一种基于场分布感知的富氧燃烧污染物生成区域在线辨识系统的制作方法

本发明涉及富氧燃烧诊断与污染物控制，具体涉及一种基于场分布感知的富氧燃烧污染物生成区域在线辨识系统。

背景技术：

1、随着碳捕集与封存技术的发展，o2/co2富氧燃烧技术成为燃煤电厂低碳化改造的重要路径之一。低热值煤（如煤矸石、洗中煤、褐煤等）在o2/co2气氛下燃烧时，由于挥发分低、灰分高、热值低，其燃烧反应区在炉膛内频繁迁移且空间分布交叠，导致污染物生成区域难以预测，给分级送风、分区喷氨等空间维度的主动控制措施带来了何处治理的信息盲区。

2、电阻抗层析成像（eit）技术已在气固两相流流型识别、气泡分布检测等冷态工况下取得应用，其基本原理是通过布置于被测场域边界的电极阵列施加电激励并测量边界响应电压，重构场域内部电导率分布。然而，将eit技术应用于高温富氧燃烧环境下的污染物生成区域辨识，面临以下问题：一是高温环境下介质电导率随温度剧烈变化，冷态标定的灵敏度场模型失效；二是燃烧介质中co2在高温下部分电离产生额外的离子电导率背景，淹没有效信号；三是缺乏从电学参数分布到污染物生成区域的定量映射模型。现有技术中尚未有将场分布感知手段用于燃烧污染物生成区域在线辨识的解决方案。

3、现有技术中对富氧燃烧污染物生成的研究主要依赖以下方法：

4、（1）烟气取样分析法：在炉膛出口或尾部烟道采集烟气样本，通过气相色谱仪、质谱仪或傅里叶变换红外光谱仪（ftir）分析nox、co、so2等污染物浓度。该方法只能获取炉膛出口的平均浓度值，无法反映炉膛内部不同区域污染物生成的空间分布，更无法区分nox来源于挥发分氮路径（hcn/nh3氧化）还是焦炭氮路径（焦炭-n直接氧化）。

5、（2）数值模拟法（cfd）：通过建立燃烧反应动力学模型，结合计算流体力学方法对炉膛内的速度场、温度场和浓度场进行仿真计算。该方法虽能提供全场信息，但计算周期长（单次仿真数小时至数天），无法满足在线实时辨识需求，且模拟结果高度依赖反应动力学参数的选择。

6、（3）热电偶测温或光学火焰监测法：仅能感知温度或火焰发光强度的空间分布，无法直接反映燃烧化学反应活性区的空间位置和演变趋势，更无法区分不同类型的反应区域对污染物生成的贡献。

7、此外有技术通过神经网络模型预测污染物生成量。然而，该方案仅关注污染物总量的预测，缺乏对炉膛内部污染物生成区域的空间辨识能力，无法为空间维度的主动控制措施提供导向信息。

8、综上，现有技术无法解决富氧燃烧条件下污染物生成区域的实时在线空间辨识问题，亟需一种能够在不依赖复杂化学模型的条件下、通过物理场感知手段实现污染物生成区域在线定位的系统。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明旨在提供一种基于场分布感知的富氧燃烧污染物生成区域在线辨识系统，现有技术中无法在线辨识污染物生成区域的空间位置、无法区分不同反应区对污染物贡献度的技术问题。

2、本发明提供的基础方案：一种基于场分布感知的富氧燃烧污染物生成区域在线辨识系统，包括：

3、传感器阵列模块，布置于富氧燃烧锅炉炉膛的至少一个截面上，用于施加激励信号并采集燃烧介质对所述激励信号的边界响应数据；

4、信号采集与预处理模块，用于对所述边界响应数据进行放大、滤波、模数转换及温度漂移校正，生成标准化的边界测量数据；

5、场分布图像重构模块，用于根据所述边界测量数据，结合预先建立的灵敏度场模型，通过求解病态逆问题重构所述截面的内部场分布图像；

6、区域分割与特征提取模块，用于对所述场分布图像进行区域分割，分别提取第一类反应区和第二类反应区；所述第一类反应区为所述场分布图像中介电损耗角正切高于预设背景噪声阈值的连通域，表征挥发分释放与热解区域；所述第二类反应区为所述场分布图像中复电导率实部高于预设背景噪声阈值的连通域，表征焦炭燃烧与气化区域；并分别计算两类反应区的几何特征参数及其动态变化率；

7、污染物辨识模块，用于根据所述两类反应区的几何特征参数及空间相对位置关系，建立包含nox生成强度指数、co生成倾向指数以及氧化-还原博弈指数的多维判定体系，在线辨识污染物主要生成区域与生成强度趋势；

