CN109556749A - 一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法，该装置包括：高温烟气采集系统、水冷式换热系统、烟气成分分析系统、抽气装置、测量元件、数据采集与处理系统；所述测量元件、所述烟气成分分析系统与所述数据采集与处理系统电性连接；所述水冷式换热系统布置在所述高温烟气采集系统之后，所述烟气成分分析系统布置在所述二次水冷系统的尾端位置，且所述抽气装置与所述二次水冷系统的尾端相连接。本发明利用水冷式换热系统，将高温烟气冷却至1200℃以下，通过测量其温度和冷却介质吸热量，计算高温烟气温度，从而实现1600℃以上高温烟气的高精度、长时间测量。

Description

一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于工业加热设备和检测监测技术领域，更具体的说是涉及一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法。

背景技术

对于锅炉和炉窑等工业加热设备，炉内或窑内温度是十分重要的运行操作条件之一，温度变化与分布的准确测量对于燃烧组织及优化、产品质量控制等均有重要意义。在燃烧区域，温度常在1600℃以上，超高温炉窑的温度可高达1800℃。目前，对于1600℃以上高温烟气温度，接触式温度传感器如热电偶无法实现长期连续测量，国内外普遍采用光学方法等非接触式测量方法，但测量不确定度较高，测量误差较大。

经过对现有技术的检索发现，市场上目前尚未出现符合上述测量要求的类似产品，已公开的发明专利存在烟气经过冷却系统温度降幅低、烟气含尘率高、测量精度低等问题，对于1600℃以上烟气，无法实现长期、精确测量。

因此，如何克服上述技术缺陷，提供一种能够实现长期、精确测量的测量装置及测量方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，针对现有技术无法实现1600℃以上高温烟气长时间、高精度测量的问题，本发明提供了一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高温烟气接触式温度测量装置，包括：高温烟气采集系统、水冷式换热系统、烟气成分分析系统、抽气装置、测量元件、数据采集与处理系统；

所述测量元件、所述烟气成分分析系统与所述数据采集与处理系统电性连接；所述测量元件包括冷却水进口压力表、冷却水进口温度计、冷却水出口压力表、冷却水出口温度计、冷却水流量计、皮托管测速装置、抽气式热电偶；

所述水冷式换热系统布置在所述高温烟气采集系统之后，并与其密封连接；所述水冷式换热系统包括依次连接的一次水冷系统和二次水冷系统，所述一次水冷系统的冷却水进口处设有所述冷却水进口压力表和所述冷却水进口温度计，冷却水出口处设有所述冷却水出口压力表和所述冷却水出口温度计，在所述一次水冷系统的冷却水进口或冷却水出口处还设有所述冷却水流量计；所述一次水冷系统的尾端设有所述皮托管测速装置和所述抽气式热电偶；

所述烟气成分分析系统布置在所述二次水冷系统的尾端位置，且所述抽气装置与所述二次水冷系统的尾端相连接。

通过采用上述技术方案，本发明一种高温烟气接触式温度测量装置，通过采用高温烟气采集系统与水冷式换热系统密封连接，抽气式热电偶布置在水冷式换热系统后，用于测量冷却后的烟气温度，烟气经进一步冷却后，采用烟气成分分析系统确定烟气组分，冷却水介质压力和温度测点分别布置于冷却水介质进、出口，测得的水温度、压力、流量、烟气温度、流速、组分数据均传输至数据采集与处理系统，经数据处理，可得高温烟气的温度。本发明装置能实现1600℃以上高温烟气的高精度、长时间测量。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述高温烟气采集系统包括由耐火陶瓷材料制成的分离器和采样管，所述分离器可拆卸的连接于所述采样管前端，以便进行清洗。

优选的，所述分离器包括依次连接的第一级分离器和第二级分离器，所述第一级分离器为百叶窗分离器，所述第二级分离器为撞击式分离器。更优选的，所述撞击式分离器采用多级自由组合的形式。

