一种电容式露点监测装置及方法

1.本发明属于传感器与测量技术领域，具体涉及一种电容式露点监测装置及方法。


背景技术：

2.排烟热损失是锅炉的最大热损失之一，为提高锅炉热效率，火电厂常常使用降低排烟温度的方式。但在排烟过程中，由于锅炉的燃料中通常含有硫、氮和碳等元素，其排放烟气含有so2、so3、no、no2及co2等酸性气体，在低温条件下酸性气体与烟气中的水蒸气结合形成相应的酸蒸汽。若排烟温度过低，导致金属对流受热面壁温低于烟气酸露点，便会在金属受热面表面冷凝出酸液滴。这些冷凝的酸液滴不仅将对受热面造成腐蚀，还能进一步与烟气中的飞灰颗粒和金属受热面腐蚀剥落的铁锈结合引起积灰硬化，堵塞烟道，造成负压维持困难，甚至可能导致炉内燃烧恶化或者电站设备无法正常运行。烟气中所含有的so2、so3等酸性气体如若直接排放至大气中也会造成环境污染，因此为了达到烟气排放标准，脱硫成为烟气处理排放过程中一道十分重要的工序，而准确获得烟气的酸露点是实现脱硫工艺的基础，对于电站锅炉稳定运行及设备的维护、烟气处理具有重要意义。
3.在目前的烟气酸露点测量方法中，导电式露点仪测量露点是最常用的方法之一，其主要原理是在烟气管道中插入两个电极，电极与电源和高精度电流表相串联，并在电极中通入冷气，通过控制冷气的流速或温度来控制电极的温度，当电极温度降低到烟气露点以下时，电极上会凝结形成酸液滴导致与电极串联的电路闭合，测出此时的放电电流及电极点温度，即可测得露点。该露点测量方法利用的电极放电原理，理论可行，但在实际操作中，电极上是否能够凝结形成酸液滴使得电极之间导通是不可控制的，并且该方法对电极的灵敏度要求较高，这些都会影响到烟气露点测量结果的准确性。因此，针对烟气露点测量特点，需要开发一种具有较高灵敏度、准确性、可靠性的露点测量装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电容式露点监测装置及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够提高露点测量的灵敏度、减小露点测量误差，进而可提高烟气露点测量结果的准确性。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明的一种电容式露点监测装置，包括：
7.烟气过滤模块，用于过滤被测烟气中的杂质，获得过滤后的被测烟气；
8.露点测量模块，用于测量过滤后的被测烟气的露点；其中，所述露点测量模块包括电容传感器；
9.冷凝处理模块，用于降低露点测量模块中电容传感器的电容极板的温度，使过滤后的被测烟气在电容极板上形成露珠。
10.本发明的进一步改进在于，所述露点测量模块具体包括：电容传感器、温度传感器、气压传感器、调理电路、微处理器、lcd显示电路和电源模块；其中，所述温度传感器贴在
电容极板中间，用于测量极板温度；所述气压传感器设置在电容极板中间，用于测量被测烟气的气压；电容、温度、气压信号都经调理电路处理后送至微处理器中；在被测烟气中的酸性气体冷凝结露时，微处理器用于通过电容传感器检测到电容变化量超过预设定阈值，控制温度传感器和气压传感器将采集到的温度和压强信号经处理后传至微处理器，并完成数据处理送至lcd显示电路中记录此凝露过程中烟气的温度、压强变化曲线。
11.本发明的进一步改进在于，电容传感器接触烟气一侧极板镀金处理。
12.本发明的进一步改进在于，所述冷凝处理模块包括：
13.冷空气输入管道，用于向露点测量模块输入冷空气以降低电容极板的温度，使得电容极板附近烟气中的水汽在电容极板上凝结成露珠；
14.热空气输出管道，用于导出露点测量模块中的热空气。
15.本发明的进一步改进在于，所述烟气过滤模块包括：烟气过滤材料、气泵和三通；
16.所述气泵受微处理器控制；其中，过滤烟气时，微处理器控制气泵正转，用于将烟气经过滤材料吸至电容极板间隙，然后通过三通返回烟道；除尘时，微处理器控制气泵反转，用于将大气中的空气从三通吹向烟气过滤材料进行除尘，防止堵塞。
17.本发明的进一步改进在于，所述烟气过滤材料选择陶瓷纤维。
