一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件、装置和系统的制作方法

本实用新型涉及高浓度氨气在线测量的技术领域，具体涉及一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件、装置和系统。

背景技术：

近年来，环境污染问题愈发引起重视。相关部门在《节能减排“十二五”规划》中对电力行业的减排提出了明确要求，而烟气脱硝则成为了其重中之重。

烟气脱硝，是指将高温燃烧（包括燃煤锅炉燃烧、燃油燃气锅炉燃烧以及一些工业炉燃烧）后的烟气中所含的有害物质nox脱除的技术，最终的结果是把已生成的nox还原为n2。目前国内电厂普遍采用选择性催化还原技术（scr）进行脱硝，scr技术的原理为：在催化剂作用下，向烟气中通入还原性气体（目前在国内外的scr烟气脱硝反应中，通常采用氨气作为scr反应的还原性气体），将nox还原成n2和h2o。其反应机理如下式所示（以氨气为例）：

4no+4nh3+o2→4n2+6h2o

6no+4nh3→5n2+6h2o

6no2+8nh3→7n2+12h2o

2no2+4nh3+o2→3n2+6h2o

目前电厂普遍采用的氨气制备系统主要有无水液氨系统、氨水系统和尿素系统等。其中无水液氨系统主要是使用液氨蒸发的手段来制备氨气，该系统虽然投资小、运输和使用成本最低，但却存在重大的安全隐患，特别是在运输和存储过程中，液氨泄漏带来的危害非常大；氨水系统的投资、运行以及运输成本都很高，虽然比液氨安全一些，但仍存在一定的安全隐患；而尿素系统的投资及运行成本虽然与液氨系统相比较高，但二者运输成本相当，并且尿素系统基本上没有安全隐患，因此是目前最安全的氨气制备技术。

而在尿素系统中，为了分析尿素水解反应的程度以及整个水解反应中尿素的利用率，同时为了方便运行人员参照运行指标及测量数据及时对尿素溶液浓度和管道流量进行调整，以便达到对尿素溶液浓度、管道流量与机组运行参数的闭环动态管理，从而能够更高效地指导生产、精确合理喷氨、减少scr脱硝反应后氨气过喷造成的环境污染和生产浪费，需对尿素水解反应器出口的氨气浓度进行测量。但是由于尿素催化水解出口的氨气体积浓度在37%左右，浓度太高，同时管道内气体温度和压力较高，目前红外氨气检测和电化学氨气检测等方式因量程测量范围及水露点原因的限制将不再适用。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种能够直接安装在测量点上进行实时测量，且在测量过程中不会产生凝结水以影响测量结果的用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件、装置和系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件，包括：安装于所述管道中测量点上的短节；所述短节与所述管道相连通，且工作时所述短节的温度与所述管道的温度一致；所述短节上开设有第一通光孔和第二通光孔，所述第一通光孔内设有第一镜片，所述第二通光孔内设有第二镜片，以使激光源发射的激光光束依次穿过第一镜片、短节内的待测气体、第二镜片后被光电探测模块接收。

优选地，所述第一镜片和所述第二镜片均为楔形镜片；所述第一镜片的楔形端和所述第二镜片的楔形端，均位于所述短节的内部；所述第一镜片的一部分非楔形端和所述第二镜片的一部分非楔形端，均位于所述短节的外部，且上述位于短节外部的第一镜片非楔形端上和第二镜片非楔形端上，均设置有伴热装置。

优选地，所述第一通光孔和所述第二通光孔相对于所述短节的径向和轴向，均呈对称设置；所述位于短节内部的第一镜片楔形端的斜面与第二镜片楔形端的斜面平行。

优选地，所述第一镜片位于第一通光孔内的部分的形状和大小与所述第一通光孔的形状和大小相适配，使得所述第一通光孔呈密封状态；所述第二镜片位于第二通光孔内的部分的形状和大小与所述第二通光孔的形状和大小相适配，使得所述第二通光孔呈密封状态。

