基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制方法及系统与流程

本发明涉及高效燃烧，具体为基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制方法及系统。

背景技术：

1、工业窑炉在运行过程中，通常采用富氧燃烧技术来提高火焰温度和降低排烟热损失。现有的富氧燃烧控制系统多采用固定配比供氧模式，或者基于单一烟气参数进行常规的反馈调节。

2、在实际工业应用中，窑炉内部存在高温与高浓度粉尘环境。常规的原位测量探头在工作时，光学透镜容易受到飞灰附着与污染，导致光电测量信号衰减和底层数据失真。同时，仅依赖单一氧气参数进行监测，无法真实反映一氧化碳、氮氧化物及残碳等燃烧中间产物的空间分布情况，系统难以准确评估炉膛内部的不完全燃烧状态。

3、在控制算法方面，现有的控制模型多依赖纯数据驱动或线性控制逻辑，缺乏对窑炉内部气体对流与扩散物理规律的约束。当遇到窑炉负荷切换或燃料热值波动等工况时，系统参数调节存在时间滞后，无法对流场浓度变化和潜在的局部缺氧区域进行提前预判，通常只能在燃烧状态恶化后进行被动干预。

4、在执行与供氧干预方式上，常规的连续配风供氧缺乏空间针对性与动态穿透力。当炉膛内发生局部偏烧或缺氧时，基础的稳态连续气流难以穿透缺氧区域外围的滞流边界层，导致富氧气体与未燃尽可燃物的混合效率较低。该配风方式无法快速改善局部的氧浓度配比，难以恢复窑炉内部的燃烧动力学平衡，最终造成燃料燃烧热效率偏低以及污染物排放量增加。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制方法及系统，解决常规测量探头在窑炉高粉尘环境下易受污染导致监测失效，以及传统配风控制存在滞后，难以提前预判并消除局部缺氧偏烧的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明第一方面提供基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制方法，包括以下步骤：

3、利用布设在窑炉外围、包含多个配备激光收发组件的执行器的光气同轴阵列，喷射稳态富氧气流以实现光学通道自清洁，并在所述光学通道内采集穿透炉膛的交叉激光衰减信号；

4、通过层析重建算法解析所述交叉激光衰减信号，获取当前时刻的烟气浓度场及缺氧中心点；

5、将所述烟气浓度场输入至融合包含组分扩散及反应源项的气体输运偏微分方程的物理信息神经网络，预判包含脉动富氧射流飞行延迟与阀门响应时间的设定时间步长后的目标缺氧靶点；

6、基于空间距离与流场阻力分布状态，确定所述多个执行器中的目标执行器，驱动所述目标执行器偏转对准所述目标缺氧靶点，并输出脉动富氧射流进行靶向补氧干预；

7、所述脉动富氧射流喷射结束后，控制所述目标执行器恢复至光学通道自清洁状态，以持续进行闭环探测。

8、进一步地，在光学通道自清洁阶段，所述稳态富氧气流在中心激光光束的外围形成一层气动保护套筒，依据同轴射流扩散规律强制排开近壁面的飞灰颗粒。作为一种优选的实施方式，该稳态富氧气流的射流动力学参数匹配气动平衡流场方程：

9、

10、其中，表示气流射流核心段维持不破碎的有效清洁光路物理长度，表示与同轴嵌套环形喷嘴内部流道粗糙度及扩张角相关的湍流射流常数，表示外围环形喷嘴的等效水力直径，表示稳态富氧气流在喷出截面处的流体密度，表示炉膛内部高温烟气的平均流体密度。

11、进一步地，在浓度场解析阶段，交叉激光衰减信号经比尔-朗伯定律积分处理为吸光度数据。将所述烟气浓度场所在的探测截面离散为网格，利用光路物理长度构建权重系数矩阵，并在迭代中结合依据残差梯度动态调整的自适应松弛因子，提取浓度极值所在的网格坐标作为当前时刻的缺氧中心点。

12、进一步地，在时空演化预判阶段，所述物理信息神经网络的总损失函数由衡量预测值与实测值偏差的数据损失项，与衡量违背所述气体输运偏微分方程程度的物理残差项联合构成。总损失函数设定为：

13、

14、其中，表示网络训练的总损失函数；与分别表示衡量预测值与实测值偏差的数据损失项，以及衡量网络输出违背气体输运偏微分方程程度的物理残差项；与分别表示对应损失项的动态权重系数。通过最小化包含物理残差项的总损失函数，促使网络在缺乏直接测量数据的区域也能严格遵循流体力学定律，进而输出推演得到的未来时间气体全局浓度场，锁定目标缺氧靶点。