18.本发明的进一步改进在于，所述露点测量模块中微处理器计算时，
19.电容传感器电容值的理论计算公式：
20.式中，c为电容的容值，ε为介电系数，ε
r
为介质相对介电系数，ε0为真空介电系数，a为电极面积，d为电极距离；
21.当电容传感器极板间结露时，此时介质相对介电系数为ε
r1
，此时的电容容值，此时的电容容值通过绘制电容c1随时间t变化曲线，找到跃变点的电容值c
1_step
及此时温度传感器所测得的露点温度。
22.本发明的进一步改进在于，所述露点测量模块中微处理器计算时还包括气压补偿，所述气压补偿方法基于haase&borgmann烟气酸露点估算式；
23.hasse&borgmann估算式为：
[0024][0025]
式中，t
adp
为烟气酸露点估算值；为烟气中so2，so3气体分压，atm；为烟气中水蒸气分压，atm；
[0026]
补偿公式为：
[0027]
t
d
＝k1t
mea
+k2t
com
[0028]
t
com
＝27.6lgδp
[0029]
式中，t
d
为补偿后的露点值，t
mea
为直接测量的露点值，t
com
为根据hasse&borgmann计算式得出的露点理论补偿量；其中，
△
p为此时测得的管道内烟气压值与设定状态下烟气压值的差值；k1，k2为补偿系数。
[0030]
本发明的一种电容式露点监测方法，基于本发明上述的电容式露点监测装置，包括以下步骤：
[0031]
将露点测量模块置于被测烟气管道中；
[0032]
通过烟气过滤模块过滤被测烟气中的杂质，获得过滤后的被测烟气；
[0033]
将过滤后的被测烟气导入电容传感器的电容极板间；
[0034]
通过冷凝处理模块降低露点测量模块中电容传感器的电容极板的温度，使过滤后的被测烟气在电容极板上形成露珠，通过测量电容跃变时的电容极板温度得到露点。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0036]
本发明针对火电厂烟气露点测量问题，开发了一种基于电容传感器测量原理的高准确度、高灵敏度的电容式露点测量装置，能够消除导电式露点仪的电极生锈、变形及烟气凝结过程易受环境影响等因素给露点测量结果带来的影响，可提高露点测量的灵敏度，减小露点测量误差。与常见电极放电法测量烟气露点相比，本发明装置的测量原理是当被测烟气在电容传感器极板上凝结成露珠时，电容传感器内介质的介电系数发生变化，电容值随之改变，通过测量电容跃变时的温度即可得到露点，因此本发明能够有效消除露点凝结的不确定因素及电极的腐蚀等问题对露点测量造成的影响。本发明装置的结构简单、可靠性高、成本较低。
[0037]
本发明中，电容传感器实时测量电容值，其接触烟气一侧极板镀金处理，以免被冷凝酸露腐蚀。
[0038]
本发明中，所述露点测量模块处于烟道被测烟气中，冷凝处理模块从烟道外抽气使得露点测量模块中电容极板降温，使得极板附近烟气中的水汽在电容极板上凝结成露珠，同时，烟气中的极小颗粒物和no
x
、so2、so3等气体溶解在露珠中，使得极板间的介质的介电系数大幅改变，从而使得电容值大幅改变，测量出此时的极板温度，并通过气压补偿计算出标准气压状态下的烟气露点。
[0039]
本发明中，所述的烟气过滤模块，目的在于消除烟气中的大颗粒物等杂质对露点测量结果的影响，包括烟气过滤材料、气泵和三通；优选的，烟气过滤材料选择陶瓷纤维，具有较高的除尘效率、较高的强度、较好的耐热性和耐腐蚀性；过滤时，含尘气体进入陶瓷过滤器，通过截留捕捉、惯性碰撞捕捉以及扩散捕捉等过程，实现粉尘颗粒与气体的高效分离，最后经抽气泵排出到露点测量模块的电容极板间隙进行露点测量；可选的，烟气过滤模块在微处理器的控制下工作，过滤烟气时，气泵正转，把烟气经过滤材料吸至电容极板间隙，然后通过三通返回烟道；工作一段时间后，控制气泵反转，把大气中的空气从三通吹向过滤材料进行除尘，防止过滤材料堵塞。
[0040]
本发明中，冷凝处理模块是在露点测量模块中电容极板的外侧与烟道外大气形成气路，冷凝处理模块在微处理器的控制下把大气中的空气吹往电容极板外侧，使得极板温度降低，再返回大气。
