專利名稱：量熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一個量熱系統(tǒng)的，特指連續(xù)直接測量煤等固體化石燃料的燃燒熱值，以將其結(jié)果聯(lián)機用于該種燃料燃燒過程控制的量熱系統(tǒng)。
本發(fā)明特別適用于燃煤的公用事業(yè)發(fā)電廠中聯(lián)機測量該種發(fā)電廠中鍋爐用煤的熱值。本發(fā)明的某些方面也可用來改進燃燒的量熱技術(shù)。
煤等固體燃料的燃燒熱一般是用一種彈式熱量計測量的。彈式熱量計是一種由樣品燃燒推算熱量的絕對而直接的方法。它將熱力學(xué)第一定律用于原始樣品的質(zhì)量和熱量計的溫升，由單位質(zhì)量樣品釋放的熱來計算熱值。彈式熱量計仍然是測量固體或液體燃料熱值的最新式的儀器。但這種測量必須脫機進行，并且不屬于可以控制類似公共發(fā)電廠中控制蒸汽發(fā)生器點火系統(tǒng)那樣的連續(xù)過程的類型。
連續(xù)流量熱術(shù)長期來已被用來測量氣體燃料燃燒的熱，例見1930年首次出版的SearsandZemansky著大學(xué)物理第二版(第二章16-7)。這種系統(tǒng)有時按照熱力學(xué)第一定律工作，測量由氣體釋出的熱對其它流體系統(tǒng)的影響。參考下列美國專利可以獲得有關(guān)此類氣體量熱系統(tǒng)的進一步情報Schmidt，1，869，585，1932年8月2日頒發(fā);Keith，2，026，179，1935年12月31日頒發(fā);Pinkerton，2，349，517，1944年5月23日頒發(fā);Toyota等，3，472，071，1969年10月14日頒發(fā);Grey，3，665，763，1972年5月30日頒發(fā);以及Calvet等，4，500，214，1985年2月19日頒發(fā)。其它量熱技術(shù)不包括絕對和直接的測量，而是依靠對氣體燃燒的物理及化學(xué)分析。這類間接氣體量熱技術(shù)記載于下列美國專利Haas，3，988，926，1976年11月2日頒發(fā);Stewart，4，115，862，1978年9月19日頒發(fā);Wilson等，4，345，463，1982年8月24日頒發(fā);及Kude等，4，386，858，1983年6月7日頒發(fā)。下述資料中曾講述了一種商業(yè)用連續(xù)流熱量計“產(chǎn)品通報”“FLO-CaL”(TM)高速熱量計通報NO.20FC-1流體數(shù)據(jù)公司出版，美國11556，紐約，莫里克(通報日期為9-84)。
這類依靠燃燒的氣體熱量計的測量精度可受熱損失的嚴重影響。由熱損失引起的誤差必須被校正，並且高度依賴于周圍環(huán)境的溫度和壓力。
煤的精確量熱技術(shù)問題由于煤的變化多樣的化學(xué)成分而變得更加困難了。這些復(fù)雜成分影響了對每種組份和它們在煤的總質(zhì)量中的份額的熱容量的精確估量。熱損失以及由環(huán)境溫度和壓力的變化引起的對穩(wěn)定狀態(tài)的破壞性影響，使測量變得更加困難。煤的量熱術(shù)的另一個問題是煤的自持性燃燒的維持。這包括在熱量計中起始和連續(xù)測量時煤向燃燒器的給入問題。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種改進的量熱系統(tǒng)。這種系統(tǒng)特別適用于在直接和連續(xù)的基礎(chǔ)上測量煤等固體燃料的熱值或燃燒熱，以適于聯(lián)機使用以提供工程過程控制所需的數(shù)據(jù)。這些過程包括固體燃料的燃燒，特別是公用發(fā)電廠中燃煤的蒸汽發(fā)生器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種改進的根據(jù)熱力學(xué)第一定律工作的量熱系統(tǒng)。辦法是通過一種其熱值尚待測定的燃料的燃燒和燃燒氣與冷卻空氣的混合。燃燒氣與冷卻空氣的混合方法可將燃燒及混合時的熱損失降至最低，以便減少未料到的熱損失和使環(huán)境條件的擾動趨于穩(wěn)定。
本發(fā)明的進一步的目的是提供一種改進的煤和其它固體燃料的量熱術(shù)，它可以通過自持性燃燒直接和連續(xù)地從燃料的燃燒中推導(dǎo)出熱量。
本發(fā)明更進一步的目的是提供一種改進的連續(xù)的量熱系統(tǒng)。它依靠熱力學(xué)第一定律、其中利用了一種冷卻氣在與燃燒氣結(jié)合時的溫升，並且該系統(tǒng)的熱容量被減少到可以保證對被測材料熱值的改變迅速發(fā)生反應(yīng)。
本發(fā)明的更進一步的目的是提供一種改進的連續(xù)量熱系統(tǒng)。它可以對煤等固體燃料燃燒時的熱值進行絕對的(非推論的)、直接的測量。其中燃料的重量給料率和燃料燃燒時形成的合成燃燒氣的質(zhì)量流率都可以和冷雌奈律黃鴆獬觶員閎范ㄈ劑系娜戎刀皇芑肪逞沽ξ露缺浠撓跋臁 本發(fā)明更進一步的目的是提供一種改進的系統(tǒng)。它可以對自持性燃燒的煤供應(yīng)進行連續(xù)的熱測量。
