CN115900859B - 一种烟气流量监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气流量监测装置及方法，包括探杆，设置在烟道中；至少一个热式传感装置设置在探杆上的一位置上用于获取烟道中热式传感装置所处位置的烟气质量流量；压力测量装置，用于获取烟道中的压力信息；温湿测量装置，用于获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；控制模块，用于根据热式传感装置所处位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量。本发明有效提高了烟气流量的测量精度。

Description

一种烟气流量监测装置及方法

技术领域

本发明涉及烟气检测技术领域，尤其涉及一种烟气流量监测装置及方法。

背景技术

固定污染源连续在线监测系统(CEMS)已逐步成为国内外电力、冶金、煤炭等领域内各类型锅炉的碳监测和核算的主流技术，随着排放交易权制度的建立，对测量系统的精度要求越来越高。气体浓度监测技术的发展推动了超低CEMS的应用普及，但当前烟道内烟气流速的监测大部分是基于单点式的皮托管监测方法，不能满足固定污染源碳监测的高精度和高稳定性需求，主要存在以下三个问题：

1、这种方法因测量精度限制不适合低流速（小于5m/s）测量场合；

2、在高湿烟气场合，由于存在液态水，会导致皮托管堵塞无法测量；

3、由于烟道中烟气组分复杂，因烟气湍流现象会导致烟道内不同位置流速/流量值差异较大，单点检测方式不能反映烟道流量真值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烟气流量监测装置及方法，提高了烟道中烟气流量的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种烟气流量监测装置，该装置包括：探杆，设置在烟道中；至少一个热式传感装置，热式传感器装置设置在探杆上的一位置上，用于获取烟道中该位置的烟气质量流量；压力测量装置，用于获取烟道中的压力信息；温湿测量装置，用于获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；控制模块，用于根据该位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量。

进一步的，热式传感装置包括：测温探头，用于测量烟道中烟气的温度；加热探头，用于通过电流或者电压加热方式，以使加热探头保持一预设的恒温温度；温度控制与采集单元，分别与测温探头和加热探头连接，用于保持测温探头和加热探头之间的温度差与加热探头的电阻的比值不变，通过测量加热电流或加热电压，以计算得到烟气质量流量。

进一步的，加热探头包括探头本体和外包层，外包层至少部分围绕探头本体设置，外包层内形成有容纳部，探头本体至少部分设置在容纳部中，探头本体至少部分设置在容纳部外。

进一步的，外包层的材料包括绝热绝缘材料。

进一步的，基于加热探头与烟气接触面的直径和水在加热探头材料表面的莱顿弗罗斯特点，确定预设的恒温温度，恒温温度T_leid.meas的公式为：

；

其中，T_gas为烟气温度，m为液态水的质量，C_p为热容，C为常数，取值为0.09，h_f,g为气化潜热，ρ_v为液态物密度，ρ_l为气态物密度，σ为气-液相表面张力，d_c(t)为随时间变化的液体水珠接触加热探头顶部表面直径，t为液态水接触铂电阻的时间。

进一步的，烟气质量流量Q_m的计算公式为：

；

其中，I为加热电流值，R_w为加热探头的电阻，T_w为加热探头的温度，T_f为测温探头测量得到的温度，α和B为标准参数。

进一步的，控制模块根据所测位置的烟气质量流量Q_m、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定所测位置的烟气的干基体积流量，干基体积流量Q_v,干的计算公式为：

；

其中，ρ_N为标准状态下的湿烟气密度，值为1.34kg/Nm³，P为烟道的压力值，T_ref为标准温度值273K，T_f为测温探头测量得到的温度，P_ref为标准大气压101325Pa，X_sw为烟气绝对湿度值。

进一步的，在探杆上安装多个热式传感装置，每一个热式传感装置获取烟道中对应各自安装位置的烟气质量流量，控制模块基于每一个位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定每一个位置的干基体积流量，对各个位置的干基体积流量进行累加求均值，得到烟道中的烟气干基体积流量。

进一步的，该装置还包括显示模块，显示模块用于显示烟道中的烟气干基体积流量。

本发明还提供一种烟气流量监测方法，该方法包括步骤：

S1、获取烟道中每一个热式传感装置所对应的安装位置的烟气质量流量；

S2、获取烟道中的压力信息；

S3、获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；

S4、根据每一个安装位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量。

本发明有效减少了烟道中烟气流量的测量误差，进而提高烟气流量的测量精度，也使烟气流量的监测更加简单。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例中的烟气流量监测的系统示意图；