[0041]
本发明中，对于已知极板面积和极板间距的电容器，其容值与极板间介质相对介电系数呈稳定的线性关系；由于烟气冷凝结露速度很快，当电容传感器极板间结露时，电容值的变化可近似为跃变,此时介质相对介电系数为ε
r1
，此时的电容容值通过绘制电容c1随时间t变化曲线，找到跃变点的电容值c
1_step
及此时温度传感器所测得的露点温度，反复重复上述测量过程即可精确测得烟气露点。气压补偿的意义在于，由于烟气进入测量管道时，温度降低，此时管道内气体压强发生变化，影响露点测量结果，因此需对露点测量结果进行气压补偿，以减小露点测量误差；该补偿方法基于haase&borgmann烟气酸
露点估算式；在管道内部，当so3、so2和nox酸性气体未达到饱和状态时，即未凝结成酸雾时，烟气露点与管道内温度大小无关，只与管道内气压有关，且其数值随烟道内压强的升高而升高；根据道尔顿分压定律可知，当混合烟气脱硫后，so3等酸性气体分压和水蒸气分压降低导致烟气整体压强降低，此时测量得到的烟气露点比设定状态下露点温度偏低；故可根据测量管道内气体冷凝过程中压强的变化量，对烟气的露点温度进行补偿，以减小压强降低对露点测量值的影响。
[0042]
本发明的电容式露点监测方法，利用冷凝处理使电容传感器极板降温，从而使被测烟气在极板上凝结形成露珠；通过检测被测烟气结露时的电容发生跃变，同时利用温度传感器采集相应的温度变化进行测量(可反复测量，进一步提高准确性)，将测量结果代入气压补偿计算公式从而确定待测烟气的露点。本发明方法能够提高露点测量的灵敏度和准确性。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明实施例的一种电容式露点监测装置的示意框图；
[0045]
图2是本发明实施例中一种电容式露点监测装置的结构示意图；
[0046]
图3本发明实施例中，露点测量模块的结构示意图；
[0047]
图中，1、电容传感器；2、温度传感器；3、气压传感器。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0049]
请参阅图1至图3，本发明实施例的一种新型电容式露点测量装置，包括冷凝处理、烟气过滤、露点测量三个模块。露点测量模块是本发明的核心，其作用在于测量被测烟气的露点温度；烟气过滤模块用来过滤被测烟气中的大颗粒物等杂质，避免杂质对露点测量造成的影响；冷凝处理模块用来降低露点测量模块中电容极板的温度，使被测烟气在极板上凝结形成露珠。
[0050]
可选的，三个模块都由微处理器的控制运行。
[0051]
本发明实施例的电容式露点监测装置的测量过程是：露点测量模块置于烟道被测烟气中，冷凝处理模块从烟道外抽气使得露点测量模块中电容极板降温，使得极板附近烟气中的水汽在电容极板上凝结成露珠，同时，烟气中的极小颗粒物和no
x
、so2、so3等气体溶解在露珠中，使得极板间介质的介电系数大幅改变，从而使得电容值大幅改变，测量出此时的极板温度，并通过气压补偿，最终得到标准气压状态下的烟气露点。
[0052]
本发明实施例所述烟气过滤模块，包括烟气过滤材料、气泵和三通；所选择的烟气
过滤材料为陶瓷纤维，具有较高的除尘效率、较高的强度和耐热性，能够耐高温气体腐蚀和化学腐蚀。过滤时，含尘气体通入陶瓷过滤器内，通过截留捕捉、惯性碰撞捕捉以及扩散捕捉等过程，实现粉尘颗粒与气体的高效分离，最后经抽气泵排出到露点测量模块的电容极板间进行露点测量，以消除杂质对露点测量结果的影响，得到更加准确的露点值；烟气过滤模块在微处理器的控制下工作，过滤烟气时，气泵正转，把烟气经过滤材料吸到电容极板间隙，然后通过三通返回烟道；工作一段时间后，控制气泵反转，把大气中的空气从三通吹向过滤材料进行除尘，防止过滤材料堵塞。
[0053]
本发明实施例所述冷凝处理过程，是在露点测量模块中电容极板的外侧与烟道外大气形成气路，冷凝处理模块在微处理器的控制下把大气中的空气吹往电容极板外侧，使得极板温度降低，再返回大气。
[0054]
