火電廠煤化驗(yàn)室發(fā)熱量測(cè)定質(zhì)量控制研究

孫 亮

（天津國電津能濱海熱電有限公司，天津 300459）

煤炭發(fā)熱量的測(cè)定方法始終是發(fā)電行業(yè)研究的重點(diǎn)話題，因?yàn)闆]有一套符合所有要求的測(cè)定方法，所以應(yīng)從不同角度、不同層面進(jìn)行方法的分析與研究。在所有的方法中，恒溫式量熱法成為現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的煤炭發(fā)熱量測(cè)定方法。本文以恒溫式量熱法作為研究對(duì)象，對(duì)影響其測(cè)定精準(zhǔn)度的相關(guān)因素進(jìn)行研究分析，并且研究如何通過質(zhì)量控制的應(yīng)用避免一些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響，從而為火電廠未來的經(jīng)營(yíng)與發(fā)展提供一個(gè)可信的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 恒溫室量熱儀的測(cè)量原理

首先需要稱取一定質(zhì)量的空氣干燥煤樣，將其放置在已經(jīng)準(zhǔn)備好的氧彈中，然后向氧彈中充入氧氣，在充氧氣的過程中需要觀察充氧壓力的變化以及氧彈自身是否處于密封的情況，煤樣在氧彈內(nèi)燃燒完全，燃燒所釋放出的熱量能夠使熱量計(jì)中的液體溫度升高，對(duì)熱量計(jì)的液體進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，利用溫度的變化來計(jì)算彈筒發(fā)熱量。但是在實(shí)際測(cè)定過程中存在熱量體系與恒溫環(huán)境之間的熱交換，需要對(duì)產(chǎn)生的熱交換數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與修整，才能夠獲得較為準(zhǔn)確的煤樣發(fā)熱量。在測(cè)熱的過程中恒溫式熱量計(jì)的內(nèi)外筒之間存在著一定的熱交換反應(yīng)，針對(duì)此種情況就需要進(jìn)行冷卻校正的應(yīng)用，目前公認(rèn)的最準(zhǔn)確的冷卻校正公式是瑞-方公式，在自動(dòng)氧彈熱量計(jì)法中即使用此公式。

2 火電廠煤炭發(fā)熱量測(cè)量概念

對(duì)煤炭的發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)定是發(fā)電廠運(yùn)營(yíng)過程中一個(gè)非常重要的項(xiàng)目，并且該測(cè)定所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)發(fā)電廠的經(jīng)營(yíng)策略以及技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生非常重要的影響，從技術(shù)層面上來看，煤炭的發(fā)熱量并不單是一項(xiàng)煤質(zhì)特性的指標(biāo)，需要進(jìn)一步保證在煤炭發(fā)熱量測(cè)定過程中的精準(zhǔn)性。

煤炭發(fā)熱量的測(cè)量工作現(xiàn)階段使用較為廣泛的方法為氧彈式量熱儀，方法就是稱?。?±0.1）g 煤樣，然后將稱好的煤樣放置在氧彈中，向氧彈中注入足量的氧氣，氧氣壓力在2.8～3.0MPa 之間，壓力表指針穩(wěn)定后的充氧時(shí)間不少于15s，充氧完畢后將氧彈沒入水中檢查氧彈的密封性，如無連續(xù)的氣泡冒出則氣密性合格，然后將氧彈放置在量熱儀內(nèi)筒中，實(shí)驗(yàn)過程中煤樣完全的燃燒，燃燒釋放出來的熱量被內(nèi)筒水吸收，使水溫上升，儀器對(duì)上升的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量。除此之外還需要計(jì)算儀器熱容量，因?yàn)樵谝欢囟认拢麄€(gè)熱量體系熱容量通常是一種常數(shù)，只要計(jì)算出這個(gè)常數(shù)的大小，那么就能夠以此為基礎(chǔ)計(jì)算出煤樣的發(fā)熱量。

