燃煤锅炉温度场与高温腐蚀气氛场同步在线检测装置开发及应用

燃煤锅炉主燃区燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。其中,水冷壁近壁面高温腐蚀H_(2)S和CO气体浓度的实时在线监测尤为重要。为实现燃煤锅炉主燃区温度场和高温腐蚀气氛场的同步测量,基于红外热成像原理,采用Optris-PI1M小型红外热成像仪,基于LabVIEW温度实时采集应用软件,在炉膛的观察口对主燃区温度场进行连续监测。以低成本1.5μm附近的通信波段激光器作为测量高温腐蚀气体H_(2)S和CO的激光光源,并结合波长调制光谱技术和频分复用技术,以实现H_(2)S和CO气体浓度的同步检测。线性度实验表明,其线性拟合相关系数为0.9995。将研制的同步检测仪器对某300 MW四角切圆燃煤锅炉的主燃区的温度场和气氛场进行了现场应用试验。现场测试结果表明,锅炉主燃区温度主要分布范围在1300~1400℃,最高温度达到了1500℃;同时得到了锅炉主燃区的H_(2)S和CO浓度分布,H_(2)S浓度在12~125 mg/m^(3)的范围内波动,而CO浓度主要分布在10%~20%之间,最高可达22%;炉内H_(2)S和CO的浓度呈正相关,氧气浓度保持在1%以下,由于厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,从而造成对水冷壁近壁面的高温腐蚀。

H_(2)S在线监测装置研发及在锅炉水冷壁高温腐蚀防治中的应用

锅炉水冷壁高温腐蚀问题一直是影响锅炉安全运行的难题。为解决锅炉水冷壁高温腐蚀的主要媒介H_(2)S需要连续测量,但当前行业内缺乏能长期运行的H_(2)S在线监测装置问题,研发了基于可调谐二极管吸收光谱TDLAS原理测量锅炉水冷壁H_(2)S的监测装置,并使用装置在某300 MW等级电站锅炉上进行了示范应用,跟踪评估了该装置的性能。结果显示,基于TDLAS原理所研发的仪器在现场投运12个月以来保持稳定运行,装置在线监测结果显示炉内H_(2)S呈现脉冲式波动特点,H_(2)S浓度高时超过1600μL/L。监测中发现,炉内H_(2)S浓度与运行调整存在较密切的关系,在升负荷过程中,由2台磨转为3台磨运行时,前后墙23.60 m平台测点处H_(2)S浓度急剧增加,从46μL/L增至822μL/L,H_(2)S与脱硫塔入口SO_(2)没有显著的关联性。H_(2)S在线监测装置的成功研发可以实现锅炉主燃烧器区域关键参数的在线监测,并作为运行人员调整锅炉运行参数的主要依据,这对于锅炉高温腐蚀监测和锅炉数字化建设具有积极意义。

燃煤锅炉高温腐蚀气体激光在线监测设备研究

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场的两种主要高温腐蚀气体,它们不仅腐蚀锅炉近壁面,尾气对大气环境的危害也极其严重。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区的H_(2)S和CO气体浓度实时在线监测设备。仿真模拟了6335~6341 cm^(-1)范围内的气体吸收光谱,并选定1.5μm附近的近红外激光器作为激光光源。研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,使激光与气体相互作用的有效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H_(2)S和CO的最低检测极限分别为0.2×10^(-6) mol/mol和0.344×10^(-6) mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。

光丝诱导大气等离子体化学反应生成的一氧化氮测量

大气等离子体会诱导化学反应,一氧化氮(NO)是大气化学反应的主要产物之一,对其大气浓度的准确测量有助于揭示其大气化学反应机理并优化大气等离子体应用。在静态密闭反应池中,利用脉冲宽度35 fs、工作波长800 nm的脉冲激光生成光丝等离子体并诱导大气化学反应,进而采用中红外激光吸收光谱技术,实时测量了NO浓度随空气气压、反应时间的变化。在不同气压下,NO浓度随反应时间的增加而增加直至保持稳定,但NO达到稳定浓度所需要的反应时间随空气气压增加而延长。受到三体复合反应的影响,NO的累积体积比浓度从低气压时的400×10^(-6)以上减小到常压时(一个大气压)的120×10^(-6)左右。