图2是根据本发明的一个实施例中的热式传感装置的系统示意图；

图3是根据本发明的一个实施例中的热式传感装置的系统示意图；

图4是根据本发明的一个实施例中的烟气流量监测的系统示意图；

图5是根据本发明的一个实施例中的烟气流量监测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一实施例中，本发明提供一种烟气流量监测装置100，该装置100包括：探杆11、至少一个热式传感装置12、压力测量装置13、温湿测量装置14、控制模块15。探杆11设置在烟道中。热式传感装置12设置在探杆11上的一位置上，用于获取烟道中该位置的烟气质量流量。压力测量装置13用于获取烟道中的压力信息。温湿测量装置14用于获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息。控制模块15用于根据热式传感装置12所处位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量。

将热式传感装置12设置于探杆11上，探杆11设置于烟道中，以使得热式传感装置12能够直接充分地接触烟气，利用热式传感装置12的热传导效应，通入一电流对热式传感装置12进行加热，使热式传感装置12的温度高于烟气的温度，当烟气流过热式传感器装置12时，会带走一部分热式传感装置12上的热量，根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关，因而得到烟道中热式传感装置12所处位置烟气的质量流量,结合该位置烟气的温度信息、湿度信息以及压力信息，计算出烟道中该位置烟气的干基体积流量。烟道中烟气组分复杂，烟气湍流现象明显，通过热式传感装置12测量烟道中烟气的质量流量，又结合烟道中烟气的温度信息、湿度信息以及压力信息，获得烟道中烟气的干基体积流量，有效提高了烟道中烟气流量的检测的精度。

如图2所示，作为一种可选的实现方式，热式传感装置12包括：测温探头121、加热探头122以及温度控制与采集单元123。测温探头121和加热探头122均为铂电阻探头，测温探头121不需要加热，加入较小电流，通常为4mA以下，不引起铂电阻加热，使测温探头121阻值不变，用于测量烟道中热式传感装置12所处位置的烟气温度。加热探头122用于通过电流加热或者电压加热方式，以使加热探头122保持一预设的恒温温度。温度控制与采集单元123分别与测温探头121和加热探头122连接，用于保持测温探头121和加热探头122之间的温度差与加热探头122的电阻的比值不变，通过测量加热电流来计算烟气的质量流量。温度控制与采集单元123包括惠斯特电桥电路，热式传感装置12对烟气温度进行测量时，烟道中的烟气直接与热式传感装置12接触，当烟道中烟气流过热式传感装置12时，烟气会带走加热探头122上一部分的热量，从而改变加热探头122上的温度，导致加热探头122的阻值随之改变，因而电桥平衡被破坏，通过改变加热电流，使电桥重新处于平衡状态，通过测量加热电流来计算得到烟气的质量流量。

传统的热式质量流量计中的加热探头是整体加热，整个加热探头浸置在存有湍流且温度分布不均匀的烟气中。烟道中烟气存在湍流现象，烟道的每一个截面的不同位置烟气的流量可能不同，若对加热探头整体加热，将加热探头放置在烟道中，很难保持加热探头处于一恒温温度，使加热探头的恒温控制精度难以控制在1%以内，影响了气体的质量流量的测量精度。烟道中组分复杂，烟气湍流明显，同时湿度较高，低温情况下容易产生液态水。从气体质量流量的公式可知，加热探头的铂电极表面积对被测气体的质量流量影响较大。当加热探头浸置在存有湍流且温度分布不均匀的烟气时，液态水和粉尘融合的泥土极容易粘附在探头侧面，导致实际的表面积变大，也会影响被测气体的质量流量的测量精度。

作为一种可选的实现方式，如图3所示，加热探头122包括探头本体1221和外包层1222，外包层1222至少部分围绕探头本体1221设置，外包层1222内形成有容纳部（图中未示），探头本体1221至少部分设置在容纳部中，探头本体1221至少部分设置在容纳部外。外包层的材料包括绝热绝缘材料。其中，绝热绝缘材料可以为陶瓷、石膏等。本实施方式对加热探头的结构进行了改进，加热探头122的一部分嵌入在具有绝热绝缘材料的外包层1222内，加热探头122的顶部弧面裸露，以使顶部弧面与烟道中的烟气直接接触。采用对加热探头122的顶部进行加热，而设置在外包层1222内部分的加热探头122，由于隔热原因，烟气对加热探头122的温度影响是局部的，而不是影响整个加热探头122，使得测量结果更加准确，从而提高烟气的质量流量的测量精度。烟气只与裸露在烟气中的顶部弧面接触，而外包层1222围绕的加热探头122的部分，不容易粘附液态水等，从而使加热探头122的表面积更接近于理论值，使得烟气质量流量的测量精度更高。

