CN109425699A - 一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置 - Google Patents

一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置 Download PDF

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Abstract

一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置，该装置采用气流流速和温度校准的方式，其特征在于，该装置采用嵌入式系统对各种传感器进行处理，由气体测量腔体、安装在所述气体测量腔体内部的氮氧化物传感器和气体温度传感器、以及安装在所述气体测量腔体外部的测量所述气体测量腔体内部压力差的差压传感器、数据采集单元、数据处理单元和远程传输单元顺序连接组成。该装置的数据处理流程如下：氮氧化物传感器输出原始数据首先进行温度补偿，补偿后的数据进行流量补偿，流量补偿后的数据作为传感器的输出数据；其中传感器运算所需的气体流量数据是通过差压传感器经过计算处理后得到的，其处理过程是，差压传感器数据首先进行温度补偿算法功能模块，补偿后的数据经过气体流量数据处理算法功能模块后得到气体流量数据。

Description

一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置
技术领域
本发明涉及一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置。
背景技术
中国氮氧化物排放量逐年增加，且以火电厂排放为主，主要城市大气氮氧化物浓度偏高，酸雨正向复合型转变，部分城市灰霾天数逐年增加，氮氧化物排放造成的环境效应日益明显。针对大中型锅炉的监管国家已经出台大量的法规控制以及监测排放。随着大气环保治理的深入，对中小燃油、燃气锅炉排放也有了在线监测要求。
大型锅炉排放氮氧化物监测仪器复杂，通常包括复杂的控制装置以及校准装置，不适合中小型锅炉，如10蒸吨以下的锅炉。这些锅炉数量众多、锅炉房狭小等特点，针对这类锅炉的需求，本发明是一种适合小型锅炉在线监测的，微功耗、高可靠、多功能的烟气排放监测装置，该装置即可精确的监测排放氮氧化物的浓度又可以监测排放物的排放量。大型锅炉排放监测仪器通常也会对气体排放量进行监测，排放量的监测通常采用独立的气体流量计进行监测。气体流量计也仅仅是对气体流量监测并不用于对仪器氮氧化物测量精度进行补偿，因此其动态响应通常较差，不适用于中小型锅炉。
通常氮氧化物传感器测量精度受到传感器气体流量、气体温度的影响，其中气体流速对测量有很大的影响，尤其是气体浓度不均匀的时候，会对气体浓度检测响应率造成影响，这是因为当流速快时，热传导未达平衡时被气体就被排出传感器。因此提高传感器的响应时间需要充分考虑温度和流量的影响。如何在烟气排放监测中减少温度和流速对传感器测量精度的影响，是一个技术难题。传统的氮氧化物传感器测量精度受到气流、温度的影响较大。现有技术中没有针对性的解决这个技术难题。
中国专利CN206339540U公开了一种烟气排放连续监测系统，包括第一测量装置、第二测量装置、异常监测电路、运算电路及控制器，所述第一测量装置的输出端与控制器连接，所述第一测量装置的输出端还与运算电路的输入端连接，所述第二测量装置的输出端与运算电路的输入端连接，所述异常监测电路的输入端与第一测量装置连接，所述异常监测电路的输出端与控制器连接，所述运算电路的输出端与控制器连接，所述控制器用于根据异常监测电路的输出结果，将第一测量装置的输出结果或运算电路的输出结果发送至SCR脱硝系统。上述烟气排放连续监测系统，能够避免由于第一测量装置异常而导致SCR脱硝系统失控的情况发生，防止排放超标。该现有技术是用于发电厂的，与本发明结构不同，不适用于中小型锅炉，而且没有涉及到如何实现在烟气排放监测中减少温度和流速对传感器测量精度的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置，来实现在烟气排放监测中减少温度和流速对传感器测量精度的影响，提高测量精度。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置，该装置采用气流流速和温度校准的方式使得在对精度较小的影响的情况下提高采样频率，减少流速和温度对传感器测量精度的影响。
