CN102269695B - 一种测量混合气体发热量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量混合气体发热量的方法，该方法包括以下步骤：测量混合气体中轻组分的浓度，并计算轻组分的发热量；根据光谱吸收量与发热量之间的关联公式计算混合气体中重组分的发热量；将上述第一步和第二步所得的发热量相加，得到混合气体的总的发热量。本发明还公开了应用于上述方法中的分析装置。根据本发明的测量混合气体发热量的方法和装置，可以直接且准确地测量混合气体的发热量，且该装置结构紧凑、反应迅速、不消耗其它气体、无燃烧、运行可靠、维修低廉。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，尤其涉及一种测量混合气体发热量的方法和装置。
背景技术
在众多领域中都需要对气体尤其是混合气体的发热量进行测量，其中发热量定义为单位质量的可燃物质与氧气完全燃烧所释放出的热量，它是一个非常重要的参数，对汽机和炉膛等热系统的效率与安全性具有重要影响，其微小的扰动都可能给整个系统的运行带来问题，甚至出现安全事故。另外，天然气、石油等能源产品进行贸易时也需要对其发热量进行测量。对于发热量的测量，要求其能够简单、快速、精确和安全的实现。
为了解决上述问题，现有技术中已经提出了如下的一些方法，但它们都存在一定缺点。
热量计法。这是一种典型的直接测量发热量的方法。其将一定量的试样置于密封反应室中，在充足的氧气条件下，将试样完全燃烧，燃烧所释放的热量被反应室吸收，其温升与试样燃烧放出的热量成正比，这样发热量就可以由燃烧前后的温差计算出来。但是该方法有以下缺点，不适合现场实时测量：1)反应速度慢；2)校正与维修复杂；3)热量损失、流量变化和其它参数对测量结构有较大影响；4)燃烧存在安全隐患。
色谱法。气相色谱(GC)是基于时间差别的分离技术，将气化的混合物或气体通过含有某种物质的管，基于管中物质对不同化合物的保留性能不同而得到分离，这样，就可以基于时间的差别对化合物进行分离。样品经过检测器以后，被记录的就是色谱图，每一个峰代表最初混合样品中不同的组分，峰出现的时间称为保留时间，可以用来对每个组分进行定性，而峰的大小、峰高或峰面积，则是组分含量大小的度量。得到各组分含量大小后，再乘以各自发热量，就得到混合物总的发热量。但是该方法容易受到像水蒸汽、硫化物等组分的影响，使测量结果误差增大。另外，其反应时间较长、测量速度较慢，在实际应用中，测量的延迟可能导致计费错 误，产生经济损失。除此之外，GC的运行与维修代价也很高昂。
光谱吸收法。一种方法为利用半导体激光吸收光谱技术，测得混合气体中不可燃组分的浓度(主要为CO2)，在已知氮气浓度与声速的情况下，利用经验公式求得混合气体的发热量。但是此方法需要知道氮气的浓度以及额外的设备来测量声速，增大了测量的复杂性，同时由于经验公式可能随地区及时间而变化，该方法的应用范围也受到较大限制。另一种方法利用激光吸收光谱技术测量混合气体完全燃烧的耗氧量，再根据燃烧耗氧系数得到发热量。该方法需要气体完全燃烧才能实现准确测量，氧气工艺处理及消耗也导致运行成本增加，同时带来了安全隐患。
因此，需要提供一种测量混合气体发热量的方法和装置以解决上述问题。
发明内容
为了解决该问题，本发明首先公开了一种测量混合气体发热量的方法，所述方法包括以下步骤：
a.测量混合气体中轻组分的浓度，并计算轻组分的发热量；
b.根据光谱吸收量与发热量之间的关联公式计算混合气体中重组分的发热量；
c.将上述第一步和第二步所得的发热量相加，得到混合气体的总的发热量。
较佳地，所述步骤b进一步包括以下步骤：
b.1根据混合气体组分选择合适的激光波长，使得发热量与重组分的吸收量成线性关系；
b.2向分析装置的样品室中充入参考气体，测取激光强度Ir，作为参考示数；
b.3、向样品室中充入待测混合气体，测取光强Ix；
b.4、根据下述公式计算重组分的发热量：发热量=Coeff.·(Ir-Ix)+Offset，其中Coeff.与Offset通过已知气体进行校正。
较佳地，所述激光波长选自下列范围：1729-1731，1761-1763，1774-1789，2301-2303，2334-2344，2346-2348，2402-2404，2438-2447，2533-2541，3187-3195，3197-3209，3359-3367，3391-3400，3404-3407，3426-3427，3429-3430，3459-3461，3469-3474，3483-3492，3551-3557，3574-3575，3640-3641，3644-3650，3702-3708，3763-3767，3901-3920， 单位为纳米。
较佳地，所述关联公式为Y=2.34·10-9X-1.68·10-6。