有益效果：经过两级分离器多次分离，高温烟气中固体颗粒可被有效分离，避免了固体颗粒对测量元件的磨损和由于颗粒放热引起的温度测量偏差。

优选的，所述采样管包括内层圆管和外层圆管，所述内层圆管和所述外层圆管同心布置且所述内层圆管和所述外层圆管之间的环形伴热通道内设有支撑件。

有益效果：采样管同心布置内外两层圆管，内层圆管内烟气为温度测量对象，环形通道内烟气起伴热作用，避免自取样位置至炉墙由于炉内温度变化而引起的烟气温度变化。

优选的，所述一次水冷系统包括与所述内层圆管相连通的一次水冷系统烟气通道、设于所述一次水冷系统烟气通道内的一次水冷管束以及设于所述一次水冷系统烟气通道外的一次水冷套管，所述一次水冷套管外部包裹有隔热材料。

上述一次水冷管束和一次水冷套管均选用导热系数高的金属管材制作而成。

优选的，所述二次水冷系统包括与所述一次水冷系统烟气通道相连通的二次水冷系统烟气通道以及设于所述二次水冷系统烟气通道外的二次水冷套管，所述二次水冷系统烟气通道与所述环形伴热通道相连通，所述二次水冷套管外部包裹有隔热材料，所述二次水冷系统烟气通道的尾端设有所述烟气成分分析系统，并与所述抽气装置相连接。

有益效果：一次水冷系统和二次水冷系统水冷套外部包裹隔热材料，可减少向环境散热。

优选的，所述冷却水进口温度计和所述冷却水出口温度计均为测量精度高、性能稳定的铂热电阻温度计。

优选的，所述抽气式热电偶外部设有遮热罩，其采用S型热电偶，该热电偶综合性能优良，具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

本发明还提供了一种高温烟气接触式温度测量方法，包括以下步骤：

(1)、开启所述抽气装置，由所述高温烟气采集系统对待测高温烟气进行采样，使高温烟气依次经过所述水冷式换热系统、所述烟气成分分析系统，再由所述抽气装置排出；

(2)、通过所述皮托管测速装置获取烟气流速u，通过所述抽气式热电偶获取一次冷却后的烟气温度f_c.fg；

(3)、通过所述冷却水进口压力表获取冷却水进口压力；通过所述冷却水出口压力表获取冷却水出口压力；通过所述冷却水进口温度计获取冷却水进口温度；通过所述冷却水出口温度计获取冷却水出口温度；通过所述冷却水流量计获取冷却水进口体积流量或冷却水出口体积流量并依上述数据采用水和蒸气的热动力性质模型IAPWS-IF97计算出冷却水进口比焓冷却水出口比焓及冷却水进口密度冷却水出口密度

(4)、将冷却水密度与体积流量相乘，得到质量流量，再进一步乘以出口与进口比焓之差，得到冷却水吸热量，即：

其中，式中，为冷却水吸热量；为冷却水出口焓；为冷却水进口焓；为冷却水出口密度；为冷却水出口体积流量；为冷却水出口比焓；为冷却水进口比焓；为冷却水进口密度；为冷却水进口体积流量；

(5)、根据能量平衡，烟气放热量与冷却水吸热量相等，即：

其中，式中，ΔH_fg为烟气放热量；

(6)、被冷却后的烟气与高温伴热烟气混合，经过所述二次水冷系统进行二次冷却，然后采用所述烟气成分分析系统确定烟气组分

根据下式确定烟气比定压热容：

其中，式中：

c_p.fg为烟气比定压热容；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的体积分数；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的比定压热容；

(7)、确定烟气冷却前后温差：

其中，式中：Δt_fg为烟气冷却前后温差；

Q_fg为采样管内烟气流量，按照下式计算：

Q_fg＝u·S

其中，式中，u为采样管内烟气流速；S为采样管截面积；

(8)、结合冷却后的烟气温度，最终计算可得所测烟气温度如下：

其中，式中，t_fg为所测烟气温度；t_c.fg为一次冷却后的烟气温度。

本发明能够利用水冷式换热系统，将高温烟气冷却至1200℃以下，由皮托管测速装置测量烟气流速，由抽气式热电偶测量其温度，然后高温烟气进一步冷却后进入烟气成分分析系统，根据所测烟气的成分确定烟气比热容，假设烟气放出热量均由冷却水吸收，结合冷却水温度变化，便能计算确定高温烟气温度，从而实现1600℃以上高温烟气的高精度、长时间测量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高温烟气接触式温度测量装置及其测量方法，具有如下有益效果：