烟道中组分复杂，烟气湍流明显，同时湿度较高，低温情况下容易产生液态水。水的比热容为4.2×103J／（kg*℃），是烟气气体的几倍甚至几十倍以上，而低温烟气中极易存在液态水，当液态水经过或附着在加热探头122的表面时，带走的热量远比烟气中的气态物大，导致烟气质量流量的测量值偏大。作为一种可选的实现方式，基于加热探头122与烟气接触面的直径和水在加热探头材料表面的莱顿弗罗斯特点，确定预设的恒温温度，恒温温度T_leid.meas的公式为：

；

其中，T_gas为烟气温度，m为液态水的质量，C_p为热容，C为常数，取值为0.09，h_f,g为气化潜热，ρ_v为液态物密度，ρ_l为气态物密度，σ为气-液相表面张力，d_c(t)为随时间变化的液体水珠接触加热探头顶部表面直径，t为液态水接触加热探头的时间。因铂电阻是抛光疏水性，考虑水受自身重力下落，t最大预计为0.002s。加热探头122的温度一般取莱顿弗罗斯特点对应的温度，根据加热探头122接触面对应的直径为0.5-1.5cm，加热探头122的温度一般设置为130-200℃。本实施例基于加热探头122与烟气接触面的直径，加热探头122的温度设置，利用莱顿弗罗斯特效应，避免液态水在加热探头122气化带走加热表面的热量，从而保证了烟气质量流量的测量精度。

作为一种可选的实现方式，烟气质量流量Q_m的计算公式为：

；

其中，I为加热电流值，R_w为加热探头的电阻，T_w为加热探头的温度，T_f为测温探头测量得到的温度，α和B为标准参数。

作为一种可选的实现方式，控制模块15根据该位置的烟气质量流量Q_m、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定该位置的烟气的干基体积流量，干基体积流量Q_v,干的计算公式为：

；

其中，ρ_N标准状态下湿烟气密度，其值为1.34kg/Nm³，P为烟道内压力测量值，T_f为烟道内烟气温度测量值，T_ref为标准温度值273K，P_ref为标准大气压101325Pa，X_sw为烟气绝对湿度，Q_m为烟气的质量流量。

作为一种可选的实现方式，在探杆11上安装多个热式传感装置12，每一个热式传感装置12获取烟道中对应各自安装位置的烟气质量流量，控制模块15基于每一个位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定每一个位置的干基体积流量，对各个位置的干基体积流量进行累加求均值，得到烟道中的烟气干基体积流量。烟道中存在湍流现象，同一截面不同位置的烟气流量差异大，测量得到一个位置的烟气质量流量，若将该质量流量用于表示烟道中烟气的质量流量时，误差较大；且同一界面不同位置处的烟气的温度信息、湿度信息以及压力信息可能不同，用烟道中某一位置的烟气的质量流量、温度信息、湿度信息以及压力信息计算出的干基体积流量误差较大，不能表示烟道内的烟气流量。本申请实施例中采用多个热式传感装置12对烟道内不同位置处的烟气进行测量，若使用同一个热式传感装置12对不同位置的烟气进行测量，烟气中的粉层或液态水融合的泥土极易粘附在热式传感装置12的探头测侧面，影响测量精度。经过多个热式传感装置12测量计算得到烟道中多个不同位置的烟气的干基体积流量，最后对计算得到的多个不同位置处的烟气的干基体积流量进行求均值，该平均值用于表示烟道中烟气的干基体积流量，有效提高了烟气的干基体积流量的测量精度。

多个热式传感装置12的分析电路同样采用惠斯通电桥电路，通过保持第i个热式传感装置12的加热探头122和测温探头121的温差（T_w,i-T_f,i）与加热探头电阻R_w,i的比值不变，通过测量加热电流I_i，以及通过采集的烟气的温度信息、压力信息以及湿度信息来计算烟气的干基体积流量，第i个热式传感装置12所在位置的烟气的干基体积流量Q_i,_v,干公式：