簡要述之，本發(fā)明中的量熱系統(tǒng)有一個燃燒裝置，將待測燃料(可以是煤等固體燃料)和一種像空氣那樣的維持燃燒的氣體(氧化)給入該燃燒裝置，以便將燃料轉(zhuǎn)化為燃燒氣。設(shè)有一個可將燃燒氣與另一種冷卻氣，例如空氣，混合以制成合成氣的裝置。設(shè)有分別在混合裝置的入口和出口處測量冷卻氣與合成氣的溫度以及測量進入燃燒器的燃料的質(zhì)量給入率的裝置。設(shè)有計算機裝置以負責進行為計算燃燒氣的熱含量所必須的測量。測量時需將燃燒氣各組分的質(zhì)量份額對比熱的貢獻計算在內(nèi)。這類數(shù)據(jù)(指各組分的質(zhì)量份額對比熱的貢獻的數(shù)據(jù))可以存儲在計算機的存儲器中。所以關(guān)于燃料熱值的精確數(shù)據(jù)可以在連續(xù)絕對測量所用材料的溫度和質(zhì)量流率的基礎(chǔ)上測定出來。
可以將來自燃燒器和混合過程的輻射熱經(jīng)對流而傳至回流到燃燒器和混合過程的空氣中去，燃燒器和混合器中的熱損失得以防止。這種回流可以由一個圍在燃燒室外面的多孔絕熱隔室來完成。氧化氣(二次空氣)經(jīng)此而對流到燃燒室中去。一個圍繞在冷卻空氣混合裝置外面的迷路通道可通過使冷卻空氣對流而將輻射熱回送到混合室內(nèi)。
煤等固體燃料被粉粹后，以便控制的速率給至一個重量給料器和由一次空氣驅(qū)動的噴射器再給入燃燒器。在重量給料器處測得粉粹燃料的質(zhì)量和給料率，以備在計算機中計算加熱值時使用。在起動時逐漸增加煤的給入率，同時減低預(yù)熱並起動煤的燃燒的一種燃料氣體的給入率，直到燃燒器中發(fā)生自持性燃燒。
通過結(jié)合所附圖紙閱讀下列說明，將使本發(fā)明的前述目的、其它目的、特點和優(yōu)點，以及其中提的具體情況變得更加明顯

圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的一種量熱系統(tǒng)的示意圖;
圖2是圖1所示系統(tǒng)中使用的熱量計的橫斷面示意圖;
圖3(3A，3B)是用于圖1所示量熱系統(tǒng)的電子計算機控制及測量系統(tǒng)方框圖;
圖4是一條曲線，表示測量過程中燃燒氣或煙氣的各組分的比熱(熱容量)是如何被本系統(tǒng)精確地計量在內(nèi)的;
圖5是圖2所示燃燒器的透視圖解，表示其中由空氣切向流入而造成的材料流動模式;
圖5A和5B是圖5中沿5A-5A線和5B-5B線切取的分段切面圖;
圖6A和6B是圖2所示混合室下端由下向上看的分段立面圖和平面圖。
總之，圖中表示的聯(lián)機連續(xù)量熱系統(tǒng)有三個主要部分(a)材料給入系統(tǒng)，主要是機械的，其原理由圖1表明;(b)一個數(shù)據(jù)獲取和計算機控制系統(tǒng)基本是電子的，其原理示于圖3;及(c)一個熱力學(xué)量熱單元，其原理示于圖2，基本上是為了質(zhì)量流和能量流以及它們在測量時的相對平衡的。
參照圖1，煤來自主煤源1，能通過16號篩孔或更小的煤給入粉粹器的速率由一個二速給料器2控制。這個給料器有三種工作方式關(guān)閉;按該系統(tǒng)正常給料的75%(0.75克/秒)給料;或以該系統(tǒng)正常給料能力的125%給料。開始時給料器以較高的速率給料。
煤由煤源經(jīng)過一個采樣器35，連續(xù)進入一個粉粹器3，並被碾磨成像灰塵樣大小的顆粒，即能通過325號篩孔或更小。粉粹器3由來自氣源(壓縮機)21的高壓空氣4驅(qū)動，消耗100Psig(磅/吋2)的20Scfm(每分鐘標準立方呎)，有壓力開關(guān)和閥門(未表示)連接于計算機系統(tǒng)以監(jiān)測此壓縮機21並使其開或關(guān)。磨碎的煤由作為粉碎器一部分的旋風器5與加工氣流分開。用過的加工氣流由排出口6經(jīng)過一個集塵袋(未表示)離開該系統(tǒng)。該集塵袋可將任何隨流帶走的細小顆粒捕獲。煤落出旋風器5的底部，離開粉碎器而進入一個分離和輸送閥7。此閥可以防止粉碎器固體出口處的高壓排出氣使重量給料器的加料斗8超壓。
當微粉狀的煤填滿重量計給料 2上的加料斗8時，它的水平由一個水平檢測器9感受。也見圖3。當檢測器表示煤已填滿加料斗至一個預(yù)定的水平時，一個信號被經(jīng)過一個數(shù)字輸入/輸出板202送至計算機201(圖3)，這可使雙速給料器變至較低給料率。由雙速給料器來的廢渣10被送回至主煤流。當足夠的煤離開加料斗時，水平檢測器9仃止工作，雙速給料器回復(fù)到較高的給料率。重量給料器上加料斗被作為一個負斜度(2度)以促進固體流動。加料斗的下開口由一個防涌擋板11關(guān)住，以防止煤初始加入加料斗時的流失。該擋板可因傳動帶12向前驅(qū)動而被移開，直到擋板被一對提升鉤13卡住，此時它可由一個空氣氣缸14的正向運動升離傳送帶。擋板一直保持在這個位置，直到傳送帶轉(zhuǎn)空時才又由空氣氣缸的仃止工作和傳送帶的反向運行而被放回原位，重新堵住加料斗的下方開口。
給料傳送帶的安裝框架懸掛在兩個曲梁上(示意圖中25和27)，使框架可起杠桿作用。傳送帶上煤的質(zhì)量在曲梁樞軸的一側(cè)施有一個向下的力，並在曲梁的對側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系牧?。這個向上的力被直接加到一個測壓原件15上(50克容量)。在測壓原件術(shù)語中，測壓原件的容量是以代表動態(tài)范圍上端的質(zhì)量表示的。因為實際上測壓原件測量的是力，該質(zhì)量應(yīng)乘以重力加速度。例如，假如力的極限是4900達因，而給料器框架兩個力矩臂的比大約為3，當傳送帶上有7克煤時，加到測壓原件上的力大約為1960達因。測壓原件的輸出由它的聯(lián)機放大器轉(zhuǎn)變?yōu)?～20毫安的輸出，而傳送到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(模擬數(shù)據(jù)板，圖3中的203)。