在實(shí)際的煤炭發(fā)熱量測(cè)定中有兩種測(cè)定發(fā)熱量的方式，第一種是絕熱式氧彈熱量計(jì)，此種方法外筒溫度緊跟隨內(nèi)筒溫度而變化，不需要進(jìn)行冷卻校正；另外一種方法是需要進(jìn)行冷卻校正的，該種方法叫作恒溫式熱量計(jì)法。因?yàn)楝F(xiàn)階段絕大多數(shù)的火電廠煤炭發(fā)熱量測(cè)定工作都是使用恒溫式熱量計(jì)法，針對(duì)此種情況，本文主要論述恒溫式氧彈熱量計(jì)測(cè)定煤炭發(fā)熱量的質(zhì)量控制。

3 影響恒溫式量熱儀檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素

3.1 內(nèi)筒水量

恒溫式量熱儀內(nèi)筒水的熱容量在其整個(gè)量熱系統(tǒng)中占據(jù)相當(dāng)大的比重，因?yàn)樗陨淼谋戎剌^大，如果不能準(zhǔn)確地計(jì)算內(nèi)筒的水量，那么測(cè)量?jī)x的熱容量將會(huì)發(fā)生變化，每一個(gè)微小的變化都會(huì)對(duì)最終結(jié)果的計(jì)算產(chǎn)生影響，進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量的測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。針對(duì)此種情況，在實(shí)際的發(fā)熱量測(cè)定過程中，內(nèi)筒水量的精準(zhǔn)測(cè)量工作就顯得十分重要，需要通過稱重法或容積法來對(duì)內(nèi)筒水量進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 外筒溫度

在實(shí)際的恒溫式量熱儀使用的過程中，內(nèi)筒水與外筒水之間產(chǎn)生熱交換是一個(gè)不可避免的問題，這種情況的存在會(huì)對(duì)發(fā)熱量測(cè)定的效果產(chǎn)生一定程度的影響，特別是外筒水溫有可能會(huì)出現(xiàn)水溫不穩(wěn)定的情況，那么也會(huì)導(dǎo)致校正的冷卻值產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)浮動(dòng)。除此之外恒溫式量熱儀的外筒水溫自身是包含有多個(gè)位置溫度的復(fù)雜函數(shù)，為了能夠進(jìn)一步保證測(cè)量?jī)x器的精準(zhǔn)度，需要保證外筒處于一個(gè)較為穩(wěn)定的環(huán)境中，才能夠保證計(jì)算過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，這就需要控制量熱室的溫度，GB/T213規(guī)定量熱室室溫應(yīng)保持穩(wěn)定，溫度在15～30℃，一般化驗(yàn)室溫度控制在23～26℃之間。

3.3 儀器熱容量標(biāo)定

準(zhǔn)確地對(duì)儀器的熱容量進(jìn)行標(biāo)定能夠有效地提升發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確度。在實(shí)際的儀器熱容量標(biāo)定的過程中，必須用量熱基準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，盡最大可能保證發(fā)熱量計(jì)算的精準(zhǔn)度。實(shí)際標(biāo)定中多采用苯甲酸，其物理性質(zhì)穩(wěn)定，不含水、不含硫分，通常作為量熱基準(zhǔn)物質(zhì)使用。除此之外在進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)量的過程中，如果出現(xiàn)了內(nèi)筒水量與標(biāo)定熱容量水量不同的情況，那么之前所計(jì)算好的熱容量不適用于現(xiàn)在發(fā)熱量的計(jì)算，需要重新標(biāo)定熱容量。