其中，ρ_N标准状态下湿烟气密度，为1.34kg/Nm³，P为烟道内压力测量值，T_f,i为第i个热式传感装置12所测量的烟气温度测量值，T_ref为标准温度值273K，P_ref为标准大气压101325Pa，I_i为第i个热式传感装置12的加热探头122的加热电流值，R_w,i为第i个热式传感装置12的加热探头122的电阻值，α_i和B_i为第i个热式传感装置12的校准参数，T_w,i为第i个热式传感装置12的加热探头122的温度，T_f,i是第i个热式传感装置12的测温探头121实测的烟气温度，X_sw为烟气绝对湿度。

根据烟气干基体积流量的计算公式，计算出烟道中不同位置的烟气的干基体积流量，最后对所计算出的所有烟气的干基体积流量进行求均值，在对烟气进行求干基体积流量时，选取烟道中多个位置进行求取，烟道中各个位置的烟气流量不同，烟气温度、烟气湿度以及烟气压力也可能不同，计算其中一个位置的烟气的干基体积流量时，不能以此表示烟气中的烟气的干基体积流量。需要对不同位置的烟气进行计算，选取位置间隔远的烟气进行计算，以减小烟气干基体积的计算误差。计算出烟道中不同位置的烟气干基体积流量后，对所计算出来的所有干基体积流量求平均值，烟道中烟气干基体积流量的平均值就计算公式为：

其中，Q_i,v,干为第i个热式传感装置12的干基体积流量，N为选取的不同位置的烟气数量。

作为一种可选的实现方式，探杆11深入烟道的长度不小于烟道内径的1/3，以使得探杆11上的热式传感装置12数量足够多，从而能够测量更多不同位置的烟气的干基体积流量，也能使热式传感装置12能够直接充分地接触烟道中的烟气，进而使测量到的烟气的干基体积流量数量够多，以提高烟气干基体积流量的测量精度。

如图4所示，作为一种可选的实现方式，装置100还包括显示模块16，显示模块16用于显示烟道中的烟气干基体积流量。当装置100计算得到烟道中烟气的干基体积流量后，显示模块16显示烟气的干基体积流量，用户可以通过显示模块16直接获知烟道中烟气的干基气体流量，以使用户能够更加及时准确地了解烟气的干基体积流量。

如图5所示，本发明还提供一种烟气流量监测方法，该方法包括步骤：

S1、获取烟道中每一个热式传感装置所对应的安装位置的烟气质量流量；

S2、获取烟道中的压力信息；

S3、获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；

S4、根据每一个安装位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量。

采用至少一个热式传感装置12，用于监测烟道中热式传感装置12所处位置的烟气的质量流量，温湿度传感器对烟气中的烟气温度、烟气湿度以及烟气压力进行测量，根据测量得到的烟气的质量流量、烟气温度、烟气湿度以及烟气压力等数据信息计算烟气的干基体积流量，依据该计算方法，选取烟道中不同位置的烟气计算其干基体积流量，根据计算得到的烟道中不同位置的烟气的干基体积流量，对其进行累加计算不同位置处的烟气的干基体积流量的平均值，该平均值即表示为烟道中烟气的干基体积流量。

综上所述，本申请通过多个热式传感装置12对烟道中烟气进行测量，获得烟气的质量流量，再根据压力测量装置13检测到的烟气的压力信息、温湿度测量装置14检测到的烟气的温度信息以及烟气的湿度信息，计算出烟道中不同位置的烟气的干基体积流量，通过对烟道中不同位置的烟气的干基体积流量进行累加求平均值，该平均值用于表示烟道中烟气的干基体积流量，该方法减少了烟气流量检测的误差，使烟气流量的检测更加准确，计算步骤也更加简单。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (4)

1.一种烟气流量监测装置，其特征在于，所述装置包括：

探杆，设置在烟道中；

至少一个热式传感装置，所述热式传感器装置设置在所述探杆上的一位置上，用于获取烟道中所述位置的烟气质量流量；

压力测量装置，用于获取烟道中的压力信息；

温湿测量装置，用于获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；

控制模块，用于根据所述位置的烟气质量流量、所述压力信息、所述烟气温度信息以及所述烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量；