本发明提供的装置采用嵌入式系统对各种传感器进行处理，包括氮氧化物原始数据处理模块和流量处理模块构成，数据处理流程如下：
氮氧化物传感器输出原始数据12首先进行温度补偿13，补偿后的数据进行流量补偿14，流量补偿后的数据作为传感器的输出数据15。其中传感器运算所需的气体流量数据是通过差压传感器16经过计算处理后得到的。其处理过程是，差压传感器数据16首先进行温度补偿算法功能模块17，补偿后的数据经过气体流量数据处理算法功能模块11后得到气体流量数据18。这样以来传感器输出数据充分考虑到了温度和流量的影响，从而提高了数据输出的准确性和响应速率。
本发明所说的氮氧化物传感器可以采用紫外吸收原理，氧化锆原理等适合现场应用的传感器。
为了实现上述功能，需要硬件模块，该装置采用气流流速和温度校准的方式，采用嵌入式系统对各种传感器进行处理，由气体测量腔体、安装在所述气体测量腔体内部的氮氧化物传感器和气体温度传感器、以及安装在所述气体测量腔体外部的测量所述气体测量腔体内部压力差的差压传感器、数据采集单元、数据处理单元和远程传输单元顺序连接组成。
具体地说：
本发明的在线监测装置包括由气路外壳21和节流结构22构成的负压测量腔体、安装在所述负压测量腔体内的测量氮氧化物浓度的氮氧化物传感器27、差压传感器26测量测量腔体内部20的压力差、气体温度传感器25，各个传感器输出信号经过信号调理电路28处理后送到系统控制板29中进行处理计算，最终处理结果通过通讯接口30发送到气体设备处理。本发明中的负压测量腔体包括标差压测量接口23、24，差压传感器测量的气体压力即是节流结构前后的压力。各个传感器安装在负压测量腔体内部，气体从负压腔体的测量气体通道口进入从负压气体排放口排出。腔内温度传感器测量一方面对气体浓度进行估算，另外一方面对气体温度对传感器的测量数据、寿命影响进行预估。为了获取更为精确的测量结果采用另外一个温度传感器测量电路自身的稳定，为测量结果温度补偿提供数据。所述的差压传感器26可以采用硅压阻形式的压力传感器，这样精度和稳定性较好，也可以采用MEMS技术的传感器实现小型化设计、以及具有低成本的优点。
所述氮氧化物传感器的原始数据测量补偿采用以下算法：假设最小分辨率标准气体NOx在静止流速f1的情况下输出浓度为n1，低流速f2的情况下n2，高流速f3下传感器输出浓度为n3。饱和气体NOx在静止流速下速度浓度为m1，低流速f2的情况下m2，高流速f3下传感器输出浓度为m3。这个算法还可以加入更多不同浓度的点，这样能够得到最小分辨率标准下，速率和传感器测量气体浓度关系表：
(f1，n1)、(f2，n2)、(f3，n3)......(fw，nw)，式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw。
同样得到在饱和气体或者传感器最大测量量程标准气体的情况下得到另外一组数据，
(f1，n1m1)、(f2，m2)、(f3，m3)......(fw，mw)式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw。
因此在气体流量为fx的情况下，测量的输出浓度做以下补偿，
传感器的输出为nx，实际浓度为vx，vx利用线性的方式进行补偿：
如f1＜fx＜f2，那么，
同理，如fd-1＜fx＜fd，其中1＜d＜w
以上流量补偿方式是采用线性补偿，也可以采用非线性曲线的方式进行补偿，补偿后提高了采样率，以及仪器的准确性。
本发明所用到的流量数据采集是通过装置中的差压传感器采集到差压通过数据计算得到。其计算方式和原理如下，在充满管里的流体经直线管道进入节流装置，流速将在节流处收缩，使流速加快，静压力降低，导致节流件前后产生差压。流速增大，差压也随之增大，因此，通过测量差压，可以确定流量。根据气体流量，
f＝kF((p2-p1)/ρ)，
流量f，流通面积F，前后压力差p2-p1，密度ρ、k是常数，k数字的确定和气体类型、管道形式相关，k值的确定通过标定校准的方式可以精确测定。以上全部为国际单位制.其中气体密度可以根据温度以及帕斯卡定律来计算。
对于小型锅炉其气体排放成分能够基本确定，因此可以通过进行校准的方式标定气体流量，标定采用线性关系进行标定，作为流量计算的另外以一种方法。
f＝k/ρ(p2-p1)，其中k为厂商，流量为f，前后压力差为p2-p1。标定的方式是通过调整气体流量，来获得压差。最终得到一个压差与气体流量相关的数据组。
(f1，Δp1)，(f2，Δp2)，(f3，Δp3)...