优选地，所述伴热装置与温度控制模块电气连接。

优选地，所述伴热装置的伴热温度与所述管道的温度一致。

相应地，一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量装置，包括：数据采集与控制模块、激光控制模块、激光器、准直器、光学组件、光电探测器和主控模块；所述光学组件为上所述的原位式在线测量光学组件；所述数据采集与控制模块的控制信号输出端与所述激光控制模块的输入端电气连接，所述激光控制模块的输出端与所述激光器的输入端电气连接，所述激光器的出射光路与所述准直器的入射光路相适应，以使所述激光器的出射光束从所述准直器穿过后进入所述光学组件中的第一通光孔，所述光电探测模块为所述的光电探测器，所述光电探测器的输出端与所述数据采集与控制模块的采集信号输入端电气连接，所述数据采集与控制模块的通讯端与所述主控模块的通讯端电气连接。

相应地，一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量系统，所述气体为氨气，所述测量系统包括：测量装置、氨气制备系统和氨气应用系统，所述氨气制备系统的出气口和所述氨气应用系统的进气口通过管道相连通；所述测量装置为上所述的原位式在线测量装置，且所述测量装置位于所述氨气制备系统和所述氨气应用系统之间的管道上。

优选地，所述管道包括：第一气体输送管道和第二气体输送管道；所述测量装置中短节的一端通过所述第一气体输送管道与所述氨气制备系统的出气口相连通，所述短节的另一端通过所述第二气体输送管道与所述氨气应用系统的进气口相连通。

优选地，所述短节为法兰短节；所述氨气制备系统为尿素水解系统；所述氨气应用系统为scr系统。

本实用新型的有益技术效果在于：

1、本实用新型中的原位在线测量系统主要包括测量装置、氨气制备系统和氨气应用系统，测量装置主要包括数据采集与控制模块、激光控制模块、激光器、准直器、光学组件、光电探测器和主控模块，而光学组件主要包括短节，在短节上开设两个通光孔，两个通光孔内均设置有镜片；短节作为气体输送管道的一部分被安装在氨气制备系统和氨气应用系统之间管道上的合适测量点上，这样，从氨气制备系统中输出的氨气能够直接通过短节进入氨气应用系统中；工作时，通过数据采集与控制模块和激光控制模块来控制激光器发出一定频率的激光光束，激光光束经过准直器后依次穿过通光孔中的入射镜片、短节中的待测气体（例如氨气）及通光孔中的出射镜片之后被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号后输出至数据采集与控制模块，数据采集与控制模块根据接收到的谐波信号计算得到混合气体中待测气体的浓度，并对数据进行计算处理保存，同时将数据传送至主控模块，以便主控模块进行数据的后续分析及处理。

本实用新型在实施时，可直接将短节安装在气体输送管道的任意测量点上进行实时测量，短节作为管道的一部分与管道集成为一体，在工作时短节的温度可与管道的温度保持一致，这样能够较大程度防止凝结水的产生，保证该原位测量方式的有效进行及测量结果的精确性。

2、本实用新型中的光学组件采用的入射透镜和出射透镜均为楔形透镜，两个楔形镜片的楔形端均位于短节内部，这样能够充分地检测到短节内流过的气体，避免测量出现“死角”，保证了测量结果的精确性；此外，两个楔形镜片的非楔形端均伸出短节外部，在两个楔形镜片的外露部分上均分别设置有伴热装置，伴热装置可将上述两个楔形镜片的外露部分保持在一定的温度范围内，进而可使得两个楔形镜片的整体温度与短节及管道的温度控制在一个水平线上，进一步防止凝结水的产生，保证光路不受外界凝结水的干扰，更大程度保障了该原位测量方式的有效性和测量结果的精确性。

3、本实用新型的光学组件中的两个通光孔和两个楔形镜片在进行相互配合使用时，两个通光孔均为封闭状态，这样使得整个测量腔体呈密封状态，防止了光路干涉，进一步提高了测量结果的精确性。

4、本实用新型中的伴热装置可与温度控制模块电气连接，通过温度控制模块，可根据实际应用需求对伴热装置的伴热温度进行调节和控制，具有较好的灵活性和适应性。

5、本实用新型中光学组件中的短节可选用法兰短节，便于安装，使用方便。

附图说明

通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量装置的结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量系统的结构示意图；

