CN104142192B - 一种高温烟气温度实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本专利涉及高温烟气温度测量装置领域，是一种自适应高温烟气的温度实时测量装置。针对现有技术无法适应烟气成分变化、测温误差大、易磨损的不足，本专利旨在提供一种高温烟气的温度实时测量装置。该装置包括可深入炉膛内部具有恒温、恒烟气浓度特性的高温纯烟气采集系统、水冷式套管换热器、水冷套换热器的高绝热保温系统、采样系统与水冷套换热器连接用陶瓷板、引射式抽气装置、换热器尾部烟气测温用带双层遮热结构的抽气热电偶、压力、流量测量元件以及烟气成分在线分析仪等。本专利高温烟气的温度实时测量装置实时监测温度变化，测温温度高，精度高，运行可靠。

Description

一种高温烟气温度实时测量装置

技术领域

本发明涉及高温烟气温度测量领域，是一种高精度的高温烟气温度实时在线测量装置。

背景技术

我国85％以上的锅炉、工业窑炉燃用煤粉，产生的高温烟气温度一般在900～1000℃以上，且富含大量的固态灰分颗粒。目前常用的高温烟气测温装置分为接触式和非接触式两种：接触式主要为热电偶，非接触式主要有辐射式测温计、红外热像仪、基于声波技术的温度测量装置等。普通热电偶，用于测量炉内烟气温度时，测量精度低，测点深度受限；当用于高含尘烟气测温时，还因磨损严重，导致其使用寿命短，维护成本高；辐射式测温计等非接触式测温装置只能反映火焰的投影温度，测量精度过低。精确测量锅炉和工业炉内烟气温度，是实现炉温控制及锅炉、窑炉高效、安全运行所必须，然而迄今为止国内外对高温烟气温度的实时、精确测量仍缺乏可靠的的测温仪器。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利CN102252780A公开了一种电站锅炉炉膛烟气温度的测量装置及其测量方法，该装置借助水冷套换热器，利用高温陶瓷取样管采集炉膛内少量烟气与冷却水换热，并测量冷却水进、出换热器时温度、流量、压力及换热器尾端烟气出口烟气的流量、温度、压力，通过换热器中烟气放热和冷却水吸热热平衡反推炉膛内高温烟气测点处的烟气温度。该装置适合测量固定烟气成分的高温烟气温度，无法实现实际运行过程中烟气成分变化时的实时温度测量，且因以下原因造成炉膛间接测温误差较大：换热水套对环境绝热性能较差，导致烟气交换给水的热量部分损失到了环境中；烟气中含有大量高热容的高温粉尘颗粒，因而含尘气流的实际放热量要大于纯烟气的放热量，降低了测温的精确性；烟气含尘浓度大，影响了流经水冷套换热器的烟气流量测量的精确性，一定程度影响了测温的精确性；换热器尾部出口采用裸装热电偶测定烟气温度，因热电偶热辐射损失较大，致出口烟气温度测量精度很低；换热器换热能力较差，烟气降温幅度低，温度测量的相对误差较大。此外，该设备还存在着取样器太短，炉膛较深位置测温受限，及采样器磨损大、易堵塞、使用寿命短等问题。

发明内容

针对现有技术无法适应烟气成分变化、烟气含尘量高、测温误差大、易磨损、寿命短的不足，本专利旨在提供一种高温烟气的温度实时测量装置，该测温装置具有测温精度高、可适合高含尘烟气温度测量、可实时测温、测温位置可调、仪表工作可靠性高、寿命长的优点。

为了实现上述目的，本专利所采用的技术方案如下。

提供一种高温烟气的温度实时测量装置，包括可深入炉膛内部具有恒温、恒烟气浓度特性的烟气采样系统、水冷套换热器、烟气采样系统与水冷套换热器连接用陶瓷板、引射式抽气装置、换热器尾部烟气测温用带双层遮热结构的抽气热电偶、压力测量元件和流量测量元件以及烟气在线分析仪等。其中：烟气采样系统由可变长采样管(采样管内置百叶窗分离器)、采样管隔热套管、水冷支架管、支架管隔热套管、引射式抽气装置、耐高温金属垫片等组成；经百叶窗分离器分离出的高粉尘颗粒浓度的气流由隔热套管环形通道排出，隔热套管通道尾部设置独立引射式抽气装置，高气相含量的烟气接入水冷套换热器换热；水冷套换热器绝热设计采用发明人自主研发的具有三层夹空层绝热保温结构；进、出水冷套的水的流量、温度、压力参数由相应的流量、温度、压力测量元件测出；换热器出口端的烟气流量、压力、烟气成分分别由流量、压力测量元件和烟气在线分析仪测出，出口端的烟气温度由高测温精度的抽气热电偶测出；所测出的温度、压力、流量、烟气成分信号经数模转换后输入计算机中运算处理后获得炉膛内高温烟气的温度；经水冷套换热器换热后的烟气由引射式抽气装置排出；水冷套换热器中烟气管道采用带外翅片的螺旋盘管结构；冷却水的温度、压力、流量测量元件分别设置在水冷套换热器冷却水的进、出口，在水冷套换热器的出口处设置烟气的温度、压力、流量测量元件以及烟气在线分析仪，将测量采集的温度、压力、流量、烟气成份信号经数模转换器转换后输入到计算机中，并进行数据记录和计算处理；换热器出口烟气温度采用双层遮热套抽气热电偶进行精确测量；基于水冷套换热器烟气放热和冷却水升温吸热平衡以及测量元件测出的流量、温度、压力、烟气成分及对应状态下的冷却水、换热烟气的热物性参数编写测点烟气温度计算程序，通过计算得到高温烟气温度。计算所需的热物性参数通过相关热物性数据库和基于热物性数据库的相关计算模型计算获得。