4 煤化驗(yàn)室發(fā)熱量測(cè)定質(zhì)量的控制策略

4.1 控制室溫

在進(jìn)行恒溫式量熱儀應(yīng)用的過程中，需要保證外筒所處環(huán)境的穩(wěn)定，內(nèi)外筒的溫度變化幅度應(yīng)當(dāng)保持在1℃以內(nèi)，這對(duì)于發(fā)熱量的測(cè)定以及計(jì)算的精準(zhǔn)度來說極其的重要。為了能夠達(dá)到以上的測(cè)量環(huán)境就必須采取控制室溫措施，需要根據(jù)熱容量標(biāo)定時(shí)的溫度來進(jìn)行控制，國標(biāo)規(guī)定標(biāo)定熱容量和測(cè)定發(fā)熱量時(shí)的內(nèi)筒溫度變化不能超過5K。除此之外，需要對(duì)內(nèi)筒水溫進(jìn)行及時(shí)的調(diào)節(jié)，使終點(diǎn)時(shí)的內(nèi)外筒溫差能夠小于1℃，促使內(nèi)筒溫度可以出現(xiàn)明顯的下降。第三點(diǎn)是需要將外筒的溫度控制在與室溫接近的范圍之內(nèi)，以便于進(jìn)行內(nèi)外筒溫度的調(diào)節(jié)，兩者的溫差應(yīng)當(dāng)保持在1.5℃之內(nèi)，且每次發(fā)熱量測(cè)定時(shí)的室溫變化不能超過1℃，量熱室內(nèi)不能有明顯的熱源，很多電廠的量熱室都安裝空調(diào)，但應(yīng)注意空調(diào)的出風(fēng)口不要正對(duì)量熱儀吹，需要調(diào)節(jié)空調(diào)出口風(fēng)向或安裝空調(diào)擋風(fēng)板，量熱室的窗戶要配有能遮光的窗簾，避免陽光照入影響室溫。

如果進(jìn)行連續(xù)的發(fā)熱量測(cè)定，那么必定會(huì)因內(nèi)外筒水溫以及外部的氣溫而產(chǎn)生影響，從而也會(huì)對(duì)最終的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。針對(duì)此種情況，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的外界環(huán)境氣溫、熱容量標(biāo)定時(shí)的室溫進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)，避免各種外界因素疊加而對(duì)室溫產(chǎn)生影響，保持室內(nèi)溫度始終處于一個(gè)水平恒定的情況，使最終的測(cè)量結(jié)果更加具有參考價(jià)值。另外，在實(shí)際操作過程中，頻繁的操作勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致內(nèi)筒和外筒的水溫出現(xiàn)改變，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度產(chǎn)生變化，這些因素的變化都會(huì)導(dǎo)致煤炭發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此在實(shí)際操作過程中必須時(shí)刻控制溫度，避免打開實(shí)驗(yàn)室的窗戶或者頻繁的走動(dòng)，做好細(xì)節(jié)控制，減少實(shí)驗(yàn)誤差，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 熱容量的標(biāo)定

現(xiàn)階段所使用的量熱系統(tǒng)已經(jīng)具備了較高的自動(dòng)化技術(shù)，但是量熱系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中熱容量是伴隨著環(huán)境溫度的變化而變化的，針對(duì)此種情況，在測(cè)量過程中不能夠都用同一個(gè)熱容量，并需要對(duì)已經(jīng)標(biāo)定好的熱容量進(jìn)行有效應(yīng)用范圍的劃分，以及進(jìn)行溫度范圍的界定，以便于面對(duì)不同室溫情況進(jìn)行合適的熱容量選擇。量熱儀熱容量的標(biāo)定工作也需要每三個(gè)月進(jìn)行一次，每次標(biāo)定一般進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)超過0.20%，若超過0.20%再補(bǔ)做一次實(shí)驗(yàn)，取符合要求的5次結(jié)果的平均值，修約至1J/K 作為儀器的熱容量。若任何5次結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差都超過0.20%，則應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和操作技術(shù)仔細(xì)檢查并糾正存在問題后重新進(jìn)行標(biāo)定，舍棄已有的全部結(jié)果。如果熱量計(jì)量熱系統(tǒng)沒有顯著改變，重新標(biāo)定的熱容量值與前一次的熱容量值相差不應(yīng)大于0.25%，否則應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)程序，解決問題后再重新進(jìn)行標(biāo)定，這里的0.25%的計(jì)算方法為兩次標(biāo)定的熱容量的差值的絕對(duì)值除以上一次的熱容量值，在實(shí)際計(jì)算中需要引起注意。

