如何保證煤發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確性

馬輝平 袁 滿

（湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441141）

發(fā)熱量是煤炭作為燃料利用的一個(gè)重要的煤質(zhì)特性指標(biāo)，它對(duì)于電廠安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行均具有重要的意義。它是進(jìn)廠商品煤的定價(jià)及結(jié)算的主要依據(jù)，是鍋爐熱平衡、能量計(jì)算的參數(shù)，也是估算鍋爐理論燃燒溫度和鍋爐運(yùn)行時(shí)的配煤燃燒及負(fù)荷調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，還是電廠主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)-發(fā)電(供電）標(biāo)準(zhǔn)煤耗的計(jì)算依據(jù)。因此，準(zhǔn)確測(cè)定煤的發(fā)熱量是電廠煤化驗(yàn)室必須要保證的工作。

1 發(fā)熱量測(cè)定原理

現(xiàn)在大多數(shù)電廠化驗(yàn)室都采用自動(dòng)熱量計(jì)測(cè)定煤的發(fā)熱量，其原理是將一定量的試樣置于密封的氧彈中，在充足的氧氣條件下，令試樣完全燃燒，燃燒所放出的熱量被氧彈周圍的水（即內(nèi)筒水）和量熱系統(tǒng)所吸收，其水的溫升與試樣燃燒放出的熱量成正比。量熱系統(tǒng)：指發(fā)熱量測(cè)定過程中，試樣放出的熱量所能達(dá)到的各個(gè)部件，除了內(nèi)筒水外，還包括內(nèi)筒、氧彈及攪拌器、感溫探頭浸于水中的部分。用恒溫式熱量計(jì)測(cè)定發(fā)熱量的過程中，它的內(nèi)外筒水溫總是存在一定的溫差。為了消除內(nèi)外筒的熱交換對(duì)溫升的影響，須對(duì)內(nèi)筒溫升加上一校正值，稱為冷卻校正值，用符號(hào)C 表示。彈筒發(fā)熱量的計(jì)算公式為：

式中：Qb——彈筒發(fā)熱量（J/g）;m——試樣質(zhì)量；to——量熱系統(tǒng)的起始溫度(℃);tn——量熱系統(tǒng)吸收試樣放出的熱量后的最終溫度(℃);E——量熱系統(tǒng)的熱容量（J/K）;q1——點(diǎn)火絲熱值（J）；q2——添加物熱值（J）。

2 影響熱量計(jì)測(cè)定準(zhǔn)確性的因素及解決辦法

影響熱量計(jì)測(cè)定準(zhǔn)確性的因素有很多，現(xiàn)以自動(dòng)熱量計(jì)為例，依據(jù)國標(biāo)GB/T213-2008，結(jié)合實(shí)際工作中積累的工作經(jīng)驗(yàn)，著重分析以下主要影響因素。

2.1 環(huán)境溫度不穩(wěn)

國標(biāo)GB/T213-2008 煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[1]中對(duì)發(fā)熱量測(cè)定試驗(yàn)室規(guī)定要滿足以下條件：

（1）進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)定的試驗(yàn)室，應(yīng)為單獨(dú)房間，不應(yīng)在同一房間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行其他試驗(yàn)項(xiàng)目；

（2）室溫要保持相對(duì)穩(wěn)定，每次測(cè)定室溫不應(yīng)超過1℃，室溫以在（15-30）℃范圍為宜；

（3）室內(nèi)應(yīng)無強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，因此不應(yīng)有強(qiáng)烈的熱源、冷源和風(fēng)扇等，試驗(yàn)過程中應(yīng)避免開啟門窗；

