基于非分光红外技术的火力发电环境污染监控方法的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.54MB 66 页 15积分
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摘 要
我国煤炭丰富、电力偏紧的资源特征决定了电力工业的发展必须以燃煤火电
为主的格局。然而，也因此造成了火力发电成为二氧化硫、氮氧化物、烟尘的主
要排放源，这些都是造成环境污染的主要因素。所以，为了有效地进行污染控制，
监测火力发电烟气含量具有重要的意义。
测量气体的方法有很多，本文详细介绍了火电厂测量二氧化硫和氮氧化物的
几种方法，其中也包括非分光红外技术。通过对比，发现了非分光红外技术的优
越性。它是建立在红外光谱的基础上的，不同波长的红外光照射下，各气体的吸
收程度不一样，也正是这个原因，它可以检测混合气体的浓度，同时，及时准确
地掌握气体浓度的变化，保证测定结果的准确性和精密度，所以，非分光红外是
一种方便可靠的测定混合气体中各气体浓度的分析方法。
监控界面采用的是 Visual Basic 6.0。作为一种可视化的、面向对象的结构化高
级程序设计语言，Windows 环境下的各类应用程序都可以由它开发。它简单易学、
效率高，且功能强大，能够完成与上位机的串口通信，实现数据的传递。本设计
主要完成对火力发电过程的介绍、模拟，红外光谱图，以及各种气体几项内容的
监控和显示。
串口通信的调试，使用的是 TX-1C 单片机开发板。这一部分完成了软件的编
写、.HEX 文件的生成、程序的下载，以及最后与 VB 的通信调试。结果表明，以
上设计正确，实现了预定的功能。
关键词：火力发电 环境污染 监控方法 NDIR VB 串口通信
ABSTRACT
Resource characteristics of Coal-rich and power shortage in our country determine
that the development of power industry must be based on the pattern of coal-fired
thermal power. However, it results that thermal power become the major emission
source of sulfur dioxide, nitrogen oxides and smoke, which are the main factors causing
environmental pollution. So, in order to control pollution effectively, monitoring the gas
content in thermal power is of great significance.
There are many methods to monitor gas. This paper describes several methods of
monitoring sulfur dioxide and nitrogen oxides in thermal power plant, including
non-dispersive infrared red. By contrast, the superiority of NDIR is found. It is built on
the basic of IR. In the irradiation of different wavelengths infrared light, the extent of
absorption of each gas is not the same, which leads that the concentration of mixed gas
can be checked. At the same time, the change in gas concentration can be grasped
timely and accurately, which ensures the accuracy and precision of measurement results.
So, NDIR is a convenient and reliable analysis method to monitor each concentration of
mixed gas.
Visual Basic 6.0 is used in monitoring interface. As a visual, object-oriented
structured high-level programming language, it can be used to develop various
applications in windows environment. It is easy to learn, efficient and powerful. It can
complete transmission of date by the serial communication with the host computer. In
this design, I complete the introduction and simulation of thermal power, IR spectra,
and the monitoring and display of several contents of each gas.
Using the TX-1C microcontroller development board, I finish the debug of serial
communication. In this section, writing software, generating .HEX file, downloading
the program, and the communication debugging with VB. The results shows that the
above design is correct, and achieve the intended function.