其中f1＜f2＜f3...，Δp1＝p1-p2这样我们可以采用线性插值的方式在测量到压差Δp后反推f1。
如获得更为精确的测量数据，可以在所述的气体测量腔体中增加气体绝对压力传感器，用以计算气体的绝对压力。然后依据腔体内部的温度和压力情况，根据理想气体方程来计算气体的密度。装置构成增加了绝对压力传感器42，以及信号调理器43，绝对压力传感器采集腔体内部的绝对压力。测量得到绝对压力用来计算流量计总的气体密度ρ，从而提高流量的测量精度。
传统的NOx传感器测量精度受到气流、温度的影响较大。气体排放量取决于气体浓度和流量。相比于现有技术，本发明的效果是：：
1)具有更高的测量精度，利用差压测量补偿氮氧化物传感器因气流量和温度变化引起的误差。
2)提高传感器的采样率、降低了传感器的响应时间。
3)在实现以上两个技术的同时对气体流量进行了计量。
本发明大大节省了空间、时间和投资，提高了测量的精度。本发明在需要中小锅炉烟气在线监测装置的土建、电力等工程中具有极其重要的意义和重大的实际应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：
图1，是本发明提供的装置的数据处理流程图；
图2，是本发明的第一个实施例；
图3，是本发明的第二个实施例；
图中11.气体流量数据处理算法功能模块，12.原始数据，13.温度补偿，14.流量补偿，15.传感器的氮氧化物测量输出数据，16.差压传感器数据，17.温度补偿算法功能模块，18.气体流量输出数据，20.测量腔体内部，21.气路外壳，22.节流结构，23.标差压测量接口，24.标差压测量接口，25.气体温度传感器，26.差压传感器，27.氮氧化物传感器，28.信号调理电路，29.系统控制板，30.通讯接口，31.气路外壳，32.节流结构，33.标差压测量接口，34.标差压测量接口，35.气体温度传感器，36.差压传感器，37.氮氧化物传感器，38.信号调理电路，39.系统控制板，40.通讯接口，41.测量腔体内部，42.绝对压力传感器，43.信号调理器。
本发明的保护范围不局限于下面的具体实施方式。
具体实施方式
如图2所示，是本发明的第一个实施例。
如图2所示，本发明的在线监测装置包括由气路外壳21和节流结构22构成的负压测量腔体、氮氧化物传感器27测量氮氧化物浓度、差压传感器26测量测量腔体内部20的压力差、气体温度传感器25，各个传感器输出信号经过信号调理电路28处理后送到系统控制板29中进行处理计算，最终处理结果通过通讯接口30发送到气体设备处理。本发明中的负压测量腔体包括标差压测量接口23、24，差压传感器测量的气体压力即是节流结构前后的压力。各个传感器安装在负压测量腔体内部，气体从负压腔体的测量气体通道口进入从负压气体排放口排出。腔内温度传感器测量一方面对气体浓度进行估算，另外一方面对气体温度对传感器的测量数据、寿命影响进行预估。为了获取更为精确的测量结果采用另外一个温度传感器测量电路自身的稳定，为测量结果温度补偿提供数据。所述的差压传感器26可以采用硅压阻形式的压力传感器，这样精度和稳定性较好，也可以采用MEMS技术的传感器实现小型化设计、以及具有低成本的优点。
所述氮氧化物传感器的原始数据测量补偿采用以下算法：假设最小分辨率标准气体NOx在静止流速f1的情况下输出浓度为n1，低流速f2的情况下n2，高流速f3下传感器输出浓度为n3。饱和气体NOx在静止流速下速度浓度为m1，低流速f2的情况下m2，高流速f3下传感器输出浓度为m3。这个算法还可以加入更多不同浓度的点，这样能够得到最小分辨率标准下，速率和传感器测量气体浓度关系表：
(f1，n1)、(f2，n2)、(f3，n3)......(fw，nw)，式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw。
同样得到在饱和气体或者传感器最大测量量程标准气体的情况下得到另外一组数据，