（4）試驗(yàn)室最好朝北，以避免陽光照射，否則熱量計(jì)應(yīng)放在不受陽光直射的地方。

大多數(shù)試驗(yàn)室都能保證（1）、（3）、（4）條，但對(duì)（2）條中的室溫要求卻沒有嚴(yán)格執(zhí)行，造成測(cè)量誤差。具體分析：熱量計(jì)是通過測(cè)量內(nèi)筒水溫來計(jì)算出被測(cè)物質(zhì)熱值的，環(huán)境溫度不穩(wěn)定，會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來明顯的影響。如果室溫越來越高，比如第二次試驗(yàn)時(shí)的室溫比第一次高（超出規(guī)定范圍），則第二次的內(nèi)筒水溫要比第一次多吸收外界熱量，測(cè)得的發(fā)熱量會(huì)越來越大。反之，如果室溫越來越低，測(cè)得的發(fā)熱量會(huì)越來越小。如果室溫上下擺動(dòng)較大的話測(cè)試結(jié)果也會(huì)擺動(dòng)比較大。國標(biāo)GB/T213-2008 中規(guī)定標(biāo)定熱容量和測(cè)試發(fā)熱量時(shí)的內(nèi)筒溫度相差超過5℃就要重新標(biāo)定熱容量，我們以室溫相差5℃分別測(cè)量同一煤樣的發(fā)熱量，結(jié)果見表1：

表1 不同室溫下同一煤樣的發(fā)熱量

從表1 看出，同一煤樣的發(fā)熱量隨著室溫的升高而增大。因此要嚴(yán)格控制發(fā)熱量測(cè)定房間的室溫，保證每次測(cè)定室溫變化不應(yīng)超過1℃，并且和標(biāo)定熱容量時(shí)的室溫盡量接近，兩者相差越小越好。

解決辦法：在很多試驗(yàn)室，測(cè)定發(fā)熱量房間的室溫是靠空調(diào)調(diào)節(jié)的，如果剛打開空調(diào)，室溫還未穩(wěn)定，要嚴(yán)禁開始測(cè)定發(fā)熱量，最好是測(cè)定發(fā)熱量房間的空調(diào)不關(guān)或者是頭天晚上就把空調(diào)打開，保證室溫穩(wěn)定。在實(shí)際工作中，我們有時(shí)會(huì)碰到這樣的情況，用熱量計(jì)測(cè)定標(biāo)煤的發(fā)熱量在其不確定范圍內(nèi)，是合格的，但測(cè)得的煤樣發(fā)熱量再現(xiàn)性卻不合格，這其中很大的一個(gè)原因就是在試驗(yàn)室的室溫還未穩(wěn)定時(shí)就開始測(cè)定煤樣，使得測(cè)定標(biāo)煤時(shí)和測(cè)定煤樣時(shí)的室溫相差較大，造成測(cè)量不準(zhǔn)確。所以化驗(yàn)員在測(cè)定發(fā)熱量時(shí)，要嚴(yán)格控制室溫符合國標(biāo)要求，最好記錄發(fā)熱量測(cè)定前后的室溫，時(shí)時(shí)提醒自己關(guān)注室溫，并檢查外筒溫度與室溫相差不得超過1.5℃。

2.2 熱容量

在測(cè)定發(fā)熱量時(shí)，熱量計(jì)的熱容量是通過熱容量標(biāo)定得出的，這就要求在進(jìn)行熱容量標(biāo)定時(shí)，要對(duì)試驗(yàn)條件和操作技術(shù)仔細(xì)認(rèn)真檢查，確認(rèn)無問題后再進(jìn)行標(biāo)定，并且在使用新型熱量計(jì)前，要按國標(biāo)要求確定其熱容量的有效工作范圍。如果熱容量值與溫升無相關(guān)性，則熱量計(jì)的熱容量可視為常數(shù)，如果熱容量值與溫升有明顯的相關(guān)性，則要用一元線性回歸的方法求得熱容量E 和溫升Δt 的關(guān)系式：E=a+b*Δt——（2）.在測(cè)定試樣的發(fā)熱量時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的溫升Δt 用公式（2）確定所用的熱容量值。