基于炉膛水冷壁H_(2)S气氛场实时测量的锅炉运行监测与优化研究

为揭示锅炉水冷壁H_(2)S在不同负荷时的浓度分布、H_(2)S与炉膛组分CO和SO_(2)的关系、结焦区域H_(2)S分布情况以及运行调整对H_(2)S和NO_(x)的影响情况,指导锅炉运行,在某300 MW等级电站锅炉上安装了水冷壁气氛在线监测装置,系统研究了炉内近壁面H_(2)S、CO等还原性组分的生成规律及运行调整对炉内氛围的影响。结果表明:(1)在高负荷时炉内H_(2)S、CO整体浓度较高,并且负荷越高,腐蚀倾向越严重。(2)负荷在由高向低下降的过程中,存在一临界负荷(40%BMCR),当降至此临界负荷时,壁面气氛由还原性气氛开始转化为氧化性气氛。该炉易发生高温腐蚀的负荷范围为60%~100%。(3)总体上壁面H_(2)S与CO表现出正相关性,而H_(2)S与SO_(2)呈负相关性,但同时壁面各组分间又呈现出一定的独立性。(4)结焦区域H_(2)S平均浓度比非结焦区域高出537×10^(-6)(体积分数,下同),这与结焦区域水冷壁相较于非结焦区域水冷壁腐蚀更严重的现象一致。(5)关闭燃尽风投运层数、增加运行氧量,可以显著降低H_(2)S浓度,最高降幅可达91.4%,但H_(2)S浓度降低会引起NO_(x)增加,关一层燃尽风,NO_(x)平均上涨109 mg/m^(3)。建议在实际运行中,需要平衡好这对矛盾。

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^(-6)到90×10^(-6)的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R2为0.9989;对浓度为20×10^(-6)的乙烯进行连续4000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^(-9)。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500~700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速最快,最大释放量约为40×10^(-6),温度高于700℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

基于πPS-FBG传感技术的激光超声水下铝板缺陷检测研究

为实现水下金属构件在线服役状态的在线评估,搭建了一套基于激光超声和π相移光纤布拉格光栅(πPS-FBG)的水下板材缺陷检测系统.为了研究水下激光超声传播规律,以6061铝合金板材为测试样品,进行了不同水深下的激光超声探测实验.与空气中超声传播相比,实验发现水下πPS-FBG多接收到一个超声波信号,此信号是激光第一次与水面作用产生的纵波信号.随着激励源与πPS-FBG传感距离的增加,超声信号在时域上也延迟增加;πPS-FBG接收的激光激励的首个超声波信号的波速为2871.91 m/s,缺陷反射波的波速为2911.02 m/s,其与铝板中超声表面波的速度接近,两者的相对误差分别为1.3%和0.03%.改变激励源与缺陷的距离,发现缺陷的定位精度与缺陷距离无关,缺陷位置的定位相对误差随着距离的增大而逐渐减小.本研究为水下金属构件的在线服役状态检测提供了一种潜在应用技术(包括在南水北调工程中),对于提高水下结构的安全性和可靠性具有一定意义.

基于直接吸收光谱深度学习神经网络模型的CO_(2)浓度检测研究

CO_(2)是温室气体的主要成分之一,其对全球气候变化和环境质量有重大影响,燃煤电厂作为我国最大的CO_(2)排放源,面临着严峻考验。为准确、快速、低成本地检测燃煤电厂CO_(2)浓度,促进燃煤电厂低碳发展,本文利用分布反馈半导体激光器构建了一种高灵敏度的CO_(2)气体检测系统,同时采用HITRAN数据库作为深度学习模型的数据集,建立了一维卷积神经网络(one-dimensional convolutional neural network,1D-CNN)模型,采用反向传播神经网络算法检测CO_(2)浓度并与直接吸收技术进行了对比,并通过K折交叉验证法和调整模型参数来提升1D-CNN模型的性能。结果表明,1D-CNN模型的决定系数R^(2)值可达到0.9997,相对误差为1.07%,绝对误差为7.88 mg/m^(3),模型建立较为符合要求;利用1D-CNN模型调用最优参数,对比预测数据和真实数据,平均相对误差为6.06%,平均绝对误差为17.97 mg/m^(3),决定系数R^(2)=0.99941,可得模型的预测结果具有较高的精度。这种基于直接吸收光谱深度学习神经网络模型的气体浓度检测模型在测量CO_(2)气体浓度方面具有较高的准确性和可靠性,可为电力行业的环保监测和节能减排提供有力的技术支持。