(f1，n1 m1)、(f2，m2)、(f3，m3)......(fw，mw)式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw。
因此在气体流量为fx的情况下，测量的输出浓度做以下补偿，
传感器的输出为nx，实际浓度为vx，vx利用线性的方式进行补偿：
如f1＜fx＜f2，那么，
同理，如fd-1＜fx＜fd，其中1＜d＜w
以上流量补偿方式是采用线性补偿，也可以采用非线性曲线的方式进行补偿，补偿后提高了采样率，以及仪器的准确性。
本发明所用到的流量数据采集是通过装置中的差压传感器采集到差压通过数据计算得到。其计算方式和原理如下，在充满管里的流体经直线管道进入节流装置，流速将在节流处收缩，使流速加快，静压力降低，导致节流件前后产生差压。流速增大，差压也随之增大，因此，通过测量差压，可以确定流量。根据气体流量，
f＝kF((p2-p1)/ρ)，
流量f，流通面积F，前后压力差p2-p1，密度ρ、k是常数，k数字的确定和气体类型、管道形式相关，k值的确定通过标定校准的方式可以精确测定。以上全部为国际单位制.其中气体密度可以根据温度以及帕斯卡定律来计算。
对于小型锅炉其气体排放成分能够基本确定，因此可以通过进行校准的方式标定气体流量，标定采用线性关系进行标定，作为流量计算的另外以一种方法。
f＝k/ρ(p2-p1)，其中k为厂商，流量为f，前后压力差为p2-p1。标定的方式是通过调整气体流量，来获得压差。最终得到一个压差与气体流量相关的数据组。
(f1，Δp1)，(f2，Δp2)，(f3，Δp3)...
其中f1＜f2＜f3...，Δp1＝p1-p2这样我们可以采用线性插值的方式在测量到压差Δp后反推f1。
如图3所示，是本发明的第二个实施例。
如图3所示，如获得更为精确的测量数据，本实施例在第一个实施例的气体测量腔体中增加气体绝对压力传感器，用以计算气体的绝对压力。然后依据腔体内部的温度和压力情况，根据理想气体方程来计算气体的密度。装置构成增加了绝对压力传感器42，以及信号调理器43，绝对压力传感器采集腔体内部的绝对压力。测量得到绝对压力用来计算流量计总的气体密度ρ，从而提高流量的测量精度。
上述技术方案只是本发明的两种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (11)

1.一种用于中小锅炉的烟气在线监测装置，所述装置采用气流流速和温度校准的方式，其特征在于，所述装置采用嵌入式系统对各种传感器进行处理，由气体测量腔体、安装在所述气体测量腔体内部的氮氧化物传感器和气体温度传感器、以及安装在所述气体测量腔体外部的测量所述气体测量腔体内部压力差的差压传感器、数据采集单元、数据处理单元和远程传输单元顺序连接组成。
2.如权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，所述装置的数据处理流程如下：氮氧化物传感器输出原始数据首先进行温度补偿，补偿后的数据进行流量补偿，流量补偿后的数据作为传感器的输出数据；其中传感器运算所需的气体流量数据是通过差压传感器经过计算处理后得到的，其处理过程是，差压传感器数据首先进行温度补偿算法功能模块，补偿后的数据经过气体流量数据处理算法功能模块后得到气体流量数据。
3.如权利要求1所述的在线监测装置，其特征在于，所述装置包括由气路外壳和节流结构构成的负压测量腔体、安装在所述负压测量腔体内的测量氮氧化物浓度的氮氧化物传感器、安装在所述负压测量腔体外部的测量测量腔体内部压力差的差压传感器、安装在所述负压测量腔体内的气体温度传感器、以及顺序连接的信号调理电路、系统控制板和通讯接口，其中各个传感器输出信号经过信号调理电路处理后送到系统控制板中进行处理计算，最终处理结果通过通讯接口发送到气体设备处理。
