51
第三章粉煤灰未燃碳定量分析研究  51-73
  3.1 激光能量对未燃碳测量的影响分析  51-57
    3.1.1 样品制备和实验介绍  51-52
    3.1.2 结果与分析  52-57
  3.2 未燃碳的深紫外激光诱导击穿光谱分析  57-60
    3.2.3 样品制备和实验介绍  57-58
    3.2.4 结果与分析  58-60
  3.3 基于多元线性回归的未燃碳分析  60-68
    3.3.1 样品制备和实验介绍  61
    3.3.2 结果与分析  61-68
  3.4 未燃碳测量的煤种适应性分析  68-71
    3.4.1 样品制备和实验介绍  68
    3.4.2 结果与分析  68-71
  3.5 本章小结  71-73
第四章燃煤结渣特性与灰分分析研究  73-112
  4.1 样品形态对燃煤的激光烧蚀特性影响分析  73-81
    4.1.1 样品制备和实验介绍  73-74
    4.1.2 结果与分析  74-81
  4.2 不同收光方式下燃煤结渣特性分析  81-97
    4.2.1 样品制备和实验介绍  83-84
    4.2.2 不同收光方式系统介绍  84
    4.2.3 结果与分析  84-97
  4.3 基于多变量回归的灰分分析  97-111
    4.3.1 样品制备和实验介绍  98-100
    4.3.2 结果与分析  100-111
  4.4 本章小结  111-112
第五章受热面材料的激光等离子体特性研究  112-134
  5.1 锅炉受热面材料失效特征  112-113
  5.2 不同金相组织的激光等离子体特性分析  113-124
    5.2.1 样品制备和实验介绍  114-115
    5.2.2 结果与分析  115-124
  5.3 不同球化程度的激光等离子体特性分析  124-133
    5.3.1 样品制备和实验介绍  124-127
    5.3.2 结果与分析  127-133
  5.4 本章小结  133-134
结论  134-137
  研究结论  134-135
  创新之处  135-136
  进一步工作展望  136-137
参考文献  137-152
攻读博士学位期间取得的研究成果  152-156
致谢  156-158
附件  158

激光诱导击穿光谱技术在电站运行诊断中的应用研究

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