一种煤粉发热量开放式在线测量系统及测量方法与流程

本发明涉及检测系统领域，具体涉及一种煤粉发热量开放式在线测量系统及测量方法。

背景技术：

煤的发热量又称煤炭大卡，是指煤在燃烧时产生的热量。煤炭的发热量是检验煤炭质量的主要因素，也是动力燃煤计价的重要环节，煤炭发热量的高低对燃煤电厂运行的经济性、环保性等方面有重要影响。

目前燃煤电厂中应用最为广泛的煤粉发热量测量方法是氧弹法，将一定量的煤粉样品称量后放入坩锅中，将坩锅置于不锈钢的容器(氧弹)中。往燃烧容器/氧弹中充高压氧气。样品在氧弹内通过点火丝和绵线引燃，氧弹内所有的有机物燃烧并氧化，释放出一定的热量(硫酸生成热)。在内桶中充满水，使水环绕在氧弹的周边，燃烧时产生的热量会传给氧弹周边的水。测量并计算水的温升可以算出煤粉的发热量。氧弹法测量原理简单，结果可靠，但是需要人工采样，对操作要求高，且测量需在实验室进行，测量结果滞后性大。

现有的在线煤粉发热量检测技术中，多是通过对与燃烧前后相关的测量值和对现场运行数据的统计分析，建立燃料测量模型，预测煤粉的发热量。但是由于建立模型需要大量数据作前期统计分析，且模型针对不同的煤种通用性不高，导致在线测量能力受到限制。

cn207148021u的专利公开说明书公开了一种改进式量热仪，该装置包括带有盖体和弹筒的氧弹，盖体上设有聚光组件和氧弹头组件,氧弹头组件的轴线与盖体的轴线共线，还包括光发射器，光发射器的光束经所述聚光组件的通光孔射入所述弹筒内，可实现同时自动充氧和光点火功能。但该装置的缺陷在于需要人工手动放置氧弹和坩埚，燃烧后的坩埚不能在线清理残留灰分，并不能实现在线测量。

cn106324030a的专利公开说明书公开了一种多氧弹自动进样量热仪系统及其工作方法，该系统包括带有多个凹槽，用于存放氧弹的平台、设于平台上的移动机构和设于移动机构且在移动机构驱动下移动的氧弹抓夹机构的氧弹储运装置、量热仪和控制模块；量热仪包括外筒和氧弹盖，氧弹盖的下表面设有氧弹挂扣单元；控制模块分别与移动机构、氧弹抓夹机构和氧弹盖升降机构连接。虽然该装置实现了氧弹的自动进样，但是该装置使用的氧弹内部需要填充高压气体，且需要保持外筒周围温度恒定，不适合在工业现场等环境复杂场合下使用；并且未实现坩埚的进样以及残留灰分的在线清理。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤粉发热量开放式在线测量系统及测量方法，避免了使用氧弹量热仪中人为装取及更换氧弹的繁琐，利用激光点燃煤粉及循环工质动态温度测量发热量方式，能够快速在线测量煤粉发热量，提高了工作效率和自动化水平。

一种煤粉发热量开放式在线测量系统，包括：

煤粉取样称重单元，用于对取样的煤粉进行称重；

夹持装置，将称重后的煤粉转移至量热装置，将燃烧后的煤粉转移至清理单元；

量热装置，燃烧夹持装置转移的煤粉，并采集煤粉发热量的温度和流量数据，并传输至数据处理单元；

数据处理单元，接收并处理温度和流量数据，根据煤粉取样称重单元的称重质量，计算煤粉发热量；

清理单元，清理煤粉燃烧后的残余灰分。

所述煤粉取样器为取样枪。所述的煤粉取样称重单元包括煤粉取样器、坩埚和天平。

所述的夹持装置包括转动单元和安装在转动单元上的机械手，机械手夹持取样后的坩埚至量热装置，夹持燃烧后的坩埚至清理单元。机械手以转动单元为轴做圆周运动，实现对坩埚的转移。

