一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统的制作方法

本发明涉及工业烟气流场控制，具体为一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统。

背景技术：

1、在电力、冶金、化工等行业中，工业窑炉、锅炉等热工设备运行产生的大量高温烟气，需经由烟道系统输送至除尘、脱硫、脱硝等下游环保设备进行处理。烟道内烟气流场的分布特性直接影响下游设备的运行效率与使用寿命。

2、现有烟道系统普遍存在烟气流场分布不均的技术问题。具体表现为：烟气偏流、局部流速过高或过低、涡流区显著、温度场与速度场耦合不均等。造成上述问题的主要原因包括：烟道转弯、变径、挡板及内部支撑结构引起的流动阻力差异，以及锅炉负荷变化导致的烟气流量与温度波动。

3、为改善流场均匀性，现有技术中已采用多种被动式整流装置，例如：导流板、整流格栅、多孔均流板等。这些装置通过改变烟道内部几何结构来重新分配气流，在一定程度上可缓解偏流问题。然而，上述被动装置存在固有缺陷：其结构参数一旦固定，便无法适应机组负荷变化、燃料变化或设备老化引起的烟气工况波动。换言之，传统整流装置缺乏主动调控能力，在变工况条件下其优化效果显著下降，甚至可能成为新的阻力源。

4、近年来，已有研究尝试将热管技术应用于烟道余热回收，但主要关注其传热性能，尚未见将真空热管阵列作为主动执行元件用于流场动态调控的报道。部分专利提出了基于可调导叶或可移动挡板的主动整流方案，但此类机械结构在高温含尘烟气环境中易发生卡涩、磨损，可靠性较低，且调节机构复杂、维护成本高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，具备通过实时获取烟道内的多维流场数据，基于多目标优化函数得到各热管的目标传热功率，进而得到冷却风阀目标开度，从而动态调节热管冷凝侧冷却强度，改变局部烟气温度，重塑烟道流场等优点，解决了上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，包括：流场监测模块、真空热管阵列、主动控制模块和执行控制模块；

3、所述流场监测模块用于实时获取烟道内的多维流场数据，并对其进行标准化处理；

4、所述真空热管阵列包括若干根可调式真空热管，所述真空热管含蒸发段和冷凝段，所述蒸发段位于烟道内部，所述冷凝段位于烟道外部；

5、所述主动控制模块基于标准化处理后的多维流场数据和优化目标函数动态调整真空热管阵列中每根热管的目标传热功率；

6、所述执行控制模块基于热管的目标传热功率控制热管冷凝段的冷却风阀目标开度。

7、作为本发明的优选技术方案，所述多维流场数据的表达式为：，其中，、和分别表示第根、第根和第根真空热管的多维流场数据，所述第根真空热管的多维流场数据包括烟道内若干个测点处的烟气流速、烟道蒸发段和冷凝段的内壁温度。

8、作为本发明的优选技术方案，所述标准化处理的相关表达式如下：

9、

10、

11、

12、其中，表示第根真空热管的烟气平均流速；表示当前真空热管内设置的测点总个数；表示当前真空热管第个测点处烟气的流速；表示第根真空热管蒸发段的内壁平均温度；表示当前真空热管内蒸发段设置的测点总个数；表示当前真空热管蒸发段第个测点处的内壁温度；表示第根真空热管冷凝段的内壁平均温度；表示当前真空热管内冷凝段设置的测点总个数；表示当前真空热管冷凝段第个测点处的内壁温度。

13、作为本发明的优选技术方案，所述主动控制模块基于多维流场数据和优化目标函数动态调整真空热管阵列中每根热管的冷却风阀目标开度，包括以下步骤：

14、步骤a1：构建优化目标函数；

15、步骤a2：设置约束条件：

16、步骤a3：求解步骤a1的优化目标函数，得到下一时间窗口下每根热管的目标传热功率。

17、作为本发明的优选技术方案，所述目标传热功率的表达式为：，其中，、和分别表示第根、第根和第根真空热管的目标传热功率。

18、作为本发明的优选技术方案，所述步骤a1优化目标函数的表达式如下：

19、

20、其中，表示优化目标函数值；表示取最小值；表示真空热管阵列中真空热管的总根数；表示第根真空热管的烟气平均流速；表示烟气的标准流速；表示第根真空热管的实际传热功率；表示单根热管的最大允许传热功率；表示第根真空热管的权重系数；表示调节系数；表示求和运算。

21、作为本发明的优选技术方案，所述第根真空热管的实际传热功率的表达式如下：

22、

23、其中，表示第根真空热管的等效换热系数；表示第根真空热管蒸发段的内壁平均温度；表示第根真空热管冷凝段的内壁平均温度；表示第根真空热管的有效换热面积。

24、作为本发明的优选技术方案，所述约束条件的表达式如下：

25、

26、

27、其中，表示第根真空热管的传热功率；和分别表示单根热管的最小允许传热功率和最大允许传热功率；表示第根真空热管的烟气平均流速；和分别表示允许最低和最高的烟气平均流速。

28、作为本发明的优选技术方案，所述执行控制模块基于热管的目标传热功率控制热管冷凝段的冷却风阀目标开度包括以下步骤：

29、步骤b1：基于冷却风阀目标开度动态调节热管冷凝段的冷却风阀目标开度；

30、步骤b2：在调节达到设定时间后，计算优化目标函数值，根据值大小判断是否停止对冷却风阀的调节，具体为：当优化目标函数值≤目标阈值时，则恢复冷却风阀的默认开度，当优化目标函数值＞目标阈值时，则继续控制冷却风阀目标开度保持其目标开度。

31、作为本发明的优选技术方案，所述步骤b1冷却风阀目标开度的相关表达式如下：

32、

33、其中，表示第根真空热管的目标传热功率；表示单根热管允许的最大传热功率；表示第根真空热管冷凝段的冷却风阀目标开度；表示冷却风阀允许的最低开度；表示冷却风阀允许的最高开度。

34、与现有技术相比，本发明提供了一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，具备以下有益效果：

35、本发明通过实时获取烟道内的多维流场数据，并对其进行标准化处理，得到标准流场数据，基于优化目标函数动态调整真空热管阵列中每根热管的目标传热功率，真空热管阵列包括若干根可调式真空热管，每根真空热管含蒸发段和冷凝段，基于热管的目标传热功率控制热管冷凝段的冷却风阀目标开度，从而动态调节热管冷凝侧冷却强度，改变局部烟气温度，进而动态调整烟道流场。

1.一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：包括：流场监测模块、真空热管阵列、主动控制模块和执行控制模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述多维流场数据的表达式为：，其中，、和分别表示第根、第根和第根真空热管的多维流场数据，所述第根真空热管的多维流场数据包括烟道内若干个测点处的烟气流速、烟道蒸发段和冷凝段的内壁温度。

3.根据权利要求2所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述标准化处理的相关表达式如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述主动控制模块基于多维流场数据和优化目标函数动态调整真空热管阵列中每根热管的冷却风阀目标开度，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述目标传热功率的表达式为：，其中，、和分别表示第根、第根和第根真空热管的目标传热功率。

6.根据权利要求4所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述步骤a1优化目标函数的表达式如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述第根真空热管的实际传热功率的表达式如下：

8.根据权利要求4所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述约束条件的表达式如下：

9.根据权利要求4所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述执行控制模块基于热管的目标传热功率控制热管冷凝段的冷却风阀目标开度包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种基于真空热管的烟道流场优化和主动调控系统，其特征在于：所述步骤b1冷却风阀目标开度的相关表达式如下：