文拉法辛联合不同剂量坦度螺酮治疗重性抑郁障碍研究

目的:探讨文拉法辛联合不同剂量坦度螺酮治疗重性抑郁障碍患者的疗效及对认知功能的影响。方法:选取重性抑郁障碍患者100例,随机分为单药组36例(单用文拉法辛)、联合低剂量组34例(文拉法辛联用30 mg/d坦度螺酮)和联合高剂量组30例(文拉法辛联用60 mg/d坦度螺酮),治疗6周。分别于治疗前、治疗1、2、4、6周末采用17项汉密尔顿抑郁量表(Hamilton depression scale 17 items,HAMD-17)和汉密尔顿焦虑量表(Hamilton anxiety scale,HAMA)评估疗效;采用数字符号转换测验(digit symbol substitution test,DSST)、认知功能缺陷自评问卷(perceived deficit questionnaire for depression,PDQ-D)评估认知功能。结果:治疗前和治疗1、2、4、6周,3组HAMD-17评分的时间效应和组别效应均有统计学意义(F=306.712、F=5.344,P<0.05),HAMA评分的时间效应、组别效应以及时间与组别的交互效应均有统计学意义(F=228.377、F=8.054、F=4.474,P<0.05或P<0.001)。3组DSST评分和PDQ-D评分的时间效应、组别效应以及时间与组别的交互效应均有统计学意义(P<0.05或P<0.001)。结论:文拉法辛联合坦度螺酮治疗重性抑郁障碍能够缩短起效时间、提高疗效及改善认知功能,高剂量坦度螺酮较低剂量起效更快、抗焦虑和改善认知功能作用更明显。

氨气高精度激光光谱检测装置的设计及实现

氨气排放会对环境以及人体健康造成危害,因此对环境中氨气浓度的高精度监测显得尤为重要。本文基于具有高灵敏度、高响应速度等优点的离轴积分腔输出光谱技术(OA-ICOS)对氨气高精度检测装置进行设计。使用基长30 cm装有反射率为99.99%的高反镜的光学谐振腔作为气体吸收池,实现了近3000 m的光程,将中心波长为1528 nm的分布反馈式激光器(DFB)调谐至6548.611 cm^(−1)和6548.798 cm^(−1)附近,在常温18.6 kPa的气压下对1×10^(−5)~5×10^(−5)范围内NH3进行了检测。测量结果表明NH3浓度与信号幅值的线性拟合度R2可达0.99979。使用Allan方差对实验数据进行分析得到13 s后系统的平均检测极限为9.8×10^(−9),在103 s时系统的最低检测极限可达7×10^(−9)(S/N~1)。实验结果表明,该检测装置具有良好的稳定性与高灵敏度,满足对氨气高精度检测的需求,本文研究为国内自主研发痕量气体高精度检测设备提供了技术经验。

低成本多光谱量子点新冠IgM和IgG抗体定量检测仪研究

目前,核酸检测已成为了我国新型冠状病毒感染确诊的“金标准”,然而核酸检测在检测过程中受到病程、标本采集、检测过程、检测试剂等因素的影响,容易出现检测结果“假阴性”而漏诊的情况。检测血清中的新型冠状病毒特异性IgM和IgG抗体已作为新冠病毒检测的辅助手段,可以用来弥补核酸检测的“假阴性”短板,提高检测阳性率。论文介绍了一种成本低的便携式新冠IgM和IgG抗体定量检测仪。检测仪由CPU信号处理模块、光源驱动模块、多光谱探测模块、电源模块、显示存储和通信模块等组成。采用荧光免疫层析技术使待测样本中的IgM和IgG抗体与量子点相结合,并将其截留在试纸条的T线。方波调制后的光源驱动模块驱动紫外LED,其出射紫外光通过一种屋脊形的光学系统垂直照射在免疫荧光层析试纸条的T线和C线上,量子点标记物被光源激发辐射出红色荧光,红色荧光透过窄带滤光片后被多光谱探测模块所捕获;多光谱信号在CPU中进行FFT变换得到其频谱特征量,利用信号波段和参考波段的特征量的比值进行归一化处理消除背景和环境干扰信号计算得到荧光强度,根据标定系数,从而确定IgM和IgG抗体的含量。最终检测结果显示到UI界面上同时上传到服务器数据库中,可通过计算机端进行远程查询实现数据共享和信息化管理。采用正常人血清样本作为测量试剂,进行了重复性实验,实验表明,CV值在0~8.30%之间,其中T线的CV值仅为3.45%。将含有IgG与IgM抗体的溶液,利用梯度稀释法得到一系列不同质量浓度的样品溶液进行线性度实验,采用线性度最小二乘法对检测结果进行曲线拟合,拟合系数为0.9975。最后,通过新冠疫苗血清抗体检测的实验表明,检测仪的阳性检出率为75%。该检测仪结构精巧、功耗低、操作简便、性能良好,可作为辅助手段有效提高新型冠状病毒感染的阳性检出率。