所述的夹持装置为两个，分别位于煤粉取样称重单元与量热装置之间、量热装置与清理单元之间。

所述的清理单元包括气枪和置物台，所述气枪的尾部带有气体发生器，用于发生压缩气体至燃烧室或清扫燃烧后煤粉的残余灰分。

所述压缩气体为空气或氧气。

所述的量热装置，包括从内到外依次设有的内筒、保温层和外筒，穿过外筒和保温层后与内筒相连通的进气通道、出气通道和激光通道；所述内筒与保温层之间形成第一循环工质腔室，所述保温层和外筒之间形成第二循环工质腔室，所述第一循环工质腔室和第二循环工质腔室相连通。

所述的用于煤粉发热量在线测量的量热装置还包括可移动端盖。所述内筒为燃烧室，煤粉在内筒进行燃烧，其中煤粉盛放在坩埚中。

所述的第二循环工质腔室的体积至少为第一循环工质腔室的两倍。这样设置的目的是为了可以使用循环工质进行煤粉发热量的多次测量，循环工质在第一循环工质腔室和第二循环工质腔室循环，避免现有技术中固定工质在传导一定热量后不能进行下一次煤粉发热量的测试，需要温控设备进行降温的问题。

所述的保温层的下部设有循环工质入口，所述的保温层的上部设有循环工质出口，第一循环工质腔室和第二循环工质腔室通过循环工质入口和循环工质出口相连通。

所述的进气管道由外筒至内筒呈向下倾斜的方向布置。所述的进气管道与内筒连通的位置高于坩埚燃烧时的位置。向下倾斜布置以及开口位置稍高于坩埚是为了保证气体进入燃烧室后与煤粉充分接触并助燃后再排出。

所述的进气通道与气体发生器相连。

所述的激光通道位于进气管道中。将进气通道和激光通道这两个通道合二为一，一方面简化结构，另一方面进气管道的气体可以冷却激光光纤头和透镜，同时避免飞灰沾污透镜。

所述的激光通道中设有光纤头和透镜，透镜将光纤头发出的激光聚焦到坩埚内的煤粉表面。所述光纤头与激光发生器相连，所述光纤头发出的激光功率可调，激光经过透镜在坩埚内聚焦的激光光斑大小和聚焦位置可调。

所述的出气管道由上至下围绕内筒螺旋布置。出气管道由上至下的螺旋布置可以增大燃烧后废气与循环介质的换热面积，降低出口废气带走的热量损失，使得煤粉燃烧产生的热量尽可能多的传递给循环介质。

所述的第一循环工质腔室和第二循环工质腔室分别设有温度传感器；所述的进气管道内和出气管道内均分别设有流量传感器和温度传感器。

所述的温度传感器用于采集循环工质或气体的温度，所述的流量传感器用于采集助燃气体和燃烧废气的流量。所述的温度传感器为铂电阻温度传感器，所述的流量传感器为齿轮流量计。

所述的第一循环工质腔室或第二循环工质腔室中设有驱动装置，所述驱动装置选自螺旋桨或水泵。通过设置螺旋桨或水泵作为驱动装置，来驱动循环工质循环，并且可以通过调节流速，实现快速传热，缩短测量时间。水泵也可以设置在装置外部，或者设置在循环工质入口或循环工质出口。

具体地，所述的水泵可以为小型叶片泵。

所述的内筒设有支撑杆和与支撑杆一端相连的密封底盘，支撑杆的另一端与电机相连。

所述的支撑杆和密封底盘为一体式或分体式。支撑杆在电机的带动下上下移动，将取样后的坩埚放入到内筒进行燃烧，以及将燃烧后的坩埚转移出内筒。从而实现煤粉的自动进样。

所述的保温层内填充空气或者惰性气体。第一循环工质腔室和第一循环工质腔室中的循环工质为水。所述的气体发生器用于提供洁净的压缩气体，为煤粉燃烧提供所需氧气。所述的气体发生器产生的气体为空气或氧气。

所述的量热装置的工作过程为：

测量前，装置顶部可移动端盖打开，密封底盘和支撑杆由电机带着向上运动至高于装置顶部，盛有煤粉的坩埚放置在密封底盘上，密封底盘和支撑杆向下运动至密封底盘紧贴内筒底部，盛有煤粉的坩埚放入内筒，顶部可移动端盖关闭。