图中：10为测量装置，20为氨气制备系统，30为氨气应用系统，40为第一气体输送管道，50为第二气体输送管道，101为数据采集与控制模块，102为激光控制模块，103为激光器，104为准直器，105为光学组件，106为光电探测器，107为主控模块，1051为短节，1052为第一镜片，1053为第二镜片，1054为伴热装置，1055为温度控制模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本实用新型提供了一种一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件，图1是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件的结构示意图，如图1所示，一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件，可包括：安装于所述管道中测量点上的短节1051；所述短节1051与所述管道相连通，且工作时所述短节1051的温度与所述管道的温度一致；所述短节1051上开设有第一通光孔和第二通光孔，所述第一通光孔内设有第一镜片1052，所述第二通光孔内设有第二镜片1053，以使激光源发射的激光光束依次穿过第一镜片1052、短节1051内的待测气体、第二镜片1053后被光电探测模块接收。

本实用新型还提供了一种一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量装置，图2是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量装置的结构示意图，如图2所示，一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量装置，可包括：数据采集与控制模块101、激光控制模块102、激光器103、准直器104、光学组件105、光电探测器106和主控模块107；所述光学组件105为上述的原位式在线测量光学组件；所述数据采集与控制模块101的控制信号输出端与所述激光控制模块102的输入端电气连接，所述激光控制模块102的输出端与所述激光器103的输入端电气连接，所述激光器103的出射光路与所述准直器104的入射光路相适应，以使所述激光器103的出射光束从所述准直器104穿过后进入所述光学组件105中的第一通光孔，所述光电探测模块为所述的光电探测器106，所述光电探测器106的输出端与所述数据采集与控制模块101的采集信号输入端电气连接，所述数据采集与控制模块101的通讯端与所述主控模块107的通讯端电气连接。

本实用新型还提供了一种一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量系统，所述气体可为氨气，图3是本实用新型一个实施例提供的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量系统的结构示意图，如图3所示，所述测量系统可包括：测量装置10、氨气制备系统20和氨气应用系统30，所述氨气制备系统20的出气口和所述氨气应用系统30的进气口通过管道相连通；所述测量装置10为上所述的原位式在线测量装置，且所述测量装置10位于所述氨气制备系统20和所述氨气应用系统30之间的管道上。

上述实施例中的原位在线测量系统主要包括测量装置、氨气制备系统和氨气应用系统，测量装置主要包括数据采集与控制模块、激光控制模块、激光器、准直器、光学组件、光电探测器和主控模块，而光学组件主要包括短节，在短节上开设两个通光孔，两个通光孔内均设置有镜片；短节作为气体输送管道的一部分被安装在氨气制备系统和氨气应用系统之间管道上的合适测量点上，这样，从氨气制备系统中输出的氨气能够直接通过短节进入氨气应用系统中；工作时，通过数据采集与控制模块和激光控制模块来控制激光器发出一定频率的激光光束，激光光束经过准直器后依次穿过通光孔中的入射镜片、短节中的待测气体（例如氨气）及通光孔中的出射镜片之后被光电探测器接收，光电探测器将光信号转换为电信号后输出至数据采集与控制模块，数据采集与控制模块根据接收到的谐波信号计算得到混合气体中待测气体的浓度，并对数据进行计算处理保存，同时将数据传送至主控模块，以便主控模块进行数据的后续分析及处理。

本实用新型在实施时，可直接将短节安装在气体输送管道的任意测量点上进行实时测量，短节作为管道的一部分与管道集成为一体，在工作时短节的温度可与管道的温度保持一致，这样能够较大程度防止凝结水的产生，保证该原位测量方式的有效进行及测量结果的精确性。

具体地，所述激光器103可为可调谐半导体激光器，当待测气体为氨气时，可通过调节激光控制模块102的温度及电流，使所述激光器103的输出频率稳定在氨气谱线中心频率ѵ0=6528.69cm^-1处。