请参阅图3，本发明实施例中，所述的露点测量模块包括电容传感器1、温度传感器2、气压传感器3、调理电路、lcd显示电路与电源模块组成；其中，电容传感器1实时测量电容值，其接触烟气一侧极板镀金处理，以免被冷凝酸露腐蚀；温度传感器2贴在电容极板中间，且紧贴在极板上，实时测量极板温度；气压传感器3安装在电容极板中间，实时测量被测烟气的气压；电容、温度、气压信号都经调理电路处理送至微处理器中；在被测烟气中的酸性气体冷凝结露时，微处理器通过电容传感器1检测到电容变化量超过设定阈值，控制温度传感器2和气压传感器3将采集到的温度和压强信号经处理后传至微处理器，并完成数据处理送至lcd显示电路中记录此凝露过程中烟气的温度、压强变化曲线。
[0055]
信号调理电路包括电容
‑
电压转换电路，实现电容传感器的电容值到电压信号的转换，输出的电压信号经过前置放大和滤波处理送给微控制器，微控制器进行数据处理输出给lcd显示电路；其中电容
‑
电压转换电路选择cav444线性电容
‑
电压转换芯片，优点是使用简单、测量范围广。
[0056]
本发明实施例基于电容测量原理，装置包括冷凝处理、烟气过滤、露点测量模块、信号调理电路、微处理器、lcd显示电路及电源模块。所述的露点测量过程在于利用通冷气的方法降低电容传感器极板温度，在低温条件下烟气中所包含的酸性气体能与水蒸气结合形成酸蒸汽，随着烟气温度的降低进一步在极板表面凝结成露珠，电容传感器的介电系数将发生变化，从而引起电容量改变，记录改变时刻的温度，即可得到露点温度。本发明利用电容传感器的电容测量原理进行露点测量，能够完整地体现烟气凝露的过程，提高了露点测量的灵敏度和可靠性。因此，本发明可以做到排除烟气结露过程的干扰，实现准确、可靠、灵敏地测量烟气露点的功能。
[0057]
本发明实施例所述一种新型电容式露点监测装置的研究内容包括：烟气过滤模块、冷凝处理模块和露点测量模块的结构设计；研究冷凝处理模块中气路的流量，以控制电容传感器极板的温度，使烟气能够在极板上凝结形成露珠；并通过研究露点测量模块中电容式传感器的极板间距、电极面积等结构参数对露点测量结果的影响，确定最优参数。
[0058]
所述露点测量模块中的电容式传感器是露点测量的核心元件，电容传感器极板上凝结形成露珠时，其极板间介质的介电系数产生跃变，从而引起电容值的跃变。电容传感器电容值的理论计算公式：由此可知对于已知极板面积和极板间距的电容器，其电容值与极板间介电系数呈稳定的线性关系。
[0059]
本发明实施例所述气压传感器，选择硅压阻式气压传感器，其加工工艺成熟，灵敏度高,稳定性好,动态响应好,具有体积小、功耗小、成本低的特点，易于向集成化、智能化方向发展。在进行露点测量时，测量管道内气体冷凝过程中压强的变化量，代入气压补偿公式，对烟气的露点温度进行补偿，以减小压强降低对露点测量值的影响。
[0060]
本发明实施例所述仿真分析的过程为：通过比对露点测量过程中的电容值与露点值曲线拟合，获得较为优化的结构参数，使得电极之间电容耦合较小，烟气开始冷凝时，介电系数发生变化，当前电容值变化有清晰的界限。在仿真分析的基础上，制作样机，然后建立测试结果的智能化分析模型，并进行实验测试比对，确定参数的适用性。如果满足要求，则设计结束，否则，返回仿真分析，根据测得结果，重新修正参数。
[0061]
与常见电极放电法测量烟气露点相比，本发明的测量原理是当被测烟气在电容传感器极板上凝结成露珠时，电容传感器内介质的介电系数发生变化，电容值随之改变，通过测量电容跃变时的温度即可得到露点，因此本发明能够有效消除露点凝结的不确定因素及电极的腐蚀等问题对露点测量造成的影响。本发明具有的有益效果：本发明中露点测量模块在应用过程中，利用冷凝处理使电容传感器极板降温，从而使被测烟气在极板上凝结形成露珠，通过检测被测烟气结露时的电容发生跃变，同时利用温度传感器采集相应的温度变化进行反复测量，将测量结果代入气压补偿计算公式从而确定待测烟气的露点。因此，此方法提高了露点测量的灵敏度和准确性，而且其结构简单、可靠性高、成本较低。
[0062]