4.3 控制攪拌器和攪拌速度

攪拌器攪拌不均勻或者是出現(xiàn)故障極有可能導(dǎo)致發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)誤差，那么在實(shí)際的測(cè)量過程中應(yīng)當(dāng)注意此問題的出現(xiàn)。特別是出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算發(fā)熱量以及熱容量浮動(dòng)的范圍較大，并且出現(xiàn)較大的誤差值，那么就需要對(duì)攪拌器進(jìn)行檢查，如果是攪拌器出現(xiàn)了故障，那么就需要進(jìn)行及時(shí)的維修以及更換。

4.4 規(guī)范操作

準(zhǔn)確且規(guī)范的操作能夠在最大限度地保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且降低誤差的范圍。首先在測(cè)量工作進(jìn)行之前需要保證此次測(cè)量所使用的煤樣具有較強(qiáng)的代表性，在進(jìn)行稱樣操作之前，將樣品充分混合均勻，對(duì)樣品進(jìn)行多點(diǎn)多次采樣。第二步，需要進(jìn)一步保證煤樣稱量的準(zhǔn)確性，要保持稱量天平的清潔，并且在稱量工作之前進(jìn)行天平的校準(zhǔn)作業(yè)。第三點(diǎn)是需要保證氧彈內(nèi)注入了充足的氧氣，氧氣純度至少99.5%，不含可燃成分，不允許使用電解氧，然后進(jìn)行氧彈氣密性實(shí)驗(yàn)。第四點(diǎn)，如果測(cè)量的對(duì)象為不易燃燒完全的煤樣，那么就可以選擇性地使用一些淺底、薄壁燃燒皿并且在底部鋪上一層經(jīng)過800℃灼燒30min 的石棉絨，如加石棉絨仍燃燒不完全，可提高充氧壓力至3.2MPa，或用已知質(zhì)量和熱值的擦鏡紙包裹稱好的試樣并用手壓緊。對(duì)于容易產(chǎn)生飛濺的煤樣，可用已知質(zhì)量的擦鏡紙進(jìn)行包裹后再進(jìn)行測(cè)試，或先在壓餅機(jī)中壓餅并切成粒度約為2～4mm 的小塊使用。

在煤炭發(fā)熱量測(cè)定過程中，實(shí)驗(yàn)人員需要提高操作的熟練度，加強(qiáng)對(duì)測(cè)量?jī)x器的清潔和保養(yǎng)，在測(cè)量之前做好天平的調(diào)試工作，確保天平讀數(shù)的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，減少疏漏，對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行保證。

5 結(jié)束語

在實(shí)際的煤炭發(fā)熱量測(cè)定過程中，很多內(nèi)部以及外部的因素對(duì)都會(huì)最終的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響，并且煤化驗(yàn)室的質(zhì)量管理以及發(fā)熱量測(cè)定工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期且精細(xì)的工作，這就要求在實(shí)際的化驗(yàn)過程中要嚴(yán)格地遵守各項(xiàng)操作規(guī)定，對(duì)于投入使用的儀器要定期進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)、檢查與維護(hù)，以及控制煤樣質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的熱容量標(biāo)定。對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行控制等方法的應(yīng)用能夠進(jìn)一步減少發(fā)熱量計(jì)算過程中誤差，并且保證最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，為火電廠的經(jīng)營(yíng)管理、消耗定額、計(jì)劃編制以及發(fā)電成本等問題的計(jì)算提供有力的數(shù)據(jù)保障。