8、结果输出与模型更新模块，用于将辨识结果可视化输出，并依据离线或半在线标定数据周期性地修正所述多维判定体系的映射权重。

9、进一步，所述传感器阵列模块包括周向等距布置于炉膛截面上的n个电极，n≥16；所述激励信号为多频段交流电信号，频率范围为100khz~10mhz；所述边界响应数据为各电极对之间的电压差向量；各电极与炉膛内壁表面平齐，并通过刚玉绝缘层与炉壁隔离，电极采用钇稳定氧化锆保护的铂铱合金材料。

10、进一步，所述场分布图像重构模块将所述截面划分为个网格单元，建立边界测量变化量与内部场分布变化量之间的线性化近似关系，其中为灵敏度矩阵，为所述截面内各网格单元的复电导率变化量向量；所述内部场分布图像的物理含义为所述截面内各网格单元的复电导率变化量，包含实部和虚部；所述场分布图像重构模块通过求解如下目标泛函重构所述内部场分布图像：

11、

12、其中，为当前时刻的边界电压向量；为总变分正则项，用于保持燃烧锋面的边缘特征；为基于历史帧数据的时序外推预测先验；为正则化权重系数，为时序约束权重系数。

13、进一步，所述区域分割与特征提取模块提取所述第一类反应区后，计算该区域的面积、形心坐标及其面积变化率，所述面积变化率通过前后两帧差值除以帧间隔获得。

14、进一步，所述区域分割与特征提取模块提取所述第二类反应区后，计算该区域的面积、形心坐标及其等效直径收缩速率；所述等效直径按圆面积等效计算，。

15、进一步，所述nox生成强度指数的计算方式为：

16、

17、其中，为第二类反应区的平均电导率实部，、为通过预先标定实验确定的权重系数；值上升表征出口nox浓度攀升。

18、进一步，所述结果输出与模型更新模块利用历史时刻出口烟气分析仪实测的nox、co浓度数据，以预设时间间隔对所述权重系数、进行最小二乘递推校正。

19、进一步，所述co生成倾向指数的判定方式为：根据第二类反应区的形心移动速率结合等效直径收缩速率进行判断；当大于预设速率阈值且小于预设收缩阈值时，判定焦炭燃尽率下降，输出co高排放预警信号。

20、进一步，所述氧化-还原博弈指数的计算方式为：

21、

22、其中，为第一类反应区与第二类反应区的重叠面积，为预设正常数；值越高表征挥发分析出区与焦炭燃烧区的空间交叠程度越高，均相no还原反应概率越高。

23、进一步，所述传感器阵列模块中，各电极内嵌入有热电偶，用于同步测量各电极安装位置的壁面温度；所述信号采集与预处理模块根据所述壁面温度对所述边界响应数据进行温度漂移在线校正。

24、本发明的原理在于：

25、1、场分布感知信号的获取与处理。传感器阵列模块中的电极阵列向炉膛截面的燃烧介质施加多频段交流激励信号。不同燃烧区域中的介质对激励信号的频响特性存在本质差异：焦炭中的石墨化微晶碳具有离域π电子体系，在低频段（≤500khz）呈现显著的电子导电性，表现为复电导率实部的局部高值；挥发分中的极性分子（含c-h、o-h、n-h键的碳氢化合物）在高频段（≥1mhz）呈现介电弛豫损耗，表现为介电损耗角正切的局部高值。边界测量数据经温度漂移校正和co2电离背景扣除后，生成标准化的边界电压向量，该向量包含了截面内部不同区域电学特性的空间分布信息。

26、2、病态逆问题的正则化求解。将截面划分为个网格单元，建立灵敏度矩阵（维，为独立测量数）。由于远小于，该逆问题严重病态。本发明引入双重约束进行稳定求解：总变分正则项利用燃烧反应区内部均匀、边界锐利的先验空间结构，保持锋面边缘清晰；时序外推预测先验利用相邻帧间燃烧状态缓变的连续性，约束解在时间维度上的平滑性。通过split-bregman迭代求解该目标泛函，可在≤25ms内获得当前截面的复电导率分布图像。

27、3、反应区的电学特征提取。从重构图像中分别提取两类连通域：（1）第一类反应区（介电损耗角正切高值连通域）：该区域因挥发分中极性分子的偶极弛豫产生介电损耗，介电损耗角正切值显著升高，对应hcn/nh3等nox前驱物的释出区域；（2）第二类反应区（高值连通域）：该区域因焦炭碳骨架的电子导电性，值显著升高，对应焦炭-n向no转化的燃烧区域。计算两类区域的面积、、形心坐标、、面积变化率及等效直径收缩速率，将抽象的场分布图像转化为可量化的反应区几何特征参数。