Key Words ：thermal power, Environmental pollution, monitoring
mothod, NDIR, VB serial communication
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题背景及意义 .................................................................................................1
§1.2 国内外研究动态 .................................................................................................1
§1.3 研究内容与章节编排 .........................................................................................3
第二章 火力发电过程 ...................................................................................................5
§2.1 锅炉设备 .............................................................................................................6
§2.2 汽轮机设备 .........................................................................................................8
§2.3 热力系统及辅助设备 .........................................................................................9
§2.4 电气设备 ...........................................................................................................10
§2.5 火电厂大气污染物排放标准 ........................................................................... 11
§2.5.1 内容与范围 ..................................................................................................12
§2.5.2 污染物排放的控制要求 ..............................................................................12
§2.5.3 火电厂大气污染物分析方法 ......................................................................13
§2.6 小结 ...................................................................................................................13
第三章 气体检测方法 .................................................................................................14
§3.1 气体污染物浓度检测的必要性 .......................................................................14
§3.1.1 二氧化硫 ......................................................................................................14
§3.1.2 氮氧化物 ......................................................................................................14
§3.2 SO2浓度测量方法 ............................................................................................15
§3.2.1 碘量法 ..........................................................................................................15
§3.2.2 定电位电解法 ..............................................................................................15
§3.3 NOX浓度测量方法 ...........................................................................................16
§3.3.1 紫外分光光度法 ..........................................................................................16
§3.3.2 盐酸萘乙二胺分光光度法 ..........................................................................16
§3.4 非分光红外（NDIR）技术 ............................................................................. 17
§3.4.1 基本原理 ......................................................................................................17
§3.4.2 NDIR 检测气体浓度 ....................................................................................17
§3.5 小结 ...................................................................................................................21