在保證熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確性后，還要保證熱容量的變化在允許范圍內(nèi)。國標(biāo)GB/T213-2008[1]中規(guī)定：熱容量標(biāo)定值的有效期為3個(gè)月，超過此期限應(yīng)重新標(biāo)定。如果熱量計(jì)的量熱系統(tǒng)沒有顯著改變，重新標(biāo)定的熱容量值與前一次標(biāo)定的熱容量值不應(yīng)大于0.25%。對(duì)于熱容量約10000 J/K 的熱量計(jì)來講，兩次標(biāo)定熱容量的值不應(yīng)大于25J/K.即使熱量計(jì)的硬件、軟件都沒有任何改變，但環(huán)境條件是不可能保持不變的。例如上次室溫高于外筒水溫1K，這次室溫低于外筒水溫1K，又如上次室溫與水溫相差1.5K，這次室溫與水溫相差0.5K 等條件的變化都會(huì)引起熱容量的變化。而我們?cè)跍y(cè)定發(fā)熱量時(shí)，計(jì)算公式中所用的系統(tǒng)設(shè)置中所設(shè)置的熱容量值是一個(gè)固定值，它實(shí)際上不是該次測(cè)定發(fā)熱量時(shí)熱量計(jì)的真實(shí)熱容量。如果這兩個(gè)值差20J/K，則對(duì)發(fā)熱量產(chǎn)生明顯的影響，見表2

表2 不同熱容量時(shí)的發(fā)熱量比較

從表2 可看出，兩次彈筒發(fā)熱量相差60 J/K，可見，當(dāng)熱容量變化時(shí)，發(fā)熱量的變化值約等于熱容量變化值乘以溫升再除以試樣質(zhì)量，誤差是顯而易見的。

解決辦法：化驗(yàn)員要做的就是要嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T213-2008 的要求標(biāo)定熱容量，使熱容量值盡量接近理論真值，并且保證測(cè)定發(fā)熱量時(shí)的溫度與標(biāo)定熱容量時(shí)的溫度在小于5K 的情況下盡量接近。

2.3 試樣的水分未測(cè)準(zhǔn)

試樣的水分，將直接影響到干基高位發(fā)熱量的計(jì)算。如果試樣水分測(cè)得比真值大，則會(huì)使干基高位發(fā)熱量結(jié)果偏大；反之，則會(huì)使干基高位發(fā)熱量結(jié)果偏小。國標(biāo)GB/T213-2008 中發(fā)熱量的再現(xiàn)性臨界差是以干基高位發(fā)熱量進(jìn)行比較的，規(guī)定發(fā)熱量測(cè)定的再現(xiàn)性臨界差為300J/g.如果試樣水分未測(cè)準(zhǔn)，則在抽查煤樣時(shí)，再現(xiàn)性臨界差容易超差。

例如：某日測(cè)得某試樣Mad=2.00%，Qgr，ad=25000J/g，則Qgr，d=25000*100/(100-2.00)=25510 J/g，改日抽查該樣品測(cè)得，Qgr，ad=24880J/g，若水分未測(cè)準(zhǔn)，測(cè)Mad=1.30%，則Qgr，d=24880*100/(100-1.30)=25208J/g，兩者相差25510-25208=302J/g，，再現(xiàn)性臨界性超差。正確水分為Mad=1.80%，則Qgr，d=24880*100/(100-1.，8 0)=25336J/g，兩者相差25510-25336=174J/g，符合再現(xiàn)性臨界差。可見水分的正確測(cè)定是保證高位發(fā)熱量準(zhǔn)確的前提。

解決辦法：對(duì)電廠煤化驗(yàn)室來說，要保證水分的正確測(cè)定，除了要嚴(yán)格按照國標(biāo)GB/T212-2008[2]的規(guī)定操作外，可以采用兩人同時(shí)測(cè)定水分，或采用工業(yè)分析儀與烘箱同時(shí)測(cè)定水分來形成數(shù)據(jù)比對(duì)，保證水分?jǐn)?shù)據(jù)的正確。

2.4 試樣質(zhì)量不準(zhǔn)

化驗(yàn)員在使用天平時(shí)未進(jìn)行天平校準(zhǔn)或未正確讀數(shù)都會(huì)帶來測(cè)量誤差，造成試樣質(zhì)量不準(zhǔn)。試樣質(zhì)量不準(zhǔn)會(huì)引起熱容量的誤差：設(shè)苯甲酸熱值Q=26450J/g，點(diǎn)火絲熱量q1=50J，△+C=2.6125K