①烟气中固体颗粒分离采用百叶窗分离器与撞击分离器组合的方式，分离效率高、可长时间使用，方便拆卸和清洗；

②烟气采样管采用内外两层套管的形式，利用烟气伴热原理避免自取样位置至炉墙由于炉内温度变化而引起的烟气温度变化，提高测量精度；

③水冷式换热系统包括外部水冷套及内部管束两部分，有效增加了冷却介质和烟气的换热面积，选用导热系数高的金属管材，提高了换热系数，从而使得烟气温度测量响应速度提高；

④采用烟气成分分析系统精确测量烟气成分，从而获得烟气比热容，减小温度测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供一种高温烟气接触式温度测量装置的结构示意图。

图中：1—百叶窗分离器；2—撞击式分离器；3—外层圆管；4—内层圆管；5—炉墙；6—一次水冷套管；7—隔热材料；8—一次水冷管束；9—皮托管测速装置；10—二次水冷套管；11—密封连接件；12—烟气成分分析系统；13—抽气装置；14—数据采集与处理系统；15—二次水冷进口；16—二次水冷出口；17—抽气式热电偶；18—遮热罩；19—一次水冷进口；20—冷却水进口压力表；21—冷却水进口温度计；22—冷却水出口温度计；23—冷却水出口压力表；24—冷却水流量计；25—一次水冷出口；26—支撑件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种高温烟气接触式温度测量装置，包括：高温烟气采集系统、水冷式换热系统、烟气成分分析系统12、抽气装置13、测量元件、数据采集与处理系统14；其中，

测量元件、烟气成分分析系统12与数据采集与处理系统14电性连接，实现各测量数据的传输，数据采集与处理系统14经数据处理，可得高温烟气的温度。

测量元件包括冷却水进口压力表20、冷却水进口温度计21、冷却水出口压力表23、冷却水出口温度计22、冷却水流量计24、皮托管测速装置9和抽气式热电偶17。

水冷式换热系统密封连接于高温烟气采集系统之后，其中，水冷式换热系统包括依次连接的一次水冷系统和二次水冷系统，一次水冷系统上设有一次水冷进口19和一次水冷出口25，二次水冷系统上设有二次水冷进口15和二次水冷出口16，一次水冷进口19处设有冷却水进口压力表20和冷却水进口温度计21，一次水冷出口25处设有冷却水出口压力表23和冷却水出口温度计22，在一次水冷进口19或一次水冷出口25处还设有冷却水流量计24，即流量在一次水冷进口或出口处测量均可。在一次水冷系统的尾端设有皮托管测速装置9和抽气式热电偶17。

上述高温烟气采集系统用于穿过炉墙5伸入炉内进行烟气采样。该高温烟气采集系统包括分离器和采样管，分离器通过密封连接件11可拆卸的连接于采样管前端。分离器包括依次连接的第一级分离器和第二级分离器，第一级分离器为百叶窗分离器1，第二级分离器为采用多级自由组合形式的撞击式分离器2。采样管包括内层圆管4和外层圆管3，内层圆管4和外层圆管3同心布置且内层圆管4和外层圆管3之间的环形伴热通道内设有支撑件26。

上述一次水冷系统包括与内层圆管4相连通的一次水冷系统烟气通道、设于一次水冷系统烟气通道内的一次水冷管束8以及设于一次水冷系统烟气通道外的一次水冷套管6，一次水冷套管6外部包裹有隔热材料7。

上述二次水冷系统包括与一次水冷系统烟气通道相连通的二次水冷系统烟气通道以及设于二次水冷系统烟气通道外的二次水冷套管10，二次水冷系统烟气通道与环形伴热通道相连通，二次水冷套管10外部包裹有隔热材料7。二次水冷系统烟气通道的尾端处设有烟气成分分析系统12，并且抽气装置13与二次水冷系统烟气通道的尾端相连接。