所述的可变长的耐高温陶瓷烟气采样管、百叶窗分离器和隔热套管均采用氧化锆陶瓷材料制成，采样管及遮热套管均由多段陶瓷管段采用螺纹连接而成，管间连接处采用耐高温的金属垫片密封；烟气经分离器后分成浓、稀二股气流，富含固体颗粒的浓相气流由外层隔热套管环形通道排出，隔热套管通道尾部设置引射式抽气装置，含尘量低的高纯烟气引入水套式换热器中换热冷却。气流含尘浓度的大幅降低，不仅提高了换热器出口气体流量测量的准确性，也减少了换热器中固体颗粒放热对气体换热量的影响，而且还因固体颗粒对测温装置和计量仪表磨损的减少，一定程度上延长了设备使用寿命。所述采样管及套管采用水冷金属支架管支撑，支架管外套双层氧化锆绝热套管，水冷支架管外套管各段之间的连接、密封与烟气采样管段间的连接与密封相同；所述用于水冷套换热器尾部烟气测温的双层遮热套抽气热电偶的内、外层套管均采用碳化硅材料制成。

本专利与现有技术相比，其优点如下。

1、本专利采用可深入炉膛内部具有恒温、恒烟气浓度特性的烟气采样系统，可采取炉膛内部不同位置的烟气，以满足对炉膛不同深度烟气温度的测量需要，为隔绝烟气在输送过程中与炉膛不同位置处的烟气进行换热，该烟气采样系统整体采用双层套管结构，采样管外套有隔热用双层氧化锆陶瓷套管，测温装置工作时，环形通道同时向外抽吸测温点的高温烟气，确保了样品烟气在输送过程的恒温、恒成分特性。

2、百叶窗分离器内置于采样管的入口，在抽气速度达到10～15m/s时，可将烟气中粒径为20～280μm的固体颗粒分离出来，仿真模拟及实验测试验证分离效率在85％以上。除去固体颗粒的烟气不仅降低对温度、流量、压力测量元件的磨损，提高测试装置的使用寿命，并且因去除了烟气中固体颗粒对烟气放热的影响及固体颗粒冲击对烟气流量测量的影响，提高了换热器纯烟气放热量计量的精确性及换热器出口烟气流量测量的精确性，从而间接提高了炉膛烟气温度的测量精度。

3、出换热器烟气测温元件采用带双层遮热结构的抽气式热电偶，因热电偶热辐射损失大幅减少和电偶与烟气之间的对流换热系数大幅增加，换热器出口烟气测温误差大幅减少，进而提高了炉膛烟气温度测量的可靠性。

4、烟气在线分析仪的的使用可获得测点的实时烟气成分，进而获得变成份时的实时烟气比热、密度等烟气物性参数。烟气热物性参数采用西安交通大学常勇强发表的最新研究成果《多组分气体热物性参数的计算方法》的计算公式计算，常勇强的计算方法是通过对现有工质热物性质计算公式分析，结合实验数据得到的，较其它方法计算精度更高，适应性更好。在线烟气成份分析仪可实时在线测量煤种成份变化、燃烧条件变化时的炉膛烟气成分，从而赋予了本套测温装置在线实时测量变煤种、变燃烧条件下的炉膛烟气温度的能力。本装置的在线烟气成份分析仪，可根据需要扩充测量烟气中成份种类。

5、烟气换热管道采用螺旋盘管结构，换热面积大幅增加，烟气通过换热器时换热系数也有相当的增加。水套中采用采用螺旋盘管结构后，其换热能力较直管结构增加3倍，烟气进出换热器的温度降幅由CN102252780A专利中的40～80℃增加160℃左右，测温装置相对测温误差将降为直管结构的1/4。