具体地，所述主控模块107可为dcs系统。

进一步地，所述的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量系统中，所述管道可包括：第一气体输送管道40和第二气体输送管道50；所述测量装置10中短节1051的一端通过所述第一气体输送管道40与所述氨气制备系统20的出气口相连通，所述短节1051的另一端通过所述第二气体输送管道50与所述氨气应用系统30的进气口相连通。

更进一步地，所述短节1051可为法兰短节，这样便于安装，使用方便；所述氨气制备系统20可为尿素水解系统；所述氨气应用系统30可为scr系统。

进一步地，所述的一种用于高温高压管道中高浓度气体的原位式在线测量光学组件中，所述第一镜片1052和所述第二镜片1053均可为楔形镜片；所述第一镜片1052的楔形端和所述第二镜片1053的楔形端，均位于所述短节1051的内部；所述第一镜片1052的一部分非楔形端和所述第二镜片1053的一部分非楔形端，均位于所述短节1051的外部，且上述位于短节1051外部的第一镜片1052非楔形端上和第二镜片1053非楔形端上，均设置有伴热装置1054。

上述实施例中的光学组件采用的入射透镜和出射透镜均为楔形透镜，两个楔形镜片的楔形端均位于短节内部，这样能够充分地检测到短节内流过的气体，避免测量出现“死角”，保证了测量结果的精确性；此外，两个楔形镜片的非楔形端均伸出短节外部，在两个楔形镜片的外露部分上均分别设置有伴热装置，伴热装置可将上述两个楔形镜片的外露部分保持在一定的温度范围内，进而可使得两个楔形镜片的整体温度与短节及管道的温度控制在一个水平线上，进一步防止凝结水的产生，保证光路不受外界凝结水的干扰，更大程度保障了该原位测量方式的有效性和测量结果的精确性。

更进一步地，所述第一通光孔和所述第二通光孔相对于所述短节1051的径向和轴向，均可呈对称设置；所述位于短节1051内部的第一镜片1052楔形端的斜面与第二镜片1053楔形端的斜面平行。

更进一步地，所述第一镜片1052位于第一通光孔内的部分的形状和大小与所述第一通光孔的形状和大小相适配，使得所述第一通光孔呈密封状态；所述第二镜片1053位于第二通光孔内的部分的形状和大小与所述第二通光孔的形状和大小相适配，使得所述第二通光孔呈密封状态。

上述实施例中光学组件中的两个通光孔和两个楔形镜片在进行相互配合使用时，两个通光孔均为封闭状态，这样使得整个测量腔体呈密封状态，防止了光路干涉，进一步提高了测量结果的精确性。

更进一步地，所述伴热装置1054可与温度控制模块1055电气连接。

上述实施例中的伴热装置可与温度控制模块电气连接，通过温度控制模块，可根据实际应用需求对伴热装置的伴热温度进行调节和控制，具有较好的灵活性和适应性。

更进一步地，所述伴热装置1054的伴热温度与所述管道的温度一致。

具体地，可根据实际需求，在整个短节和气体输送管道上设置电伴热或蒸汽伴热系统，由于通常情况下管道内的压力约为0.6mpa，因此为保证不产生凝结水，上述伴热温度不可低于150℃。

具体地，所述伴热装置1054可为电伴热圈。在实际应用中，为保证光路不受外界凝结水的干扰，所述伴热装置1054的温度不可低于150℃。

本实用新型用于在利用尿素催化水解生成的氨气使火电厂燃煤烟气脱硝的工艺过程中尿素催化水解反应之后生成的氨气浓度的测量，可以实现在不改变现场高温高压氨气混合气体工况的条件下直接对氨气浓度进行在线测量，通过对测量窗口的结构优化和优化布置，并对窗口进行了伴热，解决了现有测量手段中因为测量引入气体工况（温度t、压力p、流量q）的改变从而造成测量误差问题以及抽取稀释间接测量引入的测量滞后和精度降低问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“对称”、“径向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设有”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述组件、装置及系统中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。此外，在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其他的方式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。