测量时，气体发生器将助燃气体从进气管道通入，激光器发生装置发出一定时长的激光，激光透过透镜聚焦到煤粉表面点燃煤粉，煤粉在含氧气氛下燃烧完毕释放热量，燃烧废气从出气管道排出。燃烧过程中煤粉燃烧释放的热量通过内筒壁面传递给第一循环工质腔室中的循环工质，循环工质在第一循环工质腔室和第二循环工质腔室流动。

煤粉燃烧时，第一循环工质腔室和第二循环工质腔室中的温度传感器分别采集两个腔室中循环工质的温度，进气通道内的温度传感器和流量传感器分别采集助燃气体的温度和流量，出气通道内的温度传感器和流量传感器分别采集燃烧废气的温度和流量。待采集的温度恒定后，将上述温度与流量数据传输至计算机，使用计算机程序进行修正计算，即可得到煤粉发热量的数据。

测量后燃烧室上部可移动端盖打开，坩埚通过密封底盘和支撑杆向上运动被送出用于煤粉发热量在线测量的量热装置。

本发明还提供一种煤粉发热量开放式在线测量系统的测量方法，包括以下步骤：

s1、煤粉取样称重单元对取样的煤粉进行称重；

s2、夹持装置将称重后的煤粉转移至量热装置；

s3、量热装置中通入助燃气体，激光点燃夹持装置转移的煤粉，并采集煤粉发热量的温度和流量数据，并传输至数据处理单元；

s4、数据处理单元接收并处理温度和流量数据，计算煤粉发热量；

s5、夹持装置转移燃烧后的煤粉至清理单元，清理单元清理煤粉燃烧后的残余灰分。

在步骤s4中，采集的煤粉发热量的温度和流量数据包括：第一循环工质腔室和第二循环工质腔室中循环工质的温度，进气通道中助燃气体的温度和流量，出气通道中燃烧废气的温度和流量。

煤粉发热量的计算公式如下：

其中：

qcoal为单位质量煤粉发热量，u1为第一循环工质腔室中循环工质的内能增加量，u2为第二循环工质腔室中循环工质的内能增加量，q1为激光输入能量，q2为助燃气体排出时带走热量，q3为外筒与环境热交换量，t0为初始时刻第一循环工质腔室和第二循环工质腔室中循环工质的温度，t1为第一循环工质腔室中循环工质的温度，t2为第二循环工质腔室中循环工质的温度，tin为进气通道中的气体温度，tout为出气通道中的气体温度，tambient为环境温度，m为煤粉质量，m1为第一循环工质腔室中循环工质质量，m2为第二循环工质腔室中循环工质质量，c为循环工质的比热，cg为气体的比热，qg为气体的质量流量，h为外筒与环境对流换热系数，a为外筒表面积。m1和m2为固定值，m2远大于m1。

与现有技术相比，本发明提供的煤粉发热量开放式在线测量系统及测量方法，避免了使用氧弹量热仪中人为装取及更换氧弹的繁琐，利用激光点燃煤粉及循环工质动态温度测量发热量方式，能够快速在线测量煤粉发热量，实现了煤粉的自动进样和在线清理，提高了工作效率和自动化水平。

附图说明

图1为本发明煤粉发热量开放式在线测量系统的示意图；

其中，11.煤粉取样器；12.坩埚；13.天平；2.夹持装置；31.外筒；32.保温层；33.内筒；34.进气通道；35.出气通道；36.支撑杆；37.电机；38.第一循环工质腔室；39.第二循环工质腔室；4.数据处理单元；51.气枪；52.置物台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，有必要指出的是，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，并不能理解为对本发明保护范围的界定。

如图1所示，本发明提供的煤粉发热量开放式在线测量系统，包括：

煤粉取样称重单元，包括煤粉取样器11、坩埚12和天平13。

夹持装置2，夹持装置2为两个，分别位于煤粉取样称重单元与量热装置3之间、量热装置3与清理单元:之间；夹持装置2包括转动单元和安装在转动单元上的机械手，机械手夹持取样后的坩埚12至量热装置，夹持燃烧后的坩埚12至清理单元。