15、进一步地，在靶向补氧干预阶段，基于所述目标执行器原点坐标与所述目标缺氧靶点的坐标差值，解算水平与俯仰偏转角以消除空间偏差。完成空间矢量瞄准后，控制与所述目标执行器连接的调压阀，在设定的毫秒级时序内增大进口压力至设定阈值建立高压激波，破坏原有的稳定流层剪切边界，将所述稳态富氧气流转化为脉动富氧射流射出。

16、进一步地，针对三维非均匀流场，本发明沿所述窑炉的轴向布置多组所述光气同轴阵列，运用空间插值算法将多截面烟气浓度场拼接构建窑炉三维全局浓度场，以联合预判三维空间内的目标缺氧靶点。当所述目标缺氧靶点的缺氧程度超过设定阈值时，联合驱动所述目标执行器及其相邻的执行器，向所述目标缺氧靶点进行多喷嘴协同脉动喷射。射流碰撞激发出巨大的总湍流动能，有效打破缺氧区域的滞流边界层。

17、本发明第二方面提供基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制系统，用于执行第一方面所述方法的步骤。该系统包括通过工业总线交互数据的硬件执行层与逻辑控制层：

18、所述硬件执行层包括布设在窑炉外围的光气同轴阵列，其包含多个配备偏转驱动机构、调压阀及激光收发组件的执行器。

19、进一步地，所述执行器中心为所述激光收发组件，外围同轴嵌套环形喷嘴，以在同一物理轴向上实现自清洁探测与流体靶向补氧复用。

20、所述逻辑控制层包括：

21、探测解析模块，用于控制所述执行器喷射稳态富氧气流以实现光学通道自清洁，并在所述光学通道内获取交叉激光衰减信号，并重构当前时刻的烟气浓度场及缺氧中心点；

22、神经网络预测模块，用于利用物理信息神经网络预判目标缺氧靶点；

23、矢量靶向执行模块，用于基于空间距离与流场阻力分布状态确定所述多个执行器中的目标执行器，并同步输出两路控制信号，一路控制该目标执行器配备的偏转驱动机构调整空间姿态对准所述目标缺氧靶点，另一路控制该目标执行器连接的调压阀在设定的毫秒级时序内增大进口压力至设定阈值建立高压激波，输出脉动富氧射流；并在喷射结束后，控制所述目标执行器恢复至光学通道自清洁状态。

24、本发明提供了基于烟气成分分析的窑炉高效富氧燃烧控制方法及系统。具备以下有益效果：

25、1、针对高粉尘窑炉中常规探头容易被飞灰遮挡，导致底层燃烧控制参数失真的技术问题，本发明提出布设光气同轴阵列的技术方案。通过外围喷嘴射出稳态富氧气流，在中心激光外围构建强动压气动套筒，依据流体力学规律排开逆向侵入的颗粒物。该方案在同轴上实现了流体吹扫与光学探测的复用，有效避免了恶劣环境对信号的干扰，为闭环控制提供了持续、高信噪比的底层数据支撑，保障了设备长周期低维护运行。

26、2、针对传统燃烧模型容易偏离物理规律且调控响应存在滞后的技术问题，本发明提出将浓度场输入至融合气体输运偏微分方程的物理信息神经网络进行推演的技术方案。通过将流体力学先验知识约束至网络损失函数，使得算法遵循对流扩散定律。该方案突破了事后静态反馈的局限，能够高保真地跨越时间维度预判出动态缺氧靶点，为执行端换取了动作提前量，实现了燃烧控制策略由被动滞后调节，向主动预判并抑制偏烧现象的转变。

27、3、针对传统全局配风难以穿透滞流边界层，无法快速平抑局部剧烈偏烧的技术问题，本发明提出驱动执行器偏转对准目标缺氧靶点，并在设定的毫秒级时序内增大进口压力至设定阈值建立高压激波、输出脉动富氧射流的技术方案。该方案将稳态气流转化为离散的非定常大尺度涡环，凭借其抗剪切动能刺透炉膛深处。涡环在未燃尽区域破裂释氧，极大扩展了气相接触面积，有效破坏了缺氧区域的滞流边界层，以低气耗有效改善深度缺氧区域，快速重建了局部燃烧动力学平衡，提升了燃烧热效率。