第四章 气体监控画面 .................................................................................................24
§4.1 VB 介绍 ............................................................................................................ 24
§4.1.1 VB 的特点 .................................................................................................... 24
§4.1.2 VB 6.0 ........................................................................................................... 24
§4.2 监控画面的设计 ...............................................................................................24
§4.2.1 明确目标 ......................................................................................................24
§4.2.2 火力发电介绍 ..............................................................................................25
§4.2.3 视频介绍 ......................................................................................................28
§4.2.4 红外气体光谱 ..............................................................................................29
§4.2.5 发电过程 ......................................................................................................34
§4.2.6 数据监控 ......................................................................................................37
第五章 通信调试 .........................................................................................................45
§5.1 TX-1C 单片机开发板 .......................................................................................45
§5.1.1 板载资源介绍 ..............................................................................................45
§5.1.2 准备工作 ......................................................................................................46
§5.2 测试程序 ...........................................................................................................48
§5.3 通信调试 ...........................................................................................................52
§5.4 小结 ...................................................................................................................53
第六章 总 结 ...............................................................................................................54
附录一 关键程序 .........................................................................................................56
参考文献 .........................................................................................................................61
在读期间公开发表的论文 .............................................................................................63
致 谢 .............................................................................................................................64
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题背景及意义
从整个 20 世纪看，无论是人的生活、社会的发展，还是经济的发展，都需要
电力事业的支持。进入 21 世纪这样一个信息时代后，电力所发挥的作用，更是其
它能源所不能取代的。
目前，发电的方式包括了水力发电、风力发电和火力发电等。
“十二五”规划中，
国家一再强调大力发展水电核电及太阳能等新兴能源产业，但是我国煤炭丰富、
电力偏紧，这些资源上的特征也就决定了我国的发电形式，燃煤火电在未来很长
一段时间内，将始终作为我国发电的主要格局。据中国电力企业联合会发布的《全
国电力工业统计快报（2010 年）》[1]显示，2010 年，全国基建新增发电设备容量
9127 万千瓦，其中，火电 5872 万千瓦，核电 174 万千瓦，并网风电 1399 万千瓦，
水电 1661 万千瓦。全国发电设备容量截至 2010 年底为 96219 万千瓦，其中，火
电装机容量 70663 万千瓦，风电装机容量 3107 万千瓦，水电装机容量 21340 万千
瓦，核电装机容量 1082 万千瓦。