其中，所述热式传感装置包括：

测温探头，用于测量烟道中烟气的温度；

加热探头，用于通过电流或电压加热方式，以使所述加热探头保持一预设的恒温温度，所述加热探头包括探头本体和外包层，所述外包层至少部分围绕所述探头本体设置，所述外包层内形成有容纳部，所述探头本体至少部分设置在所述容纳部中，所述探头本体至少部分设置在所述容纳部外，所述外包层的材料包括绝热绝缘材料；

温度控制与采集单元，分别与所述测温探头和加热探头连接，用于保持所述测温探头和加热探头之间的温度差与加热探头的电阻的比值不变，通过测量加热电流或加热电压，以计算得到烟气质量流量；

其中，基于所述加热探头与烟气接触面的直径以及水在加热探头材料表面的莱顿弗罗斯特点，确定所述预设的恒温温度，所述恒温温度T_leid.meas的公式为；

；

其中，T_gas为烟气温度，m为液态水的质量，C_p为热容，C为常数，取值为0.09，h_f,g为气化潜热，ρ_v为液态物密度，ρ_l为气态物密度，σ为气-液相表面张力，d_c(t)为随时间变化的液体水珠接触加热探头顶部表面直径，t为液态水接触加热探头的时间；

所述烟气质量流量Q_m的计算公式为：

；

其中，I为加热电流值，R_w为加热探头的电阻，T_w为加热探头的温度，T_f为测温探头测量得到的温度，α和B为标准参数；

所述控制模块根据所述位置的烟气质量流量Q_m、所述压力信息、所述烟气温度信息以及所述烟气湿度信息，确定所述位置的烟气的干基体积流量，干基体积流量Q_v,干的计算公式为：

；

其中，ρ_N为标准状态下的湿烟气密度，值为1.34kg/Nm³，P为烟道的压力值，T_ref为标准温度值273K，T_f为测温探头测量得到的温度，P_ref为标准大气压101325Pa，X_sw为烟气绝对湿度值。

2.如权利要求1所述的烟气流量监测装置，其特征在于，在所述探杆上安装多个热式传感装置，每一个热式传感装置获取烟道中对应各自安装位置的烟气质量流量，所述控制模块基于每一个位置的烟气质量流量、压力信息、烟气温度信息以及烟气湿度信息，确定每一个位置的干基体积流量，对各个位置的干基体积流量进行累加求均值，得到烟道中的烟气干基体积流量。

3.如权利要求1所述的烟气流量监测装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块，所述显示模块用于显示烟道中的烟气干基体积流量。

4.一种烟气流量监测方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1-3任一所述的烟气流量监测装置，所述方法包括步骤：

S1、获取烟道中每一个热式传感装置所对应的安装位置的烟气质量流量；

S2、获取烟道中的压力信息；

S3、获取烟道中的烟气温度信息和烟气湿度信息；

S4、根据每一个安装位置的烟气质量流量、所述压力信息、所述烟气温度信息以及所述烟气湿度信息，确定烟道中烟气的干基体积流量；

其中，基于所述加热探头与烟气接触面的直径以及水在加热探头材料表面的莱顿弗罗斯特点，确定所述热式传感装置中的加热探头所要保持的预设的恒温温度，所述恒温温度T_leid.meas的公式为：

；

其中，T_gas为烟气温度，m为液态水的质量，C_p为热容，C为常数，取值为0.09，h_f,g为气化潜热，ρ_v为液态物密度，ρ_l为气态物密度，σ为气-液相表面张力，d_c(t)为随时间变化的液体水珠接触加热探头顶部表面直径，t为液态水接触加热探头的时间；

所述烟气质量流量Q_m的计算公式为：

；

其中，I为加热电流值，R_w为加热探头的电阻，T_w为加热探头的温度，T_f为测温探头测量得到的温度，α和B为标准参数；

根据所述位置的烟气质量流量Q_m、所述压力信息、所述烟气温度信息以及所述烟气湿度信息，确定所述位置的烟气的干基体积流量，干基体积流量Q_v,干的计算公式为：

；

其中，ρ_N为标准状态下的湿烟气密度，值为1.34kg/Nm³，P为烟道的压力值，T_ref为标准温度值273K，T_f为测温探头测量得到的温度，P_ref为标准大气压101325Pa，X_sw为烟气绝对湿度值。