給料傳送帶是由一個步進電機16驅(qū)動的，它的控制頻率由計算機產(chǎn)生(圖3)。如果測壓原件指示的質(zhì)量給料率與希望的給料率不符，計算機即算出一個補償性改變並傳送到頻率源(時鐘204，圖3)，由此再送出一個改變了的信號到譯碼器205(圖3)，電機16的步進率即可按需要增加或減低。質(zhì)量給料率因此而控制恒定。步進電機裝在給料傳送帶的定裝框架上，它的質(zhì)量由位于給料器前端的配重(未示出)來補償。
微粉化的煤由傳送帶的末端落下並進入文杜里噴射器17而懸浮在來自高壓氣源21的一次空氣源中。一個震動漏斗(未示出)可以促進煤流。驅(qū)動文杜里器的空氣量與全部一次空氣所需的量在流量上相等。
煤與空氣的混合物由入口管101a經(jīng)過一個在燃燒室102的頂部開有三個等距排列的縫狀開口的環(huán)狀集合管101而進入熱量計20(見圖2)。熱量計20在下端130有燃燒室，在上端有一個空氣混合器單元132。由集合管101而來的煤流通路自行折返，而煤的燃燒發(fā)生在燃燒室102的體積中心。到入口管104來的二次空氣由一個大容量低氣壓的氣源(鼓風機)41提供(圖1)，該鼓風機在30-40吋水柱的壓力下工作。設(shè)有與計算機系統(tǒng)(圖3)相連的開關(guān)和壓力計以監(jiān)測和啟閉該鼓風機。
二次空氣經(jīng)過一個耐火磚陶磁材料的包在燃燒室102外面的多孔絕熱隔室105而到達燃燒室102。絕熱器105被來自燃燒室102的輻射性和對流性熱損失加熱，並被流經(jīng)它的二次空氣冷卻。在此通路中，二次空氣被加熱，在經(jīng)過一組環(huán)形排列的孔口108和燃燒室102的倒錐形底部的三個等距排列的孔口(未表明)而進入燃燒室以前，可以吸收來自燃燒室102的輻射和對流熱損失。(也見圖5，5A和5B)在將煤和空氣的混合物引入燃燒室以前，完成了一個由燃燒通過位于錐體尖端的管子(123)而進入的丙烷的預(yù)熱時間。(丙烷)氣是由19處(圖1)的氣源經(jīng)過一個四閥門51-54的氣流控制系統(tǒng)而被射入燃燒室的。作為替換，也可以使用用于煤和一次空氣混合物的同一集合管101。丙烷被也是位于容積中心的火花點火器109點燃。一旦由排出底氣的溫度急劇升高(由位于熱量計20(圖1)的煙氣出口18處的熱電偶T/C23測得)而確認丙烷已被點燃時，點火器就仃止工作。
計算機201經(jīng)過一個包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)板203(圖3)接收熱電偶信號。該數(shù)據(jù)板也接受測量絕對壓力和差分壓力(PA)和(△P)的壓力計24-29和37，38以及其它熱電偶的信號。來自數(shù)據(jù)板203的數(shù)字化信號被和輸入數(shù)字板202的其它數(shù)字輸入進行多路調(diào)制，並被送至計算機201的存儲器。整個儀器，燃燒室端130加上空氣混合器端132，由燃燒的丙烷加熱。當排出廢氣溫度的升高率接近0時，預(yù)熱周期就已完成。
煤流被以標準值的100%起動，當達到一個新的熱平衡位置時，丙烷流就被逐漸降低。當丙烷流完全仃止時，熱量計就建立起一個煤的無支持自持性燃燒的新的平衡位置。在這種方式的運行中，煤的引燃由使煤和一次空氣的混合物預(yù)熱而發(fā)生，而此預(yù)熱是來自燃燒室容積中心的火球的輻射性加熱。
除去煤和丙烷都在流動的一段時間外，煤的燃燒是在燃燒室中完成的。在前一情況下(按指煤和丙烷都在流動的情況)，某些燃燒似乎是在空氣混合器中完成的。這就是逐步減少而不是立即全部仃止丙烷流的原因?；鹎虮仨毦徛乜s入燃燒室。當火球一部分在燃燒室，一部分在空氣混合器中時，將沒有足夠的輻射熱流來預(yù)熱進入的煤，並且燃燒室的質(zhì)量也沒有達到工作溫度。在這種情況下，火球回縮過快可以由于預(yù)熱不足而導(dǎo)致火焰猝滅。
帶有無支持的煤火焰的新的平衡狀態(tài)一經(jīng)達成，熱量計就可以用來測定煤的熱值。煤是經(jīng)開口103被送至熱量計的。
支持燃燒的空氣通過管子104進入熱量計，並穿過多孔的絕熱器105。多孔絕熱器起雙重作用可以防止燃燒器的熱損失，並且由于空氣由外側(cè)通氣管106流至內(nèi)側(cè)通氣管107，在進入燃燒室102以前就吸取了熱量?？諝鉁囟鹊脑黾佑兄谌紵磻?yīng)的維持。
燃燒器102中煤所遵循的通路140在靠近燃燒器外側(cè)壁處是向下的，靠近中心處是向上的。見圖5，5A和5B。二次燃燒空氣經(jīng)過燃燒器本體中線下面的環(huán)形排列的開口108而進入燃燒器。燃燒反應(yīng)由開動點火器109而開始。點火氣為一個火花塞，或是經(jīng)一個變壓器(未表明)而接通的(見數(shù)字數(shù)據(jù)板202的輸出，圖3)電熱輝光放電桿，或是一個可以徑向或垂直進入的火焰。只要火花或火焰是位于燃燒室的容積中心，當燃燒成為自持性以后，點火器就仃止工作。那時進來的煤和空氣可被燃燒室102中的火球的輻射加熱。