6、为减少水冷套中水的散热损失，采用发明人自己发明的高绝热三层夹空层结构对水冷套进行保温，使水冷套换热器的散热损失降至几乎为零的程度，提高了系统冷却水吸热量测量的精确性。

7、在采样管与水冷套换热器之间加装具有一定厚度的陶瓷板作为过渡连接结构，使烟气采集过程做到完全密封，采样管与陶瓷板之间采用螺纹连接并用耐高温金属垫片密封，陶瓷板与水冷套换热器采用螺栓连接并用耐高温金属及橡胶组合垫片同时密封。与采样管、水冷套换热器直接连接相比，用陶瓷板作为过渡连接结构的方式能够在连接处做到完全密封，提高了测温装置整体的保温性及密封性。

附图说明

图1为本发明专利高温烟气时温度实测量装置总体结构示意图。

图2为本发明装置用来测量换热器出口烟气温度的双层遮热套抽气热电偶结构示意图。

图1中：1-炉膛；2-烟气采集系统；3-连接用陶瓷板；4-冷却水出口；5-三层夹空层绝热保温结构；6-水冷套换热器；7-烟气管道；8-双层遮热套抽气热电偶；9-引射式抽气装置；10-烟气在线分析仪；11-冷却水入口；12-模/数转换器；13-数据显示及处理计算机；14-耐高温金属与橡胶组合垫片。

图2中：1-内层遮热套管；2-内层套管支撑结构；3-热电偶丝支撑结构；4-热电偶丝；5-外层套管支撑结构；6-外层遮热套管；7-烟气管道；8-带双层遮热结构抽气热电偶左视图。

具体实施方式

结合附图对本专利高温烟气的温度实时测量装置进行进一步说明。

如图1所示，本实施例的测量装置烟气采集系统2采集炉膛不同深度的烟气样品，烟气样品流经入口分离器后，获得的极低含尘量的高纯度高温烟气，高纯度高温烟气通过恒温、恒浓度输送进入后置的水冷套换热器6与冷却水换热，换热器出口的烟气温度T_G由抽气热电偶8测得，置于装置末端的引射式抽气装置9为烟气抽取提供动力；烟气采样系统与水冷套换热器通过具有一定厚度的陶瓷板3过渡连接，连接用陶瓷板3与前端烟气采样系统2采用螺纹连接并通过耐高温金属垫片密封，与后端水冷套换热器螺栓连接并通过耐高温金属与橡胶组合垫片14密封，提高了装置整体的保温性及密封性；水冷套换热器6绝热结构采用由发明者自主研发的具有高绝热保温性能的三层夹空层绝热保温结构5，能最大限度减少水冷套换热器6对环境的散热损失；烟气在线分析仪10置于烟气出口处对低温烟气成分进行采样分析，冷却水进、出口温度T₁、T₂由置于冷却水进口11、出口4处的测温装置测得，冷却水压力、体积流量P_W、V_W由置于冷却水入口11的压力、流量测量元件测得，烟气体积流量V_S、烟气出口压力P_S由置于换热器尾端的流量、压力测量元件测得，换热后低温烟气出口温度T_S,out由抽气热电偶测得。所有测量元件测得的参数通过模/数转换器12转换为数字信号后，通过RS-232数据端口送入计算机13进行数据记录、处理并显示处理结果。

根据上述数据，具体计算方法如下。

1、换热器高温烟气放热量计算：高温烟气放热量等于流经换热器水套水的总焓的增加，水套进、出口水的总焓值等于水的焓值、水的密度、水的体积流量三者的乘积，水的体积流量V_W由流量仪表测出，进、出水的密度值ρ_W(T,P)、水的焓值h_W(T,P)分别由基于国际水和水蒸气协会采用的水和水蒸气热力性质通用计算模型IAPWS-IF97编制计算软件算出。

△Q_W＝Q_W,out-Q_W,in＝h_W,outρ_W,outV_W,out-h_W,inρ_W,inV_W,in 式(1)

其中：△Q_W为冷却水和烟气的热量变化量；h_W为冷却水焓值；ρ_W为冷却水密度；V_W为冷却水体积流量。下表in和out分别表示装置进口与出口。

2、换热器出口烟气焓的计算：通过采集换热器出口烟气的温度、流量、压力和基于烟气分析数据计算出的烟气比热容，出口烟气焓计算式如下：

Q_S,out＝C_S,outT_S,outρ_S,outV_S,out 式(2)

其中：C_S(T,P)为烟气比热容；T_S为烟气温度；ρ_S为烟气密度；V_S为烟气体积流量。烟气物性参数参照西安交通大学常勇强发表的《多组分气体热物性参数的计算方法》(常勇强，曹子栋，赵振兴，刘宏.动力工程学报，2010，30(10)：772-776)计算模型编程计算，计算中所用的单气体热物性参数由常用气体热物性参数数据库调用。式中的烟气成份由烟气在线分析仪测得。此方法计算的混合气体定压比热值与实测值的误差在公开报道文献中计是最低的，在0～1000℃范围的相对误差小于1.3％。通过压力和温度测量仪表所得数据实时计算烟气的比热容C_S(T,P)，和密度ρ_S(T,P)，烟气比热计算如下：