为了进一步优化上述技术方案，冷却水进口温度计21和冷却水出口温度计22均为铂热电阻温度计。

为了进一步优化上述技术方案，抽气式热电偶17采用S型热电偶，抽气式热电偶17的外部设有遮热罩18，即为遮热罩抽气式热电偶。

本发明装置的具体工作过程为：

①、炉内高温烟气经由两级分离器进入采样管，然后经过一次水冷系统进行一次冷却，将高温烟气冷却至1200℃以下；

②、采用皮托管测速装置9测量一次水冷系统烟气通道内的烟气流速u；采用抽气式热电偶17测量一次冷却后的烟气温度t_c.fg(≤1200℃)；分别采用冷却水进口压力表20、冷却水进口温度计21、冷却水出口压力表23、冷却水出口温度计22以及冷却水流量计24测量一次水冷系统的冷却水进、出口温度，进、出口压力及流量，其中流量在进口或出口测量均可；

③、被一次水冷系统冷却后的烟气与高温伴热烟气混合，再经过二次水冷系统进行二次冷却，然后采用烟气成分分析系统12测量烟气的成分；

④、根据所测烟气的成分确定烟气比定压热容，假设烟气放出热量均由冷却水吸收，结合冷却水温度变化，便可计算确定烟气温度。

采用上述一种高温烟气接触式温度测量装置测量高温烟气的方法，具体包括以下步骤：

(1)、开启抽气装置13，由高温烟气采集系统对待测高温烟气进行采样，使高温烟气依次经过水冷式换热系统、烟气成分分析系统12，再由抽气装置13排出；

(2)、通过皮托管测速装置9获取烟气流速u，通过抽气式热电偶17获取一次冷却后的烟气温度t_c.fg；

(3)、通过冷却水进口压力表20获取冷却水进口压力；通过冷却水出口压力表23获取冷却水出口压力；通过冷却水进口温度计21获取冷却水进口温度；通过冷却水出口温度计22获取冷却水出口温度；通过冷却水流量计24获取冷却水进口体积流量或冷却水出口体积流量并依上述数据采用水和蒸气的热动力性质模型IAPWS-IF97计算出冷却水进口比焓冷却水出口比焓及冷却水进口密度冷却水出口密度

(4)、将冷却水密度与体积流量相乘，得到质量流量，再进一步乘以出口与进口比焓之差，得到冷却水吸热量，即：

其中，式中，为冷却水吸热量；为冷却水出口焓；为冷却水进口焓；为冷却水出口密度；为冷却水出口体积流量；为冷却水出口比焓；为冷却水进口比焓；为冷却水进口密度；为冷却水进口体积流量；

(5)、根据能量平衡，烟气放热量与冷却水吸热量相等，即：

其中，式中，ΔH_fg为烟气放热量；

(6)、被冷却后的烟气与高温伴热烟气混合，经过二次水冷系统进行二次冷却，然后采用烟气成分分析系统12确定烟气组分

根据下式确定烟气比定压热容：

其中，式中：

c_p.fg为烟气比定压热容；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的体积分数；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的比定压热容；

(7)、确定烟气冷却前后温差：

其中，式中：Δt_fg为烟气冷却前后温差；

Q_fg为采样管内烟气流量，按照下式计算：

Q_fg＝u·S

其中：式中：u为采样管内烟气流速；S为采样管截面积；

(8)、结合冷却后的烟气温度，最终计算可得所测烟气温度如下：

其中，式中：t_fg为所测烟气温度；t_c.fg为一次冷却后的烟气温度。

本发明通过上述装置及方法能实现1600℃以上高温烟气的高精度、长时间测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于，包括：高温烟气采集系统、水冷式换热系统、烟气成分分析系统、抽气装置、测量元件、数据采集与处理系统；

所述测量元件、所述烟气成分分析系统与所述数据采集与处理系统电性连接；所述测量元件包括冷却水进口压力表、冷却水进口温度计、冷却水出口压力表、冷却水出口温度计、冷却水流量计、皮托管测速装置、抽气式热电偶；

所述水冷式换热系统布置在所述高温烟气采集系统之后，并与其密封连接；所述水冷式换热系统包括依次连接的一次水冷系统和二次水冷系统，所述一次水冷系统的冷却水进口处设有所述冷却水进口压力表和所述冷却水进口温度计，冷却水出口处设有所述冷却水出口压力表和所述冷却水出口温度计，在所述一次水冷系统的冷却水进口或冷却水出口处还设有所述冷却水流量计；所述一次水冷系统的尾端设有所述皮托管测速装置和所述抽气式热电偶；