孔108可供空氣切向進入燃燒室102。如圖5、5A和5B表明的那樣，(空氣)穿透燃燒器側(cè)壁時是向下以45°徑向線旋離的。這可以完成幾件事首先，空氣流和煤流的流路延長了，從而增加了煤的顆粒的仃留的時間，當空氣向內(nèi)上方移動時，煤顆粒被向室壁拋回直至只剩下灰。此時灰是一種極細的顆粒，可被廢氣帶出燃燒器。其次，向下的流動還可以幫助把灰從底部錐體掃除，並帶入向上流動的煙氣。這可使燃燒器保持清潔，並可提供一種為了以后進行煤中灰分的測定而捕獲煙灰的手段。
燃燒的熱產(chǎn)物(燃燒氣)由開口110流出燃燒室而進入混合室111。冷卻或混合空氣經(jīng)管子112並流經(jīng)一個通氣迷路113進入熱量計，並經(jīng)過許多入口隔障和確定混合室111界限的管子119壁上的許多開口114進入混合室，見圖6A和6B。這些開口114一般是三角形的，並且是開在延展于燃燒單元130和混合單元132之間的管子的頸部。這保證了一種回旋式流動而有助于混合。通氣迷路中的空氣吸收來自混合室的輻射性熱損失，並將其送回混合室，從而提高測量精度。開口114是由沿三角形的斜邊切割，並沿三角形的垂直邊向內(nèi)折曲的方法特別制成的。這可以提供一個沿向上的螺旋經(jīng)路引導(dǎo)混各空氣的入口和隔障。這種向上的螺旋路徑可以幫助與煙氣混合和減少橫跨迷路和混合煙囪111兩端的壓降。
燃燒的熱產(chǎn)物和冷卻空氣在流經(jīng)混合室並由廢氣口115流出熱量計的全程中由端流而混合。燃燒氣物和冷卻空氣的混合由于隔障116的存在而進一步促進。在此實施例中，這些隔障包括一系列間插的圓盤117和環(huán)118。它們可以增加流動的湍度。在熱量計頂部的帶有熱電偶23的熱電偶探頭122進入出氣口並被置于最后(最上部)的隔障之間。這種熱電偶的配置使廢氣出口處熱電偶23與燃燒室及其火焰隔離，以防止由于熱電偶的輻射性加熱而引起的溫度測量誤差?；旌涎b置可以是靜態(tài)的或是動態(tài)的，即圓盤117可由一個適當?shù)闹聞悠?，像一個振動器，驅(qū)動與圓環(huán)作相對運動。
熱量計按熱力學(xué)第一定律工作。在本發(fā)明中的體現(xiàn)是燃料的傳送速率與能量釋放的速率都是連續(xù)測量的，而熱值來自公式熱值＝Q/Mf(1)如果熱釋放的速率Q是以BTU/小時以及燃料流率Mf是以LB/小時給出，它們的商就是以BTU/LB計的燃料的熱值。其它適當?shù)膯挝灰部刹捎?，例如KJ/Kg。
能量釋放率Q的值可由混合物的方法測定，按此方法，燃燒產(chǎn)物的熱損失(被測物或燃料)可被冷卻空氣獲得。為了精確測量，熱量計的熱損失必須被最大可能幅度地減少。首先這可以由多孔絕熱器室105完成，它可以阻止燃燒室的熱損失。絕熱器本身由于吸收此熱而變熱。此熱可由使二次燃燒空氣通過絕熱器而回收，燃燒空氣可由吸收絕熱器的熱，並將其傳回燃燒室。
其次，燃燒器的熱損失被冷卻空氣的迷路通道減低，熱由燃燒產(chǎn)物和冷卻空氣的混合物通過對流傳至混合器111的金屬管壁119，並以同樣方式傳至包在混合室外面的絕熱層120。冷卻空氣沿此絕熱層的表面流過，從低溫端開始，並且到它下行到混合室入口114處的行程中獲取熱。因為由此表面也有一個輻射的熱損失，包在金屬圓筒121外面還設(shè)有一個第二絕熱層。經(jīng)同樣的作用，空氣由通道112的入口上行，經(jīng)過此表面將任何被圓筒121吸收的熱回收。熱量計的全部外表面是被一種合適類型的絕熱層覆蓋的。
冷卻空氣吸收的熱等于燃燒產(chǎn)物損失的熱。這種熱的量可由下式計算Qa＝Ma×CpX(T2-T1) (2)其中Qa＝熱流，單位BTU/hr;
Ma＝冷卻空氣的質(zhì)量流，單位LB/hr;
Cp＝空氣的比熱，單位BTU/(LB×OF);
T2＝廢氣排出口115處混合物的溫度，單位oF;
T1＝經(jīng)路112入口處冷卻空氣的溫度，單位oF因為燃燒產(chǎn)物的混合物和冷卻空氣是在升高了的溫度下離開熱量計的，一個相同的運算被進行，以便與環(huán)境空氣的熱含量相比而計算混合物的熱含量。進行計算時要假設(shè)排出的燃燒氣的熱力學(xué)與空氣的熱力學(xué)是相同的。這種假設(shè)是合理的，因為空氣比燃燒氣大約多50倍。這兩種計算的和等于由燃燒反應(yīng)流向冷卻空氣的總熱流。煤的熱值可由上述的公式(1)算出。
因為燃燒是在燃燒室中完成的，燃燒煤所提供的全部的能都釋放于此處，並被流經(jīng)這個系統(tǒng)的燃燒產(chǎn)物、多余的空氣和惰性氣體吸收。據(jù)估計，這些氣體的溫度可因吸收此熱而升高到1800-2000華氏度的范圍。熱氣體離開燃燒室而進入空氣混合器，並在該處與大余量的較冷空氣混合(185oF，165Scfm)。于是熱燃燒產(chǎn)物和冷卻空氣的全部混合物以380-4600F的范圍的溫度離開熱量計。由于混合空氣的質(zhì)量流率是由它的壓力測值和入口溫度計算的，並且煤的給入率是由恒定傳送帶速度時測壓原件的信號計算的，熱值的數(shù)據(jù)可由計算機201按公式(2)和(1)算出。