28、4、污染物生成趋势的多维判定。基于反应区特征参数构建三个独立互补的辨识指数：nox生成强度指数将挥发分释出强度（扩张项）与焦炭氧化强度（）加权组合，从挥发分氮和焦炭氮两条路径综合表征nox的生成潜力；co生成倾向指数通过判定焦炭燃烧区是否处于形心剧烈位移与等效直径收缩减缓的组合状态，辨识燃尽不完全导致的co生成激增；氧化-还原博弈指数通过计算两类反应区的空间重叠程度（），量化挥发分释出区（产还原剂hcn/nh3）与焦炭燃烧区（产no）之间的混合状态，该重叠程度越高，均相no还原反应发生的概率越大。三个指数分别从生成强度、燃尽不完全、自还原能力三个维度描绘污染物生成态势，形成完整的辨识逻辑。

29、5、映射模型的自适应更新。利用出口烟气分析仪实测数据，通过最小二乘递推对的权重系数、进行周期性校正，使电学参数-污染物生成之间的映射关系随煤种或工况变化自适应调整。

30、综上，本发明的核心原理在于：将燃烧反应区的物质组成差异转化为电学参数差异，将电学参数差异转化为场分布图像的空间特征，再将空间特征转化为污染物生成趋势的量化指标，从而实现从物理场感知到化学污染物生成诊断的跨层次辨识。

31、本发明的有益效果在于：

32、1、在诊断手段层面，本发明将物理场分布感知理念引入富氧燃烧污染物生成诊断。不同于现有技术中依赖烟气取样（仅获出口均值）或cfd仿真（计算周期数小时至数天）的方法，本发明通过传感器阵列获取边界响应数据并重构截面场分布图像，能够在不依赖复杂化学反应动力学的条件下，以≤2秒的响应周期实现炉膛内部污染物生成区域的空间定位（空间分辨率优于0.1m）。这突破了现有方法无法在线、实时、空间分辨地辨识燃烧反应区分布的技术问题。

33、2、在区域辨识层面，本发明通过提取具有不同电学特征的第一类反应区（介电损耗角正切高值区，表征挥发分释出）和第二类反应区（高值区，表征焦炭燃烧），实现了在炉膛内部在线区分挥发分氮→hcn/nh3释出区域与焦炭氮→no氧化区域。在此基础上构建的氧化-还原博弈指数，通过计算两类反应区的空间重叠面积比例，定量表征了均相no还原反应（hcn/nh3与no→n2）的空间发生概率，为炉膛内nox的生成-还原竞争关系的在线评估提供了量化判据。相比于现有技术无法区分nox来源路径，实现了污染物生成机理的空间解耦。

34、3、在算法层面，引入总变分（tv）正则化与时序外推预测先验的双重约束策略求解病态逆问题。总变分正则项利用燃烧反应区内部均匀、边界锐利的先验空间特征，有效抑制了高温、高灰分环境下场分布重构中常见的软场效应和边界伪影；时序外推预测先验利用相邻帧间燃烧状态变化的连续性约束解空间，进一步提升了重构稳定性。在16电极、1024像素的配置下，相比传统线性反投影算法（分辨率>0.3m）和landweber迭代（收敛慢、易受噪声干扰），本发明的重构算法将空间分辨率提升至优于0.1m，同时将单帧重构时间控制在25ms以内，兼具精度与实时性。

35、4、在数据链路层面，本发明建立了从边界电压测量到场分布重构再到反应区几何特征参数再到污染物生成趋势多维指数的完整数据映射链条。三个辨识指数分别从生成强度、燃尽不完全程度和自还原能力三个独立维度刻画污染物生成态势，构成交叉验证的多维判定体系，避免了单一指标误判的风险。同时，利用出口实测数据对映射权重进行递推校正，使辨识模型具备对煤种变化、负荷调整的自适应跟踪能力。

36、5、在工程应用层面，本系统的传感器阵列为非侵入式安装（电极与内壁平齐），无需对炉膛结构进行大规模改造，钇稳定氧化锆保护的铂铱合金电极可在900~1100℃富氧含硫气氛下长期稳定工作。所输出的nox/co生成区域空间定位信息（如“炉膛右侧中上部焦炭燃烧区活跃，预计nox将在5~8秒后升高”），可为分级送风、分区喷氨、循环烟气注入位置优化等空间维度的主动控制措施提供明确的何处治理、何时治理导向信息，将污染物控制从出口被动治理提升为炉内分区主动干预。