基于近红外图像处理的便携式干眼诊断仪研究

针对目前市面上的干眼诊断设备有诸如成本高、体积大和由于使用帧差法导致检测结果准确度不高等一些问题,本文设计了基于近红外图像诊断干眼的便携式设备。该设备使用基于近红外成像的Windows计算机进行检测,便于携带,可用于检测泪膜破裂时间(tear film break-up time,TBUT)、睑板腺(meibomian gland,MG)与泪河高度(tear meniscus height,TMH)等干眼症状。采用分形盒维数法检测TBUT,避免帧差法检测不准确;通过近红外(850 nm)补光成像技术检测MG,采用对比度受限自适应直方图均衡(contrast-limited adaptive histogram equalization,CLAHE)算法处理,将腺体区域突出,能够更加准确地检测面积缺失率。为了验证该仪器检测结果准确性,使用50组测试样本进行验证性实验,实验结果与意大利的CSO Antares(安达斯)仪器和SBM公司的ICP OSA等的检测结果进行对比。该设备的TBUT和TMH检测的结果与两个对照组结果的相关系数为P<0.05,检测的结果一致性较好;MG的检测正确率为86%,特异度为84%。实验结果表明,该设备可作为干眼症的筛查和诊断设备用于眼科医院和视觉光学中心。

基于NIR-TDLAS的香烟燃烧过程氰化氢测量

氰化氢(HCN)是香烟燃烧过程释放的一种重要产物,严重危害人体健康。然而传统的气相色谱法等方法很难实现燃烧过程中HCN的实时测量。本工作采用中心波长为1.53μm的分布式反馈激光器作为光源,结合激光吸收光谱(TDLAS)技术,对香烟燃烧过程中HCN气体的释放规律进行研究。实验系统采用Herriott型多光程池增加激光的有效光程,反射次数达35次,有效光程达17.5 m;同时利用嵌入式系统对原始解调的吸收信号进行采集与滤波,最终根据测得的光谱信号计算得到HCN浓度;此外,还应用波长调制与解调光谱技术提高系统的检测灵敏度与稳定性。校准实验表明,在0.001%~0.01%浓度范围内,HCN的决定系数R2为0.9974。利用该系统对0.002%标准HCN气体进行1000 s的连续监测,Allan方差分析表明,在55 s的积分时间内,系统的理论检测极限达到22×10-9,验证了检测系统的稳定性。为研究不同吸烟条件下香烟HCN的变化规律,实验模拟了100 ml/min到400 ml/min不同的采样流速和17%、22%、30%、40%等氧气氛围下香烟燃烧释放的HCN浓度。结果表明,单位时间内香烟燃烧过程释放的HCN浓度与采样流速和氧气浓度正相关,而整个燃烧过程中释放的HCN总量与氧气浓度负相关。本工作的开展为进一步研究香烟燃烧过程中的HCN的生成机理提供了基础,同时也为在近红外波段实现烟气中HCN以及其他痕量气体的测量提供了一种有效借鉴。

基于发射和吸收光谱技术测量OH浓度变化受OH生成条件的影响

羟基自由基(OH)在大气化学反应、燃烧和等离子体中都具有诊断作用。以水汽及其混合气体为母体,通过辉光放电产生含OH的等离子体,同时测量OH吸收和发射光谱强度随OH生成参数的变化。高能电子碰撞解离水汽分子是产生OH的主要途径,在母体分子气压较低时,OH的发射光谱和吸收光谱强度都随水汽浓度增加而增加,且两种光谱技术测得OH浓度变化趋势一致。然而,当母体气压超过一定阈值时,气压持续增加会降低电子能量,减弱水汽分子的解离,从而导致OH吸收光谱强度随母体气压增加而减小。以纯水汽为母体分子时,压力增加产生的碰撞致使OH的A态布居增加,观测到OH发射光谱随水汽压力增加而缓慢增加。但含氮气母体分子中氮氧化物分子会与OH碰撞并发生反应,导致OH发射光谱强度随母体气压增加而减小。