這樣的儀器配置可以允許不必依靠假設(shè)混合空氣和排出的燃燒氣的熱力學(xué)是相同的即行測出熱值。這是因為壓力計和熱電偶為一次空氣和燃燒空氣的質(zhì)量流以及煤的給入率的精確計算作好了準備。于是燃燒產(chǎn)物各組份的比熱或熱容量(Cp)的非線性影響可以被計算在內(nèi)。鑒于熱流Q可由下式較精確地算出
Cpf就是一個把一定等級的煤的(燃燒產(chǎn)物)煙氣各組份的平均質(zhì)量份額都計算在內(nèi)的復(fù)合函數(shù)。煤和空氣的各組份為CO2、H2O、SO2、O2和灰。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一定等級的煤(煙煤、亞煙煤、褐煤等)中，燃燒產(chǎn)物的熱容量幾乎相同。所以，由于煤種已知，該種煤所屬等級的熱容量的數(shù)據(jù)已被存入控制計算機201的存儲器中，用以改進熱值的計算。下面給出了該程序的比較詳細的解釋由公式3，煤以BTU/Lb為單位的熱值，可由熱力學(xué)第一定律導(dǎo)出，其中煤和空氣的質(zhì)量流率和T1及T2一樣，都是由熱電偶31(T1)和23(T2)精確地測得的，煙氣的熱容量(比熱)Cf是溫度的一個復(fù)函數(shù)，並隨氣體的組合不同而改變。
第一次近似值表現(xiàn)CP和T(圖4)之間的直線關(guān)系。其誤差包括第一條和第三條曲線之間的面積。
第二近似值只表示空氣的熱容量，並引起第二條和第三條曲線之間的誤差。
三次近似值表明氣體的組合，其中考慮了給定等級的每一氣體組份的平均質(zhì)量份額。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一種給定等級的煤，即煙煤?，烟气抵\熱仁竅嗤?。所以将每帜[櫸蕕腃p的非線性計算在內(nèi)，即可精確測定Cp(T2-T1)的乘積，即曲線下的面積。同樣，熱流QC也可精確測出。見下表組份熱容量質(zhì)量分額CO2CPCO2＝a1+b1T+C1T2+d1T3×1H2O CPH2O＝a2+b2T+C2T2+d2T3×2SO2CPSO2＝a3+b3T+C3T2+d3T3×3N2CPN2＝a4+b4T+C4T2+d4T3×4O2CPO2＝a5+b5T+C5T2+d5T3×5空氣 CP空氣＝a6+b6T+C6T2+d6T3×6CP灰＝a7+b7T+C7T2+d7T3×7因此，總煙氣的熱容量可由下式給出CPf＝W+XT+yT2+ZT3以及W＝a1X1+a2X2……a7X7X＝b1X1+b2X2……b7X7最終∫TlT1CPfdT=∫TlTl(W+XT+yT2+ZT3)dT---(4)]]>可以看出，復(fù)合物CPf即為圖4中第三條曲線下的面積A。
煤的等級數(shù)限制在5或6以內(nèi)。因此，a、b、c等系數(shù)可以很方便地儲存起來。計算可以由控制計算機以五秒鐘的間隔聯(lián)機進行。結(jié)果可按大于五秒鐘的所希望的間隔加以平均。
數(shù)據(jù)獲取和計算機控制系統(tǒng)(圖3)如上面討論的那樣，具有搜集和處理所有輸入輸出信號，進行全部運算，以及控制各種馬達，致動器和電磁線圈的功能。它有五種基本的工作狀態(tài)(1)自動啟動和校準，(2)按要求進行校準，(3)靜止準備，(4)分析，及(5)自動關(guān)閉。還有一個在出故障時自動關(guān)閉的工作狀態(tài)，這可以在設(shè)備發(fā)生故障時發(fā)動。
自動啟動和校準狀態(tài)可由開啟本單元的電源而始動。這可以使計算機開始工作並向所有電子部件供電。當完全運轉(zhuǎn)時，所有搜集數(shù)據(jù)的傳感器(T/C和壓力計)都處于工作狀態(tài)，並向模擬數(shù)據(jù)板203或數(shù)字數(shù)據(jù)板202報告它們的測試點的狀態(tài)(圖3)。計算機進行的第一個測試是高壓氣源是否處在100psig的最低壓力。如果是，高壓氣源的關(guān)閉閥就被打開;如果不是，一個誤差信息就被送至打印機207。在高壓空氣進入本單元后，低壓鼓風機41就被開動，並且在經(jīng)過數(shù)秒鐘的延遲后，計算機就測試鼓風機輸出管線中壓力是否滿足。如果不足，一個誤差信息就被送到打印機。如果足夠，火花點火器就被開動。
熱量計的工作要求兩個獨立的氣源一種經(jīng)過熱力學(xué)分析的供校準本單元用的氣體，和一種為預(yù)熱本系統(tǒng)而大量儲備的任何可燃氣體(即丙烷)。于是詰慊鵪鞣⒍院?，预壤@乇輾啪捅淮蚩?，预壤@肴忌帳襾K被點燃。起燃可由廢氣溫度的上升而測知。如果起燃未被確認，一個誤差信息就被送到打印機。如果起燃被確認，火花點火器就被仃止工作。計算機測試廢氣的溫度以確認本單元是否達到工作狀態(tài)。
當本單元達到適當?shù)墓ぷ鳒囟葧r，預(yù)熱氣關(guān)閉閥門就被關(guān)閉，而校準氣關(guān)閉閥門就被打開。經(jīng)測量校準氣的質(zhì)量流率和由它的燃燒而來的熱流率(上述)，就可以測知校準氣的熱值，並被送到打印機。將校準的結(jié)果與校準氣的已知熱值進行比較，就可以作出是繼續(xù)運行或是關(guān)閉和進行修正的決定。在算出校準氣熱值已被送至打印機以后，校準氣關(guān)閉閥門就被關(guān)閉，而預(yù)熱氣關(guān)閉閥門就被打開。本單元此時就處在靜止準備狀態(tài)，準備按操縱者的要求開始分析燃料。