本发明进一步公开了一种用于上述方法的测量混合气体发热量的装置，所述装置包括光学头、准直透镜、光探测器、支架、半导体激光器、转换板、样品室和反射镜，所述支架设置在所述光学头中，所述准直透镜和所述光探测器设置在所述支架的下侧，所述半导体激光器设置在所述支架的上侧，所述反射镜设置在所述装置的下端，所述半导体激光器发出的激光通过所述准直透镜后照射在所述反射镜上，并反射至所述光探测器，所述光学头下端设置有转换板，所述转换板上连接有所述样品室。
较佳地，所述样品室可以为单样品室或者双样品室。
较佳地，所述半导体激光器包括多个激光器，每个所述激光器分别产生指定波长的激光。
较佳地，所述半导体激光器也采用波长可调的激光器。
根据本发明的测量混合气体发热量的方法和装置，可以直接且准确地测量混合气体的发热量，且该装置结构紧凑、反应迅速、不消耗其它气体、无燃烧、运行可靠、维修低廉。
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
图1是波长为23.1.54nm时，混合气体中C3-C6气体的吸收量与发热量的关系图；
图2是波长为2301.0至2302.5nm时，混合气体中C3-C6气体的光谱吸收量；
图3示出了根据本发明一个实施例的测量混合气体发热量的装置的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需 一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
以下参考附图对本发明的实施例做出详细描述。
经过我们的研究，可以将混合气体中的气体组分分为轻组分和重组分。轻组分主要是指分子式中碳原子数量小于等于2的气体，比如甲烷、乙烷等。重组分主要是指分子式中碳原子数量大于2的气体，比如丁烷、异丁烷等。由于在实际应用中，碳原子数量大于等于7的组分的含量非常少，因此，忽略了这些重组分的发热量。
对于轻组分的气体的发热量的测量，可以首先通过现有技术中的可调谐半导体激光器(Tunable Diode Laser，TDL)光谱分析技术测量其浓度，然后，将各个轻组分的浓度乘以其已知热值，就可以得到该轻组分的发热量。各个轻组分的发热量相加就是全部轻组分的发热量。例如，当混合气体中的轻组分包括甲烷和乙烷时，轻组分的发热量=甲烷的热值·甲烷的浓度+乙烷的热值·乙烷的浓度。可调谐半导体激光吸收光谱气体分析技术具有反应迅速，设计紧凑，测量精准和维修低廉等优点，该技术已经成功应用于测量甲烷及其它小分子气体的浓度，在此不再对其详细描述。
对于混合气体中的重组分来说，经过我们研究，在激光中存在特定的波长，使得所有重组分对激光的吸收量与发热量成线性比例关系。也就是说，在这些波长范围内，重组分的发热量仅与激光的吸收程度有关，而与气体混合方式无关，从而使得通过直接光学吸收测量重组分的发热量变为可能。
经过我们研究，在下列波长范围内会出现上述的吸收量与发热量成线性比例关系的现象(单位为nm)：1729-1731，1761-1763，1774-1789，2301-2303，2334-2344，2346-2348，2402-2404，2438-2447，2533-2541，3187-3195，3197-3209，3359-3367，3391-3400，3404-3407，3426-3427，3429-3430，3459-3461，3469-3474，3483-3492，3551-3557，3574-3575，3640-3641，3644-3650，3702-3708，3763-3767，3901-3920。
参考图1，是波长为23.1.54nm时，混合气体中C3-C6气体的吸收量与发热量的关系图。X轴为发热量，单位为BTU.ft-3，Y轴为吸收量。其中 直线为拟合所得，斜率为2.34·10-9BTU-1.ft3，直线公式为Y=2.34·10-9X-1.68·10-6，即混合气体中的C3-C6(C3：分子式中碳原子数为3，其他依次类推)组分的发热量每变化1BTU.ft-3，则吸收量就变化2.34·10-3。由于通常吸收量的测量精度约为10-3，所以当样品室长1m时，利用该关联式计算发热量的精度可达到0.5BTU.ft-3。如果想要得到更高精度的测量，则需要增加光程。另外，如图2所示，该关联式在一个相当大的波长范围内都能具有良好的符合性。其中X轴为波长，单位为纳米(nm)，Y轴为吸收量。
跟据上面的描述，可以构造根据本发明实施例的一种测量混合气体发热量的方法，其包括以下步骤：
1、测量混合气体中轻组分的浓度，并计算轻组分的发热量。轻组分的浓度的测量可以利用上述的可调谐半导体激光器(Tunable Diode Laser，TDL)光谱分析技术来进行。
2、根据光谱吸收量与发热量之间的关联公式计算混合气体中重组分的发热量；
3、将上述第一步和第二步所得的发热量相加，得到混合气体的总的发热量。
上述步骤2进一步包括以下步骤
2.1、根据混合气体组分选择合适的激光波长，使得发热量与重组分的吸收量成线性关系。
2.2、向分析装置的样品室中充入参考气体(比如空气)，测取激光强度Ir，作为参考示数。
2.3、向样品室中充入待测混合气体，测取光强Ix。
2.4、根据下述公式计算重组分的发热量