在本实施例中，通过将夹持装置设置在称重单元与测量单元之间以及测量单元与清理单元之间，可以实现燃烧前的坩埚自动进样到测量单元，同时将燃烧后的坩埚送至清理单元进行清理。

量热装置3，包括：从内到外依次设有的内筒33、保温层32和外筒31，内筒33、保温层32和外筒31呈同心圆布置，内筒33与保温层32之间形成第一循环工质腔室38，保温层32和外筒31之间形成第二循环工质腔室39。

保温层32的下部设有循环工质入口，保温层32的上部设有循环工质出口，第一循环工质腔室38和第二循环工质腔室39通过循环工质入口和循环工质出口相连通。循环工质出口上设有叶片泵，第一循环工质腔室38通过叶片泵流动到第二循环工质腔室39，实现工质在第一循环工质腔室38和第二循环工质腔室39的循环。

第一循环工质腔室38设有第一温度传感器，第二循环工质腔室39设有第二温度传感器。具体地，第一温度传感器可以设置在内筒33的外侧壁，第二温度传感器可以设置在外筒31的内侧壁。

与内筒33相连通的呈向下倾斜45°方向布置的进气通道34，进气管道34内设有第一流量传感器和第三温度传感器。

位于进气通道34中的激光通道，激光通道中设有光纤头和透镜，透镜将光纤头发出的激光聚焦到坩埚内的煤粉表面。

由上至下围绕内筒33螺旋布置的出气通道35，出气管道35内设有第二流量传感器和第四温度传感器。

内筒33设有支撑杆36和与支撑杆一端相连的密封底盘，支撑杆的另一端与电机37相连。

数据处理单元4，接收和处理温度和流量数据，计算煤粉发热量。

清理单元，包括气枪51和置物台52，气枪51的尾部带有气体发生器。

通过设置清理单元，气体发生器产生的压缩气体可以对残余灰分及时清理，清理后的坩埚可以通过夹持装置，依次从置物台、支杆托盘返回到天平托盘，再次使用。

用上述开放式在线测量系统测量煤粉发热量的方法为：

s1、煤粉从煤粉取样器进入坩埚，天平称量取样前后的坩埚质量，得到坩埚内煤粉质量；

s2、电机带动支撑杆向上升至与天平平齐；

s3、夹持装置将坩埚从天平上转移至支撑杆上；

s4、电机带动支撑杆下降，将坩埚送入内筒；

s5、空气或氧气通过进气通道进入内筒，激光通过激光通道点燃煤粉，煤粉燃烧后，废气通过出气通道排出测量装置，温度传感器和流量传感器采集进气通道中助燃气体的温度和流量；采集进出气的温度及流量，实时传输给数据处理单元；

s6、煤粉燃烧时将热量通过内筒传递给第一循环工质腔室和第二循环工质腔室的循环工质，以及燃烧废气；温度传感器采集第一循环工质腔室和第二循环工质腔室中循环工质的温度，温度传感器和流量传感器采集出气通道中燃烧废气的温度和流量；采集的温度和流量数据实时传输给数据处理单元；

s7、煤粉燃尽后，电机带动支撑杆向上升至测量装置外；

s8、夹持装置将坩埚从支撑杆上转移至置物台和气枪下方；

s9、气枪发生器喷出压缩气体，清扫坩埚内煤粉燃烧后的残余灰分。

s10、数据处理单元通过步骤s5采集的助燃气体的温度和流量、步骤s6采集的循环工质的温度、步骤s6采集的燃烧废气的温度和流量，计算煤粉发热量。

在本实施例中，采用进气通道通入氧气或空气，同时采用激光通道，用激光点燃煤粉，避免了使用氧弹时对环境的严格条件，并且不需要更换氧弹，更加简单；并且采用夹持装置和清理单元，实现了坩埚的自动进样和重复使用，避免使用人工取放样，使其可以实现在线测量并且提高了效率和自动化水平。

上述是结合实施例对本发明作详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。