按下本單元的適當按鈕(在一個面板上或計算機鍵盤上……未表明)即可進入分析狀態(tài)，並只能從靜止準備狀態(tài)達到。在確認已經(jīng)滿足啟動的條件以后，17處的噴射器漏斗電磁線圈就被開動，轉(zhuǎn)換和壓力隔離閥7也被開動。向粉碎器3給料的二速給料器2按較高的給料率開動。在這些設(shè)備運行中，固體燃料進入粉碎器，並被磨成所需要的大小的顆粒(即325目或更小)。微粉化的煤被轉(zhuǎn)換和壓力分離閥7接受，並被運送到重量給料器傳送帶12上的加料斗8。此加料斗8帶有負斜度(2度)，以促進微粉化固體燃料流出加料斗。當加料斗中固體燃料的水平長高到足以使水平感指示9改變狀態(tài)時，一個信號就被送至二速給料器2，使它變至較低給料率。在較低給料率時，加料斗中固體燃料的水平降低，直至水平指示器9仃止工作並變回以前的狀態(tài)，二速給料器又被轉(zhuǎn)換至較高的給料率。傳送帶從加料斗運走固體燃料的速率是介于二速給料器的較高和較低給料率之間的。這樣，傳送帶運送固體燃料的速率就可以間接地控制固體燃料引入本單元的速率。
水平指示器第一次引起二速給料器給進率的轉(zhuǎn)換時，一個信號就走向計算機以開始重量計式傳送帶給料器的運轉(zhuǎn)。第一個必需進行的操作就是移開防涌擋板11。該擋板的作用是防止微粉化的固體燃料由傳送帶給料器的加料斗的出口自由流出。可由推進給料器傳送帶直至擋板與附在一個空氣氣缸上的提升機構(gòu)的齒咬合而將擋板移開?？諝鈿飧卓捎蓙碜杂嬎銠C的指令而開動，並且防涌擋板可由給料器傳送帶提升一個距離，以便賦予傳送帶上的固體燃料床一個無阻礙的間隙。給料器傳送帶的驅(qū)動重新起動，微粉化(的固體燃料)開始流向熱量計。
重量計式傳送帶給料器的作用是測量固體燃料流入熱量計的質(zhì)量流率。這是由主傳送帶框架的撓性安裝完成的，這使它成為一個第一級的杠桿而以其矩力矩臂與一個測壓原件相接。
傳送帶上的固體燃料床在杠桿的長力矩臂上引起一個向下的力，從而在測壓原件上引起一個向上的力，兩個力矩臂長度的不同導(dǎo)致傳送帶上的固體燃料所施加的力倍增。測壓原件向聯(lián)機的放大器送出一個與加到其上的力成比例的信號。聯(lián)機的放大器(未表明)將測壓原件的信號按比例地轉(zhuǎn)換成一個4-20ma的信號，並傳送到模擬數(shù)據(jù)板203。
該信號由線路板203上的A/D轉(zhuǎn)換器編碼並經(jīng)數(shù)字數(shù)據(jù)板202(與其它輸入進行多路調(diào)制)而送至計算機，在此它與一個和某種固體燃料的流率(0.75克/秒)相當?shù)囊呀?jīng)建立的數(shù)值相比較。假如測壓原件送出的信號表明固體燃料流率低于每秒0.75克，傳送帶的速率就被提高，反之，假如表明給料率太高，傳送帶速率就被降低。
給料器12的傳送帶由步進電機16驅(qū)動，該電機的步進率是由依頻率的譯碼器205控制的。譯碼器將頻率轉(zhuǎn)換為一系列開關(guān)動作向步進電機中不同的定子磁場供電，使它按與頻率成比例的速率轉(zhuǎn)換?？刂祁l率由時鐘204驅(qū)動的譯碼器中一個可編程序的信號發(fā)生器(計數(shù)器)產(chǎn)生。此信號的頻率變化是由已建立的測壓原件值和傳送帶給料器上的測壓原件15實際報告的值之間的偏差決定的。計算機用來計算固體燃料質(zhì)量流率的是測壓原件的實測值。
當固體燃料到達傳送帶給料器的末端時，就由傳送帶末端落入振動噴射器漏斗17。該噴射器漏斗可以振動以促進固體流入噴射器。噴射器的去杜里性質(zhì)也可以起固體引流作用。一旦微粉化的燃料進入噴射器，就被懸浮在熱量計的一次空氣源中，燃燒就像上述的那樣進行。
當固體燃料開始在燃燒器中燃燒時，就達到了一個新的熱平衡點，這可由廢氣的溫度來表明。達到此點以后，就開始按時相關(guān)閉預(yù)熱器。這是為了容許有一個適時的向新的熱平衡點的轉(zhuǎn)移，這種新的熱平衡是該固體燃料在無預(yù)熱氣支持下燃燒所特有的。開始時，兩個預(yù)熱氣流率控制閥都是打開的以供全流。相控的關(guān)閉由關(guān)閉低流率閥把預(yù)熱氣流率減至大約全流率值的三分之二開始。當新的熱平衡點被確認時，高流率閥就被關(guān)閉而低流率閥被打開以供一個大約為全流率的三分之一的流率值。一個新的熱平衡的建立，導(dǎo)致低流率閥的關(guān)閉，並且，在建立起最終平衡以后，該固體燃料即在無預(yù)熱氣支持下燃燒。在這一點時，由測量空氣的總質(zhì)量流率，固體燃料的質(zhì)量流率，以及入口和出口溫度，即可像上面描述的那樣算出燃料的熱值。直到靜止準備狀態(tài)或自動關(guān)閉狀態(tài)被引發(fā)以前，這一套計算是在周期性的基礎(chǔ)上進行的。如果燃料源被耗盡，就進入靜止準備狀態(tài)。