发热量=Coeff.·(Ir-Ix)+Offset，其中Coeff.与Offset通过已知气体进行校正。
对于上述的Coeff.与Offset两个参数，已知两种气体即可确定。例如，设有n种气体，已知发热量分别为h1，h2...hn，在分析仪器中测得光强分别为Ix1，Ix2，...，Ixn，用最小二乘法确定以下直线的斜率和截距即可：发热量=Coeff.·(Ir-Ix)+Offset。
图3示出了上述测量混合气体发热量的方法中采用的分析装置的示意图。该分析装置包括光学头204；准直透镜206；光探测器210；支架212；半导体激光器214；转换板220；样品室222和反射镜224。其中示出了光线216。上述支架212设置在光学头204中，准直透镜206和光探测器210 设置在支架212的下侧，半导体激光器214设置在支架212的上侧，反射镜224设置在分析装置的下端，半导体激光器214发出的激光通过准直透镜206后照射在反射镜224上，并反射至光探测器210。在光学头204下端设置有转换板220，其上连接有样品室222。在使用时，混合气体从图3下方所示的箭头处进入样品室222，并从样品室222的上端流出。
上述的样品室222，可以为单样品室，供给样品室的待测气体与参考气体可以自动进行切换。也可以为双样品室，待测气体与参考气体分别进入不同的测量室。流量可以随意控制，无滞后时间，但造价较前者昂贵。
半导体激光器214可以包括多个激光器，每个激光器分别产生指定波长的激光。或者可以采用波长可调的激光器，比如量子级联激光器。
根据本发明的测量混合气体发热量的方法和装置，可以直接且准确地测量混合气体的发热量，且该装置结构紧凑、反应迅速、不消耗其它气体、无燃烧、运行可靠、维修低廉。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (8)
1.一种测量混合气体发热量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.测量混合气体中轻组分的浓度，并计算轻组分的发热量；
b.根据光谱吸收量与发热量之间的关联公式计算混合气体中重组分的发热量；
c.将上述步骤a和步骤b所得的发热量相加，得到混合气体的总的发热量；
所述步骤b进一步包括以下步骤：
b.1根据混合气体组分选择合适的激光波长，使得发热量与重组分的吸收量成线性关系；
b.2向分析装置的样品室中充入参考气体，测取激光强度Ir，作为参考示数；
b.3向样品室中充入待测混合气体，测取光强Ix；
b.4根据下述公式计算重组分的发热量：发热量=Coeff.·(Ir-Ix)+Offset，其中Coeff.与Offset通过已知气体进行校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光波长选自下列范围：1729-1731，1761-1763，1774-1789，2301-2303，2334-2344，2346-2348，2402-2404，2438-2447，2533-2541，3187-3195，3197-3209，3359-3367，3391-3400，3404-3407，3426-3427，3429-3430，3459-3461，3469-3474，3483-3492，3551-3557，3574-3575，3640-3641，3644-3650，3702-3708，3763-3767，3901-3920，单位：纳米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关联公式为Y=2.34·10-9X-1.68·10-6，其中X为发热量，单位为BTU.ft-3，Y为吸收量，直线斜率2.34·10-9的单位为BTU-1.ft3。
4.一种用于权利要求1-3中任一项方法的测量混合气体发热量的装置，其特征在于，所述装置包括光学头、准直透镜、光探测器、支架、半导体激光器、转换板、样品室和反射镜，所述支架设置在所述光学头中，所述准直透镜和所述光探测器设置在所述支架的下侧，所述半导体激光器设置在所述支架的上侧，所述反射镜设置在所述装置的下端，所述半导体激光器发出的激光通过所述准直透镜后照射在所述反射镜上，并反射至所述光探测器，所述光学头下端设置有转换板，所述转换板上连接有所述样品室。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述样品室为单样品室。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述样品室为双样品室。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述半导体激光器包括多个激光器，每个所述激光器分别产生指定波长的激光。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述半导体激光器采用波长可调的激光器。
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