下面是同一片苯甲酸，由于稱量不準(zhǔn)而引起的后果：

當(dāng)稱得苯甲酸質(zhì)量m=1g 時(shí)，

當(dāng)稱得苯甲酸質(zhì)量m=1.0005g 時(shí)，

當(dāng)稱得苯甲酸質(zhì)量m=0.9995g 時(shí)，

結(jié)論：試樣質(zhì)量若差0.0005g，將使熱容量大約相差5J/K。

解決辦法:化驗(yàn)員在進(jìn)行試樣稱量時(shí)，要正確使用天平。天平要定期進(jìn)行檢定，天平移動(dòng)后要重新校正，每次使用前要檢查天平水平，在開啟和關(guān)閉天平門時(shí)要?jiǎng)幼鬏p緩，待天平數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再讀數(shù)，保證試樣質(zhì)量稱量準(zhǔn)確。

2.5 高灰分、高揮發(fā)分、高硫、低熱值的煤樣容易引起較大的誤差

高灰分的煤樣在坩堝中燃燒時(shí)，上層開始燃燒產(chǎn)生的灰會(huì)影響下層煤樣的充分燃燒，使得測(cè)試結(jié)果偏低，解決辦法是：

（1）提高充氧壓力至3.2MPa，延長充氧時(shí)間30s 以上；

（2）在坩堝底部墊一層經(jīng)800℃灼燒后的酸洗石棉絨；

（3）用擦鏡紙包（結(jié)果要減去擦鏡紙的熱量）；

（4）減少試樣的質(zhì)量（熱量不要低于18000J，否則要加苯甲酸作為添加物）；

（5）選用薄壁、開口較大的淺坩堝。

化驗(yàn)員可根據(jù)試驗(yàn)室的條件和試樣情況選用上述的某一種方法。

高揮發(fā)分的煤樣在燃燒過程中容易濺出，掉入氧彈底部水中的那一部分就不會(huì)燃燒，因而使結(jié)果偏低，解決辦法：

（1）點(diǎn)火絲不接觸煤樣，離開（1～2）mm；

（2）在煤樣上面蓋一薄層經(jīng)800℃灼燒后的酸洗石棉絨；

（3）用擦鏡紙包（結(jié)果減去擦鏡紙的熱量）；

（4）選用開口較小的深坩堝；

（5）氧彈中不放10ml 水，但計(jì)算彈筒發(fā)熱量時(shí)要將熱容量值減去42J/K；

（6）可以壓成餅來測(cè)。

高硫的煤樣在氧彈中燃燒時(shí)，有一部分SO2與CaCO3中分解出來的CaO 化合生成CaSO4，而沒有生成硫酸，這部分硫酸生成熱就沒有得到，而在計(jì)算高位發(fā)熱量時(shí)，是按全硫來減去硫酸生成熱的（減94.1×St.ad），生成的少，減去的多，結(jié)果當(dāng)然偏低。解決的辦法是：減少試樣質(zhì)量（熱量不要少于18000J），以減少在氧彈中硫的絕對(duì)量，因而減少CaSO4生成的機(jī)會(huì)，對(duì)結(jié)果會(huì)有改善。

低熱值的試樣在氧彈中燃燒后產(chǎn)生的熱量較少，使主期溫升較小，可能終點(diǎn)時(shí)內(nèi)筒水溫沒有高于外筒水溫1.5K 以上，因此難以出現(xiàn)明顯的水溫下降趨勢(shì)，往往容易出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，即主期時(shí)間會(huì)超過10min，有時(shí)更長，直接影響冷卻校正值的大小，因而結(jié)果不好，解決辦法是：

（1）加添加物（最好是苯甲酸），增加放入氧彈中的總熱量；

（2）如果是可以調(diào)內(nèi)筒水溫的量熱儀，可將內(nèi)筒水溫調(diào)到使終點(diǎn)的內(nèi)筒水溫高于外筒水溫1.5K 以上。