按要求進行校準的工作狀態(tài)可由按下面板或鍵盤上的按鈕而達到。這向計算機發(fā)送一個信號以仃止其工作並啟動計算的序列。如果本單元當時正在分析燃料，分析就被仃止。如果本單元處于靜止準備狀態(tài)，支持性氣源就被從預(yù)熱氣切換至校準氣。按要求進行校準的工作狀態(tài)不能由自動啟動或自動關(guān)閉狀態(tài)進入。當由分析狀態(tài)進入按要求進行校準狀態(tài)時，第一步就是關(guān)閉正向粉碎器運送燃料的二速給料器。然后傳遞和壓力分離閥被關(guān)閉。重量計式傳送帶給料器就被仃止，但噴射器漏斗電磁線圈卻仍在工作。當廢氣溫度表明煤的燃燒已經(jīng)仃止(可能由于燃燒器裝料量已耗盡)，噴射器漏斗電磁線圈就被仃止工作，且校準氣關(guān)閉閥被打開。這將是由靜止準備狀態(tài)進入按要求進行校準狀態(tài)的一點。校準氣關(guān)閉閥被打開以后，廢氣溫度就被測試以確定點火是否發(fā)生。如未表明點火，誤差信號就被送至打印機;如果點火已經(jīng)發(fā)生，經(jīng)一段時間以建立平衡，校準氣的熱值即被測定並按上述方式進行報告。校準氣的測量一經(jīng)完成，校準氣關(guān)閉閥就被關(guān)閉，而預(yù)熱氣關(guān)閉閥就被打開。並且在向打印機送去信息后，該單元即仃留在靜止準備狀態(tài)。這種狀態(tài)一直維持，以待來自操縱者的進一步指示。
自動關(guān)閉狀態(tài)可由按下本單元控制盤或鍵盤上的適當按鈕而引發(fā)。在進入自動關(guān)閉狀態(tài)時，第一個脫機的設(shè)備就是向粉碎機給料的二速給料器。廢氣溫度的降低可以表示本單元的裝煤量何時用完，其余部件即可被仃止。重量計式傳送帶給料器被仃止，防涌擋板復(fù)位。噴射器漏斗電磁線圈仃止工作並且高壓關(guān)閉閥被關(guān)閉。低壓鼓風機繼續(xù)工作，直到廢氣溫度表明本單元已達到它的最低溫度才被關(guān)閉。一個關(guān)閉信息被送至打印機，並且低壓電源被切斷。計算機使自己仃止工作，關(guān)閉即已完成。
由前述說明可以看出，一個精確的，連續(xù)的固體燃料量熱系統(tǒng)是可以完成的。因為本系統(tǒng)的熱容量很低(熱的保留質(zhì)量有限)，溫度可以很快地改變，並且本系統(tǒng)可以對固體燃料熱值的改變迅速反應(yīng)。本系統(tǒng)特別適用于燃煤或其它固體燃料的發(fā)電廠鍋爐的控制，並且它的輸出熱值可以不僅指向一個打印機，並還可以聯(lián)機指向鍋爐(即蒸汽發(fā)生器)給煤機的控制系統(tǒng)，從而節(jié)省燃料和降低發(fā)電的煤費。改變或修改此處說明的系統(tǒng)及其對其它方面的應(yīng)用，無疑將對這方面的內(nèi)行有所啟發(fā)。因此，上述的說明應(yīng)被當作解說性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種測量燃料的燃燒裝置熱值的量熱系統(tǒng)，特征是該系統(tǒng)包括燃燒裝置燃料與氧化氣輸入上述燃燒裝置以便將該燃料轉(zhuǎn)化為燃燒氣，將該燃燒氣與一種混入氣混合以提供一種合成氣的裝置，分別在該混合裝置的入口與出口處測量該混入氣與合成氣的溫度的裝置，上述氧化氣與混入氣各為總合氣體的一部分，測量上述燃料給入該燃燒裝置時的質(zhì)量給入率的裝置，測量上述總合氣體質(zhì)量流率的裝置，按下列公式計算上述燃燒氣的熱流QC的計算機裝置，QC=(m1+m2)∫TlT1CpfdT]]>式中m1為燃料的質(zhì)量給入率，m2為總合氣體的質(zhì)量給入率，T1為入口處上述混合氣的溫度，T2為出口處合成氣的溫度，CPf為以一種多項或表示的上述合成氣的比熱，該多項式的各系數(shù)為代表該合成氣的各組分在溫度范圍T2-T1時的比熱的相似的多項式各系數(shù)的加權(quán)和，上述計算機裝置也具有可計算上述燃料的熱值的裝置，該熱值是以QC比m1表示的。
2.按權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于上述計算機裝置具有可提供代表該燃燒氣各組分在包括T2-T1的溫度范圍內(nèi)的熱容量的數(shù)據(jù)存儲裝置，以便用于多種不同類型的燃料。
3.直接連續(xù)測量燃料熱值的量熱系統(tǒng)包括可輸入燃料及氧化氣，以便將該燃料轉(zhuǎn)化為燃燒氣的燃燒裝置，將該燃燒氣與另一種氣體混合以形成一種合成氣的裝置，上述燃燒裝置包括一個具有燃燒氣出口和燃料與氧化氣入口的燃燒室，一個多孔絕熱材料的隔室，包在該燃燒室的外面，以吸收該燃燒室的輻射熱損失，以及使上述氧化氣體通過隔室，與燃燒室氧化氣入口連通，以便將上述輻射熱經(jīng)對流作用而輸回燃燒室的裝置，上述混合裝置包括一個通道，該通道具有一個與燃燒氣出口相通的入口端，和一個混合器的出口端，在其入口端還有一個可供其它氣體的入口，圍在上述管道外面，以便由管道吸收熱量的裝置。該管道熱吸收裝置形成一個通路以便上述其它氣體經(jīng)此將吸熱管道吸收的熱轉(zhuǎn)回上述混合裝置，以及一種至少可以對輸入上述混合裝置入口的其它氣體的溫度，混合裝置出口處合成氣的溫度，上述燃料輸入燃燒室的質(zhì)量給入率等負責計算上述燃料熱值的裝置。
4.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于上述燃燒室及絕熱隔室裝在一個外殼中，殼的內(nèi)面與隔室的外面形成一個間隙，一個管子將高壓的氧化氣通入該間隙，上述燃燒室上端有許多開口，沿環(huán)形經(jīng)路間隔排列，一個具有許多開口的環(huán)形集合管裝在上端，與環(huán)形排列的開口互相接通，以構(gòu)成燃料的入口，上述燃料為化石類固體燃料，還有一種可在高壓下將顆粒狀的上述燃料輸入上述集合管及燃燒室的裝置。