然而，由于火力发电排出的污染气体，对环境造成了严重的污染，使得火力
发电已成为目前我国污染排放产业中最主要的部分。燃煤电厂产生的二氧化硫
2SO
、氮氧化物
XNO
、二氧化碳和粉尘物等都对环境造成了巨大的影响，为了有
效地进行污染控制，监测火力发电烟气含量具有重要的意义。
现如今，烟气分析与监控已成为环境监测的主要手段，它被广泛用于化肥，
冶金，水泥，石油以及火力电厂等方面。常见的气体分析方法有：电化学法；电
气法；色谱法；光学吸收法(分红外和紫外两种)等。
§1.2 国内外研究动态[2]
目前国内外在不断地探索红外气体分析的新方法，现有研究如下：
(1) 红外气体分析系统集成研究
比如，
华东理工大学联合化学反应工程研究所王辉等人
，把红外光谱仪(由美
国Nicolet 公司开发)当作它们的系统核心。基于对经典最小二乘法的研究，实现了
混合气体的多组分定量分析，检测
2N O
、
NO
、
2NO
、
2SO
、
这些气体。这个
系统的检测时间是秒级的，而监测的灵敏度则可以达到
6
10
级。然而，红外光谱仪
作为一种精密的实验仪器，污染源环境场合不适合使用。而且，我国对于它的硬
件系统来说还没有自己的知识产权。
还有就是，曲建翘等人所在的中国预防医学科学院环监所，他们研制了
2/CO CO
非分光红外气体分析仪，可以检测一氧化碳和二氧化碳。在这个系统中，
CO
和
是共用一个气路的，是两个独立的子系统，即两个分析仪器的宏观集成。
第一章 绪 论
2
(2)红外气体分析仪微型化研究
这项研究不是说将分析仪的体积减小，而是两种技术结合的产物：微电子机
械系统(MEMS)和半导体工艺。有代表性的六类如下所示：
①基于硅微辐射仪和微调红外滤波器的红外气体分析研究
(Yokogawa) Hitoshi Hara日本横滨 电子公司的 等人
，所设计的红外气体分析器，
是利用微调红外滤波器和硅微辐射仪组成的，能够完成
浓度的检测，其测量
精度达到
6
(0 5000) 10
 
，重复性在
( 3.6)%
。使用五层变镀膜技术是这个系统的
一大特点，使得微调红外滤波器的厚度可以产生连续变化的红外线，范围在
3.5um-8.5um 之间，而
气体的吸收波长 4.25um 和参考波长 3.8um 正好在这个
范围里面，所以它可以用来检测二氧化碳。
②基于微机械光学可调滤波器的红外气体分析研究
 
Montpellier Alause H.法国蒙彼利埃 的半导体研究小组 等人
，在基于微机械光
学可调滤波器的基础上，研制了一种红外气体分析器，滤波器由三片被空气狭缝
隔开的硅晶片组成。这个仪器具有自动校准功能。滤波器是这个红外分析器的核
心部件，当电压不一样时，透射光的窄带特性可以表现出 2
m
~8
m
。在电压调
制的作用下，该分析器就实现了两种功能：光强和分光调制。
MEMS③基于微电子机械系统（ ）的红外气体分析研究
Gerhard Lammel MEMS瑞士 等人研制了一种基于微电子机械系统（ ）的
红 外
气体分析仪。组成这个仪器的有：一个热释电探测器、单光源、一个多孔硅可调
滤光片和单气室。因为所使用的滤光片的几何角度可以连续调节，所以这个仪器
可以产生 0.4um ~8um 之间的任意单色光。
Golay④基于 气室硅隔膜微型红外气体传感器研究
Osaka Kaoru Yamashita日本大阪（ ）大学工程科学研究院的 等人
研制了一种
基于 Golay 气室的，硅隔膜微型红外传感器。Golay 气室包括：三层
2
4 4mm
的平
行板电容和一个
2
3 3mm
隔膜的微小腔体。当红外光照射 Golay 气室时，气体会发
热，产生膨胀，导致隔膜偏移，转变成电容的改变量。当多种气体同时存在于 Golay
气室时，混合气体中各个气体的浓度值可以通过模式识别技术来进行有效地分辨。
Golay 气室的制造工艺是该技术的难点。
⑤基于固态锗调制器的红外气体分析研究
P.D.Fairleey 等人
Southampton英国南安普敦（ ）大学光电研究中心
红外科学
与技术小组，研制的气体分析仪是基于固态锗调制器的。这个固态调制器的工作
原理是：其微观结构，在二极管激光器产生的脉冲光激励锗片作用下，发生变化，
继而改变了光谱透射率，作用是光学开关。将移动部件去除，并把光源的连续辐
第一章 绪 论
3
射转变成了脉冲辐射。虽然该研究现在还在实验阶段，而且所工作的波段又仅局
限于 8
m
~14
m
，但它代表了
光学幅值调制的一个发展方向
，实用前景好，有可
能代替机械斩波器。
⑥基于热释电薄膜阵列的红外气体分析研究
瑞士洛桑市（Lausanne）的 B.Willing 等人，在探测器上作了改变，该研究使
用自己研制的热释电薄膜阵列，能够实现
CO
、
这两种混合气体的浓度。两种
气体具有不同的最小分辨率，
CO
的最小分辨率是
6
15 10
，
的最小分辨率是
6
200 10
。其可测量的波长范围在 3.6
m
~5.1
m
之间，因为在一个硅片上，集成
了
1 50
元素的热释电薄膜阵列。
(3) 红外气体分析的软件研究
北京航空航天大学张广军博士等人，研制了一种红外二氧化碳传感器，是应
用于舰艇及飞机驾驶室内部气体检测的。基于最小二乘拟合法，该传感器在温度
和气体压力上的补偿效果较好。
多组分非分光式气体分析仪(北京分析仪器厂)，是目前该领域的代表产品。采
用进口器件作为自己的探测器，没有我国自主的知识产权。目前，世界上红外气
体分析相关领域，直插式红外气体分析仪(由英国 Procal 公司研制)，是最为先进和
更具竞争力的产品。该分析仪的探测器与光源是在同一侧的，气室是探枪式的，
直接伸入到烟道。同时多个窄带滤光片被安装于机械切光片上，其中有一两个是
共用的参考滤光片，剩下的就是测量滤光片。这个仪器的核心技术有四个，分别
如下：多组分测量技术、气体相关滤波技术、软件消除交叉敏感技术，以及气体
压力和温度补偿技术
以上这些核心技术并没有对外公开，属于技术机密。从国内外对红外气体的
分析研究和仪器的发展方向
可以看出，英国 Procal 红外分析仪最适合污染源混合
气体的监测，其相关技术是我国跟踪研究的目标。
§1.3 研究内容与章节编排
本课题是探讨基于非分光红外技术的火力发电环境污染监控方法，即采用
NDIR 传感器加模块化组合同时检测多种气体，达到对火力发电尾气的监控。
第一章为绪论，主要是课题的背景及意义、国内外研究动态，以及研究内容
与章节编排；
第二章为理论介绍，主要介绍火力发电的过程，国家对火电厂大气污染物的
排放标准，以及本章的小结；
第三章为烟气污染物（
2SO
、
XNO
）浓度检测的必要性，气体检测方法的介
绍，以及本章的小结；
摘要：

摘要我国煤炭丰富、电力偏紧的资源特征决定了电力工业的发展必须以燃煤火电为主的格局。然而，也因此造成了火力发电成为二氧化硫、氮氧化物、烟尘的主要排放源，这些都是造成环境污染的主要因素。所以，为了有效地进行污染控制，监测火力发电烟气含量具有重要的意义。测量气体的方法有很多，本文详细介绍了火电厂测量二氧化硫和氮氧化物的几种方法，其中也包括非分光红外技术。通过对比，发现了非分光红外技术的优越性。它是建立在红外光谱的基础上的，不同波长的红外光照射下，各气体的吸收程度不一样，也正是这个原因，它可以检测混合气体的浓度，同时，及时准确地掌握气体浓度的变化，保证测定结果的准确性和精密度，所以，非分光红外是一种方...

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