2.6 氧彈漏氣

氧彈漏氣是發(fā)熱量測(cè)定中的常見故障，若不及時(shí)消除，則會(huì)導(dǎo)致試樣燃燒不完全，使發(fā)熱量測(cè)定值偏低，或發(fā)生點(diǎn)火失敗。因?yàn)闇y(cè)定發(fā)熱量，氧彈中都要求有過量氧氣才能保證結(jié)果準(zhǔn)確，如果氧彈漏氣則氧彈內(nèi)的氧氣不足，碳將不會(huì)全部生成CO2，而有一部分生成CO，就會(huì)少產(chǎn)生熱量，硫酸生成熱、硝酸生成熱也會(huì)減少，因此會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果偏低。

解決辦法：國標(biāo)中規(guī)定氧彈裝好試樣并充好氧氣后，要進(jìn)行氣密性檢查：把氧彈放入裝好水的內(nèi)筒中，如氧彈中無氣泡漏出，則表明氣密性良好，如有氣泡出現(xiàn)，則表明漏氣，應(yīng)找出原因，加以糾正，重新充氧。這里就存在一個(gè)情況，現(xiàn)在電廠化驗(yàn)室一般都采用自動(dòng)量熱計(jì)，在水進(jìn)入內(nèi)筒之后再進(jìn)行氧彈氣密性檢查，若氧彈漏氣，就要拿出氧彈檢查原因，還要停掉發(fā)熱量測(cè)試程序，會(huì)很耽誤很多時(shí)間，尤其對(duì)來煤量很多的化驗(yàn)室，其工作壓力非常大。我們可以在發(fā)熱量測(cè)試試驗(yàn)前就進(jìn)行氧彈氣密性檢查，或者準(zhǔn)備一個(gè)裝滿水的水桶，在氧彈充氧后進(jìn)行氣密性檢查，這樣就很方便工作。

氧彈漏氣后，正確的做法可以按照《燃料分析技術(shù)問答》[3]中的要求，將氧彈充氧后浸沒在水中，如發(fā)現(xiàn)彈蓋與彈體結(jié)合處漏氣，可能是墊圈干澀或存有物屑，應(yīng)用水潤濕或剔除。氧彈進(jìn)出口閥漏氣，多數(shù)是因該閥墊圈不合適或老化造成的，應(yīng)更換合適的墊圈。針型閥漏氣，通常是由于針型閥受含硫氣體的腐蝕、磨損造成的，應(yīng)更換新針型閥。所以氧彈要很好地維護(hù)，以延長使用壽命，保證安全，每次測(cè)定發(fā)熱量后，務(wù)必將氧彈各部件仔細(xì)用水沖洗并擦凈。

3 結(jié)語

影響熱量計(jì)測(cè)定準(zhǔn)確性的因素有很多，任何一個(gè)很小的細(xì)節(jié)都會(huì)造成測(cè)定不準(zhǔn)確。上述分析的影響因素及解決辦法是我化驗(yàn)室在長期的工作中遇到的問題并經(jīng)過實(shí)踐切實(shí)可行的辦法，對(duì)各電煤化驗(yàn)室有一定的借鑒意義。作為火力發(fā)電廠燃煤化驗(yàn)室，要保證熱量計(jì)測(cè)定的準(zhǔn)確性，不光要注意本文列舉的幾點(diǎn)，化驗(yàn)員要在日常操作中嚴(yán)格按照國標(biāo)要求，規(guī)范自己的操作，并且要提高工作責(zé)任心，不斷加強(qiáng)自身專業(yè)學(xué)習(xí)，提高素養(yǎng)，在發(fā)熱量試驗(yàn)中保證熱量計(jì)測(cè)定的準(zhǔn)確性。

［1］GB/T213-2008 煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[S].2008:2，12.

［2］GB/T212-2008 煤的工業(yè)分析方法[S]2008:1-3.

［3］方文沐，杜惠敏，李天榮.燃料分析技術(shù)問答[M].北京：中國電力出版社，2005：172.