5.按權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其特征在于上述燃燒室為帶有錐形底的圓筒，該圓筒的中間平面下邊有許多孔，供高壓氧化氣進入。
6.按權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其特征在于為了對燃燒室進行預(yù)熱以及使其中的固體燃料起始燃燒，設(shè)置了一個氣體入口，並且設(shè)置了一個點火器，以便使預(yù)熱氣體和燃燒室中的起燃氣體燃燒。
7.按權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其特征在于上述混合裝置在裝有燃燒室的第一層外殼之上還有第二層外殼，在該外殼中有一條管子，形成通向上述通道的煙囪，並向上延伸，該管子的下端形成上述的入口端，並在該下端的底部有一個為燃燒氣的開口，側(cè)邊有一個用于通其它氣體的開口，一個環(huán)狀構(gòu)件夾在上述外殼的內(nèi)側(cè)與上述管子的外側(cè)之間形成一個圍繞該管子的迷路，該迷路形成一個通道並具有上述位于該管子下端側(cè)面的開口，作為上述其它氣體在該處的出口，在迷路的另一端有一個通過上述外殼的開口，作為上述其它氣體的入口。
8.按權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其特征在于隔障裝置是散開在上述通道管路中的，並且包括間插在管子兩端之間的許多構(gòu)件，該隔障裝置的構(gòu)件還包括一系列沿上述管子成軸向排列的具有開口的圓環(huán)和一系列沿管子軸向排列的圓盤，該圓盤的直徑比圓環(huán)的開口大，而比管子的直徑小，上述圓環(huán)與圓盤沿管子軸向間插排列。
9.按權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其特征在于一根管子構(gòu)成一個由上述燃燒室伸入上述通路管道下端中的煙囪，許多沿該管子下端側(cè)面的開口構(gòu)成了在該管子開口處向內(nèi)延伸的隔障，上述每一個開口都開在該管子的下端，一側(cè)由該底部向上延伸至不超過煙囪管伸入通路的高度，另一側(cè)在第一側(cè)的末端與上述底部之間延伸。
10.一種直接連續(xù)測量煤的熱值的熱量計系統(tǒng)包括將煤轉(zhuǎn)化為燃燒氣的裝置，將該裝置燃燒氣與空氣混合形成合成氣的裝置，測量總空氣質(zhì)量流率的裝置，至少能測量混入空氣溫度與合成氣溫度之間的溫升和煤給入轉(zhuǎn)換裝置時的質(zhì)量給入率以推算熱值的裝置，將煤轉(zhuǎn)化為顆粒狀的裝置，將煤以恒定質(zhì)量給入率給入並向上述測量裝置提供能代表該煤的質(zhì)量給入率輸出的重量給料裝置，由壓縮空氣運行的可將煤由上述給入裝置運到轉(zhuǎn)換裝置的裝置。
11.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于上述轉(zhuǎn)換裝置包括一個燃燒室，在燃燒室內(nèi)使自持性燃燒開始的裝置，包括使燃燒室預(yù)熱的裝置和控制給料裝置以控制運煤速率直到發(fā)生自持性燃燒的裝置。
12.按權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于上述預(yù)熱裝置包括一個與燃燒室相連的燃料氣體源，引燃該氣體的裝置，在增加煤的給入率的同時減少該氣體的流入量的裝置。
13.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于上述重量給料裝置包括一個傳送帶，一個裝在傳送帶上方的加料斗，控制煤粉流入流出該加料斗的裝置，驅(qū)動該傳送帶並控制其速度的裝置，測量傳送帶上煤的重量的裝置。
14.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于上述轉(zhuǎn)動裝置包括一個帶有可從重量給料器接受煤的加料斗的文杜里噴射器。
15.按權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于上述測量裝置還包括測量總的空氣質(zhì)量流率的裝置，該空氣質(zhì)量流是包括上述可燃氣在內(nèi)的合成氣體的一部分。
全文摘要
一種特別適合于聯(lián)機連續(xù)測量煤的熱值的量熱系統(tǒng)，它有一個帶有燃燒器和一個混合器的熱量計，該系統(tǒng)有粉碎煤的設(shè)備和向燃燒器提供煤粉的重量給料器，還裝有使燃燒器預(yù)熱以及可起動里面的煤不需進一步加入維持性燃料氣體而進行自持性燃燒的裝置。系統(tǒng)中的儀器配置可測量冷卻空氣，一次和二次燃燒空氣等的流量，以及輸入燃燒器的煤的質(zhì)量流率。一個計算機負責為在起動燃燒時控制煤和燃料氣的給入而設(shè)的測量儀器(熱電偶及壓力計)并計算煤的熱值。
文檔編號G01N25/28GK1030298SQ88101938
公開日1989年1月11日 申請日期1988年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1987年4月8日
發(fā)明者約翰C·霍默, 沙哈阿·諾沙維里, 史蒂L·羅斯, 吉爾伯特F·盧茨 申請人:通用信號公司