其中：C_S为烟气比热，单位为KJ/(kg℃)；g_i(i＝1,2,3,...,n)分别代表烟气中氮气、二氧化碳、氧气、水蒸气等成分的质量分数，单位为kg/kg；C_S,i(i＝1,2,3,...,n)分别代表烟气中氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气等成分的比热，单位为KJ/(kg℃)。配合在线烟气成分分析仪所测出的烟气成分参数，此公式可根据需要扩充测量烟气中成份种类。各组分定压比热由BWRS方程(S tarling K E，H an M S：Thermo data refined for LPG(Part14Mixture),Hydro CarbonProcessing)计算，此方程可准确计算氮气，二氧化碳，氧气和水蒸气等烟气成分在0～1000℃范围内任意温度时的物性参数，计算值和实验值相对误差在2％以内。

3、换热器中烟气放热量△Q_S：在水套绝热时，换热器中烟气放热量等于水套中水的吸热，即△Q_W+△Q_S＝0。△Q_W为水套中水的吸热量。

△Q_S＝Q_S,out-Q_S,in＝C_S,outT_S,outρ_S,outV_S,out-C_S,inT_S,inρ_S,inV_S,in 式(4)

式中：Q_S,in、C_S,in、T_S,in、ρ_S,in、V_S,in分别为入口烟气的热焓、定压比热容、温度、密度和体积流量。

换热器入口烟气放热量的计算：Q_S,in＝Q_S,outt-△Q_S＝Q_S,out+△Q_W。

Q_S,in＝C_S,outT_S,outρ_S,outV_S,out+h_W,outρ_W,outV_W,out-h_W,inρ_W,inV_W,in 式(5)

4、基于已测出的冷却水、出换热器烟气的温度、压力、流量参数、热物性数据库、热物性计算模型，通过水冷套烟气放热和冷却水吸热热平衡计算得到测点高温烟气温度T_S,in。

式中：C_S,in为烟气入口比热，ρ_S,inV_S,in为烟气质量流量。因ρ_S,inV_S,in＝ρ_S,outV_S,out，只要测量换热出口的烟气温度、压力、体积流量，即可计算ρ_S,inV_S,in值，又因C_S,in是测点温度的函数(炉膛内压力一般为微压，因而烟气压力可视为大气压)，上式采用迭代法反求炉膛测点烟气温度T_S,in。

本专利高温烟气的温度实时测量装置可用于电站锅炉、工业窑炉的烟气实时温度测量，避免测温元件与高温烟气直接接触，延长了测温元件的使用寿命。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本专利，而不用于限制本专利的范围，在阅读了本专利之后，本领域技术人员对本专利的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种高温烟气温度实时测量装置,其特征在于：包括可深入炉膛内部具有恒温、恒烟气浓度特性的烟气采样系统、水冷套换热器、烟气采样系统与水冷套换热器的过渡连接结构、引射式抽气装置、换热器尾部烟气测温用带双层遮热结构的抽气热电偶、压力测量元件、流量测量元件以及烟气在线分析仪、模/数转换器、数据显示及处理计算机，所述烟气采样系统由可变长的采样管、采样管隔热套管、水冷支架管、支架管隔热套管、引射式抽气装置组成，所述采样管和所述采样管隔热套管均由多段陶瓷管段采用螺纹连接而成，所述采样管内置百叶窗分离器，所述引射式抽气装置置于装置末尾，所述水冷套换热器通过所述过渡连接结构与所述烟气采样系统连接，所述烟气在线分析仪设置在烟气出口处，所述数据显示及处理计算机通过所述模/数转换器与所述烟气在线分析仪连接。

2.根据权利要求l所述的一种高温烟气温度实时测量装置,其特征在于,烟气采样系统与水冷套换热器的所述过渡连接结构采用陶瓷板进行过渡连接,采样管与陶瓷板之间采用螺纹连接并用耐高温金属垫片密封,陶瓷板与水冷套换热器采用螺栓连接并用耐高温金属及橡胶组合垫片同时密封。

3.根据权利要求1所述的一种高温烟气温度实时测量装置,其特征在于,水冷套换热器内部烟气管路釆用带外翅片的螺旋盘管,与冷却水换热后由尾部排除,置于装置末尾的引射式抽气装置为烟气流动提供动力。

4.根据权利要求l所述的一种高温烟气温度实时测量装置,其特征在于,换热器烟气管道出口温度测量装置采用带双层遮热套结构高精度抽气热电偶,热电偶末端采用独立引射式抽气装置。