4.如权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于，所述装置的数据处理流程如下：氮氧化物传感器输出原始数据首先进行温度补偿，补偿后的数据进行流量补偿，流量补偿后的数据作为传感器的输出数据；其中传感器运算所需的气体流量数据是通过差压传感器经过计算处理后得到的，其处理过程是，差压传感器数据首先进行温度补偿算法功能模块，补偿后的数据经过气体流量数据处理算法功能模块后得到气体流量数据。
5.如权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于，所述的负压测量腔体包括两个标差压测量接口，差压传感器测量的气体压力即是节流结构前后的压力；各个传感器安装在负压测量腔体内部，气体从负压腔体的测量气体通道口进入从负压气体排放口排出，腔内温度传感器测量一方面对气体浓度进行估算，另外一方面对气体温度对传感器的测量数据、寿命影响进行预估。
6.如权利要求5所述的在线监测装置，其特征在于，所述的差压传感器采用硅压阻形式的压力传感器。
7.如权利要求5所述的在线监测装置，其特征在于，所述的差压传感器采用MEMS技术的传感器。
8.如权利要求4所述的在线监测装置，其特征在于，所述氮氧化物传感器的原始数据测量补偿采用以下算法：假设最小分辨率标准气体NOx在静止流速f1的情况下输出浓度为n1，低流速f2的情况下n2，高流速f3下传感器输出浓度为n3，饱和气体NOx在静止流速下速度浓度为m1，低流速f2的情况下m2，高流速f3下传感器输出浓度为m3；算法加入更多不同浓度的点，能够得到最小分辨率标准下，速率和传感器测量气体浓度关系表：
(f1，n1)、(f2，n2)、(f3，n3)......(fw，nw)，式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw；
同样得到在饱和气体或者传感器最大测量量程标准气体的情况下得到另外一组数据，
(f1，n1m1)、(f2，m2)、(f3，m3)......(fw，mw)式中，浓度为f1＜f2＜f3......＜fw；
在气体流量为fx的情况下，测量的输出浓度做以下补偿，
传感器的输出为nx，实际浓度为vx，vx利用线性的方式进行补偿：
如f1＜fx＜f2，那么，
同理，如fd-1＜fx＜fd，其中1＜d＜w
9.如权利要求4所述的在线监测装置，其特征在于，所述氮氧化物传感器的原始数据测量补偿采用非线性曲线的方式进行补偿。
10.如权利要求4所述的在线监测装置，其特征在于，所述的差压传感器是用于采集到差压后通过数据计算得到流量数据，其计算方式如下，根据气体流量，
f＝kF((p2-p1)/ρ)，
流量f，流通面积F，前后压力差p2-p1，密度ρ、k是常数，k数字的确定和气体类型、管道形式相关，k值的确定通过标定校准的方式可以精确测定；以上全部为国际单位制，其中气体密度可以根据温度以及帕斯卡定律来计算；
对于小型锅炉其气体排放成分能够基本确定，可以通过进行校准的方式标定气体流量，标定采用线性关系进行标定，作为流量计算的另外以一种方法；
f＝k/ρ(p2-p1)，其中k为厂商，流量为f，前后压力差为p2-p1。标定的方式是通过调整气体流量，来获得压差，最终得到一个压差与气体流量相关的数据组；
(f1，Δp1)，(f2，Δp2)，(f3，Δp3)...
其中f1＜f2＜f3…，Δp1＝p1-p2这样我们可以采用线性插值的方式在测量到压差Δp后反推f1。
11.如权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于所述的在线监测装置中增加气体绝对压力传感器和信号调理器，所述气体绝对压力传感器布置于气体测量腔体中，用于采集腔体内部的绝对压力，测量得到的绝对压力用来计算流量计总的气体密度ρ。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190305

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