如附图1所示是电容式露点监测装置的系统框图，待测烟气首先经过滤消除烟气中的杂质对露点测量结果的影响，冷凝处理模块使露点测量模块中的电容传感器极板降温，极板附近烟气中的水汽在极板上凝结形成露珠，此时烟气中的no
x
、so2、so3等气体及极小颗粒物溶解在露珠中形成酸雾，使得极板间介质的介电系数大幅改变，其中电容传感器将电容值通过电容
‑
电压转换电路以电压值输出，输出的电压信号经放大、滤波等处理后送给微处理器，同时，温度传感器将采集到的信号经调理电路处理后也传至单片机，微处理器进行数据处理并送至lcd显示电路记录对应时刻的温度。通过反复测量比对电容量及温度的随时间变化曲线，确定电容传感器电容量刚好跃变时的温度，并对此测量值进行气压补偿，即可得到准确的烟气露点温度。
[0063]
本发明中系统整体结构示意图如附图2所示，电容传感器极板上很快凝结形成露珠，其介电系数产生跃变，从而引起两个极板间电容量的瞬时改变。电容传感器电容值的理论计算公式：
[0064][0065]
c——电容容值(f)
[0066]
ε——介电系数(f/m)
[0067]
ε
r
——介质相对介电系数(f/m)
[0068]
ε0——真空介电系数(f/m)
[0069]
a——电极面积(m2)
[0070]
d——电极距离(m)
[0071]
对于已知极板面积和极板间距的电容器，其电容量与极板间介质的介电系数呈稳定的线性关系。
[0072]
当被测烟气在电容传感器的极板上凝结形成露珠时，介质相对介电系数为ε
r1
，此时的电容值绘制c1变化曲线，找到跃变点的电容值c
1_step
及此时所测得的温度，重复上述测量过程，最终确定烟气露点温度。
[0073]
本发明中选择电容
‑
电压转换芯片cav444，是一个可测量多种电容式传感器信号的线性转换比例电压输出的接口集成电路。它同时具有信号采集、处理和差分电压输出的功能，电容信号和输出电压是线性关系。此芯片可用于完成电容传感器电容
‑
电压信号转换。
[0074]
本发明中由于烟气测量时管道内部压强会发生变化，影响露点测量结果，因此需对露点测量结果进行气压补偿，该补偿方法基于haase&borgmann烟气酸露点估算式。hasse&borgmann计算式为：
[0075][0076]
其中为烟气中so3等酸性气体分压，atm；为烟气中水蒸气分压，atm。
[0077]
在管道内部，当so3、so2、no等酸性气体未达到饱和状态时，即未凝结成酸雾时，烟气露点数值与管道内温度大小无关，只与管道内气压有关，且其数值随烟道内压强的升高而升高。根据道尔顿分压定律可知，当混合烟气脱硫后，so3等酸性气体分压和水蒸气分压降低导致烟气整体压强降低，此时烟气的露点比设计状态的露点温度偏低。故可根据测量管道内气体冷凝过程中压强的变化量，对烟气的露点温度进行补偿。
[0078]
现给出补偿公式如下：
[0079]
t
d
＝k1t
mea
+k2t
com
ꢀꢀꢀ
(2)
[0080]
t
com
＝27.6lgδp
ꢀꢀꢀ
(3)
[0081]
t
d
为补偿后的露点值，t
mea
为直接测量露点值，t
com
为根据hasse&borgmann计算式得出的理论补偿量。其中
△
p为此时测出的管道内烟气压强值与设计状态的气体压强值的差值，k1，k2为补偿系数，该补偿系数是在实验工况下，通过多次实验，记录测量的露点值与压强变化量，并进行压强
‑
露点值曲线拟合后，利用神经网络迭代学习或经验整定得出。
[0082]
综上，本发明针对电极放电法测量烟气露点值时电极腐蚀老化或烟气冷凝使电路导通的不确定性带来的影响，采用圆筒形电容，利用电容值测量原理检测烟气凝结成酸雾时的电容变化值及温度值，从而得到较为准确的烟气露点值。本发明中所采用的电容传感器测量灵敏度高，能够清晰地记录烟气管道内烟气结露对电容值造成的影响，提高了露点测量装置的测量灵敏度。本发明中通过反复测量比对，对电容值测量曲线与气压变化曲线拟合，消除装置自身误差影响，实现准确、可靠、灵敏的进行烟气露点测量。
[0083]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。