所述烟气成分分析系统布置在所述二次水冷系统的尾端位置，且所述抽气装置与所述二次水冷系统的尾端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述高温烟气采集系统包括分离器和采样管，所述分离器可拆卸的连接于所述采样管前端。

3.根据权利要求2所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述分离器包括依次连接的第一级分离器和第二级分离器，所述第一级分离器为百叶窗分离器，所述第二级分离器为撞击式分离器。

4.根据权利要求2所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述采样管包括内层圆管和外层圆管，所述内层圆管和所述外层圆管同心布置且所述内层圆管和所述外层圆管之间的环形伴热通道内设有支撑件。

5.根据权利要求4所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述一次水冷系统包括与所述内层圆管相连通的一次水冷系统烟气通道、设于所述一次水冷系统烟气通道内的一次水冷管束以及设于所述一次水冷系统烟气通道外的一次水冷套管，所述一次水冷套管外部包裹有隔热材料。

6.根据权利要求5所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述二次水冷系统包括与所述一次水冷系统烟气通道相连通的二次水冷系统烟气通道以及设于所述二次水冷系统烟气通道外的二次水冷套管，所述二次水冷系统烟气通道与所述环形伴热通道相连通，所述二次水冷套管外部包裹有隔热材料，所述二次水冷系统烟气通道的尾端设有所述烟气成分分析系统，并与所述抽气装置相连接。

7.根据权利要求1所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述冷却水进口温度计和所述冷却水出口温度计均为铂热电阻温度计。

8.根据权利要求1所述的一种高温烟气接触式温度测量装置，其特征在于：所述抽气式热电偶采用S型热电偶。

9.一种高温烟气接触式温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、开启所述抽气装置，由所述高温烟气采集系统对待测高温烟气进行采样，使高温烟气依次经过所述水冷式换热系统、所述烟气成分分析系统，再由所述抽气装置排出；

(2)、通过所述皮托管测速装置获取烟气流速u，通过所述抽气式热电偶获取一次冷却后的烟气温度t_c.fg；

(3)、通过所述冷却水进口压力表获取冷却水进口压力；通过所述冷却水出口压力表获取冷却水出口压力；通过所述冷却水进口温度计获取冷却水进口温度；通过所述冷却水出口温度计获取冷却水出口温度；通过所述冷却水流量计获取冷却水进口体积流量或冷却水出口体积流量并依上述数据采用水和蒸气的热动力性质模型IAPWS-IF97计算出冷却水进口比焓冷却水出口比焓及冷却水进口密度冷却水出口密度

(4)、将冷却水密度与体积流量相乘，得到质量流量，再进一步乘以出口与进口比焓之差，得到冷却水吸热量，即：

其中，式中，为冷却水吸热量；为冷却水出口焓；为冷却水进口焓；为冷却水出口密度；为冷却水出口体积流量；为冷却水出口比焓；为冷却水进口比焓；为冷却水进口密度；为冷却水进口体积流量；

(5)、根据能量平衡，烟气放热量与冷却水吸热量相等，即：

其中，式中，ΔH_fg为烟气放热量；

(6)、被冷却后的烟气与高温伴热烟气混合，经过所述二次水冷系统进行二次冷却，然后采用所述烟气成分分析系统确定烟气组分

根据下式确定烟气比定压热容：

其中，式中：

c_p.fg为烟气比定压热容；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的体积分数；

为烟气中二氧化碳、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、氢气、硫化氢、碳氢化合物的比定压热容；

(7)、确定烟气冷却前后温差：

其中，式中：Δt_fg为烟气冷却前后温差；

Q_fg为采样管内烟气流量，按照下式计算：

Q_fg＝u·S

其中，式中，u为采样管内烟气流速；S为采样管截面积；

(8)、结合冷却后的烟气温度，最终计算可得所测烟气温度如下：

其中，式中，t_fg为所测烟气温度；t_c.fg为一次冷却后的烟气温度。