基于ab initio的BX(X=H,D)分子光谱性质理论研究

基于相关一致aug-cc-pV6Z基组,采用高精度多参考组态相互作用(MRCI)的方法,计算了BX(X=H,D)分子两个最低解离极限B(^(2)P_(u))+X(^(2)S_(g))和B(^(4)P_(g))+X(^(2)S_(g))所对应的8个Λ-S态(X^(1)Σ+,a^(3)Π,A^(1)Π,1^(3)Σ+,b^(3)Σ-,2^(3)Π,1^(5)Σ-和1^(5)Π)的势能曲线。求解径向薛定谔方程并利用LEVEL8.0程序拟合出分子的Λ-S束缚态光谱常数。计算了A^(1)Π-X1Σ+的跃迁偶极矩、Franck-Condon因子和振动能级辐射寿命。根据计算结果,制定了电子跃迁系统的激光冷却方案,为进一步研究BX(X=H,D)分子光谱特性奠定了理论基础。

多孔介质的流变模型研究

多孔介质在应力作用下具有弹性变形和黏性变形两种完全不同的变形机制.多孔介质的弹性变形是由介质的本体有效应力所致,而黏性变形则是由介质的结构有效应力所致.多孔介质的总变形为弹性变形和黏性变形的叠加.计算多孔介质总应变量的流变模型必须同时采用本体有效应力和结构有效应力(双重有效应力),而传统的流变模型仅采用Terzaghi有效应力是不妥当的,它无法正确描述多孔介质的应变行为.采用了双重有效应力之后的流变模型,通过调节介质物性参数,可以拟合介质的实际应变行为,并且把多孔介质与普通固体联系了起来.

油气初次运移理论新探

应用渗流力学的基本原理,研究油气初次运移的机制问题。研究认为,油气的初次运移是以连续相、而不是以溶液相和扩散相的形式进行的;油气初次运移的动力是浮力,因而初次运移的方向是向上的;油气初次运移所需的时间与源岩的渗透能力有关,与油气的粘度有关,还与源岩的厚度有关;油气藏的异常高压是一种暂时的压力状态,气藏的异常高压多于油藏,新生油气藏多于古油气藏;油气初次运移的通道就是源岩的粒间孔隙,源岩的非均质性和微裂缝对油气初次运移十分不利,因形成微油气藏而降低油气运移效率;源岩的厚度越大,越有利于油气聚集;“倒灌”现象是不存在的,缺少基本的动力驱动,基岩油气藏的形成是二次运移过程中侧向运移的结果。初次运移与二次运移具有相同的动力机制、运移相态和运移方向,因而两者是完全统一的。

关于储集层敏感性评价的若干问题

储集层物性随条件变化,有关参数也发生变化,即出现所谓的敏感现象,并影响油气生产,需要认真评价。现有的评价方法和评价标准都存在一些问题,客观性不足。根据研究,储集层敏感程度可以用渗透率损失率来表示,评价标准可以由0.3和0.7改为0.1和0.3.水敏属于盐敏的极端情况,盐敏评价包括了水敏评价;致密储集层的应力敏感性极弱,对生产影响极小;疏松储集层的应力敏感有利于驱油,实验室很难评价;速敏是一个伪概念,属于实验假象,不仅不能反映储集层敏感的本质,还可能误导生产实践;储集层渗透率对注入水中的固相颗粒大小非常敏感,需要认真评价。因此,储集层的常规五敏评价可以改为四敏评价,即盐敏、酸敏、碱敏和粒度敏评价。

煤层气井突然产气机理分析

煤层气井开采时一般先排水后采气,且见气时的产量不是缓慢而是突然升高。为了弄清煤层气井突然产气的机理,从煤储层的结构、产气过程等方面进行了深入分析和研究。结果表明:煤岩储层微观上为双重介质,由割理(裂缝)和基质岩块2个系统组成;割理和基质孔隙中均充满了地层水,煤层气为赋存在基质中的吸附气,需排水降压解吸后才能被采出;刚解吸出的少量气体饱和程度较小,多以气泡的形式分散在基质孔隙水中,由于受到基质毛管压力的限制,这些气体无法流动;随着解吸气量增多,气泡逐渐变成连续相,气体的饱和程度增加,压力升高,流动性也有所增强,但是煤岩基质孔隙一般较小,毛管压力较高,很多气体仍被限制在基质孔隙中,只有当气体压力升高到突破毛管压力之后,大量的解吸气才会倾泻到割理中,致使煤层气井产气量突然升高。煤层气井的产气压力低于解吸压力,而煤层气的解吸压力其实就是地层水的饱和压力或泡点压力。在煤层气开采过程中,可以采取相应节流措施来控制煤层气井的产量变化,以达到稳产及保护煤层和生产管柱的效果。

带隔板底水油藏油井临界产量计算公式

本文给出了带隔板底水油藏油井的临界产量计算公式,它适用于所有带隔板底水油藏的油井。