氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收方法實(shí)踐

袁翠翠，杜政燁，茌 方，劉翠茹

(國(guó)能南京煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)有限公司，江蘇 南京 210031)

發(fā)熱量是燃料用煤的重要質(zhì)量指標(biāo)，是火電企業(yè)進(jìn)行煤炭結(jié)算的主要依據(jù)，同時(shí)作為計(jì)算發(fā)供電煤耗、單位燃料成本等的重要參數(shù)直接影響火電企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)健康運(yùn)行[1]。因此準(zhǔn)確測(cè)定煤的發(fā)熱量具有非常重要的意義并越來越受到電力行業(yè)、煤炭行業(yè)、科研單位、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等的重視[2]。目前發(fā)熱量主要通過熱量計(jì)實(shí)測(cè)獲得，熱量計(jì)的工作性能直接決定了發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確性，而通過對(duì)熱量計(jì)進(jìn)行性能驗(yàn)收試驗(yàn)可評(píng)價(jià)熱量計(jì)的總體性能。本文依據(jù)GB/T 31423-2015《氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱“導(dǎo)則”)對(duì)某型號(hào)熱量計(jì)進(jìn)行相關(guān)性能驗(yàn)收試驗(yàn)[3，4]，為氧彈熱量計(jì)開展性能驗(yàn)收工作提供了方法實(shí)踐。

導(dǎo)則規(guī)定了對(duì)熱量計(jì)性能驗(yàn)收主要包括4個(gè)方面，即儀器結(jié)構(gòu)和功能、熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性、熱容量的有效工作范圍以及發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確度。首先觀察熱量計(jì)部件及整體功能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。然后通過在一定周期內(nèi)對(duì)熱量計(jì)進(jìn)行四次苯甲酸熱容量的標(biāo)定，分析其熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性是否滿足要求。根據(jù)GB/T 213-2008對(duì)熱量計(jì)進(jìn)行熱容量有效工作范圍的確定，判斷熱容量與溫升有無線性相關(guān)性。最后通過分析處理煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和已有可靠結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室煤樣的檢測(cè)結(jié)果來驗(yàn)收評(píng)價(jià)熱量計(jì)發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確性。

1 儀器結(jié)構(gòu)和功能檢查

經(jīng)檢查，該熱量計(jì)附帶的氧彈具有包括耐壓試驗(yàn)在內(nèi)的檢驗(yàn)合格證書。檢查其內(nèi)筒、外筒、攪拌器、溫度傳感器和測(cè)量裝置、點(diǎn)火裝置、燃燒皿等均滿足GB/T 213的要求。進(jìn)行了一次某樣品的檢測(cè)，該儀器的各項(xiàng)功能均能正常進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)。

2 熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性

2.1 試驗(yàn)方案

熱容量的標(biāo)定分4組進(jìn)行。通常前3組每組間隔5 d，最后1組和第1組要間隔至少1個(gè)月。嚴(yán)格按照GB/T 213的相關(guān)規(guī)定和儀器操作說明書進(jìn)行試驗(yàn)。每組熱容量標(biāo)定出現(xiàn)異常值時(shí)只可補(bǔ)做1次，無明確原因時(shí)不允許舍棄任何數(shù)據(jù)。第3組熱容量標(biāo)定完成后按照GB/T213的要求進(jìn)行5次苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量的重復(fù)測(cè)定或進(jìn)行一個(gè)煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量的測(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理和判定

使用國(guó)家煤科院一級(jí)苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室該熱量計(jì)進(jìn)行熱容量標(biāo)定，試驗(yàn)結(jié)果見表1。每次熱容量標(biāo)定均進(jìn)行5次苯甲酸測(cè)定且試驗(yàn)結(jié)果中無異常數(shù)據(jù)。分別計(jì)算4組熱容量標(biāo)定值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。觀察發(fā)現(xiàn)，每組熱容量標(biāo)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均不大于0.10%，滿足不大于0.20%的要求，說明該熱量計(jì)的熱容量標(biāo)定的精密度符合要求。但如果在驗(yàn)收工作中發(fā)現(xiàn)任意1組的相對(duì)偏差大于0.20%，則熱量計(jì)熱容量標(biāo)定的精密度不符合要求。分別計(jì)算任意2組熱容量值的差值和相對(duì)變化率，均滿足變化率不大于0.25%的要求，說明該熱量計(jì)熱容量的穩(wěn)定性滿足要求。如果在驗(yàn)收工作中發(fā)現(xiàn)有2組熱容量值的變化率超過了0.25%，則熱量計(jì)熱容量的穩(wěn)定性不滿足要求。

表1 熱量計(jì)的熱容量標(biāo)定數(shù)據(jù)

在第3組熱容量標(biāo)定完成后，使用某進(jìn)口苯甲酸嚴(yán)格按照GB/T 213要求對(duì)該熱量計(jì)進(jìn)行5次苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量重復(fù)測(cè)定，結(jié)果見表2。苯甲酸發(fā)熱量的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差為13 J/g，滿足不大于50 J/g的要求，說明該熱量計(jì)的熱容量標(biāo)定的正確度滿足要求。如果使用煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)且只進(jìn)行2次重復(fù)性測(cè)定，需滿足煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量測(cè)定值在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書給出的用戶使用參考不確定度范圍內(nèi)。5次苯甲酸發(fā)熱量測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.07%，滿足不大于0.20%的要求，則該熱量計(jì)對(duì)苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量測(cè)定精密度滿足要求。

表2 五次苯甲酸發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果

3 熱容量的有效工作范圍

按照GB/T213的相關(guān)規(guī)定，用苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行至少8次熱容量標(biāo)定試驗(yàn)，苯甲酸質(zhì)量在0.7～1.3 g范圍內(nèi)，在2個(gè)端點(diǎn)處至少分別做2次重復(fù)測(cè)定。以溫升為橫坐標(biāo)，以熱容量為縱坐標(biāo)繪制溫升與熱容量的關(guān)系圖。該熱量計(jì)有效熱容量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果見表3，繪制熱容量與溫升的關(guān)系圖見圖1。從圖1中可以看出，該熱量計(jì)的熱容量與溫升不存在線性相關(guān)性。同時(shí)依據(jù)GB/T213相關(guān)附錄給出的方法，計(jì)算熱容量與溫升的一元線性回歸方程和線性回歸系數(shù)。

表3 熱量計(jì)有效熱容量標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 熱容量與溫升的關(guān)系

查表得相關(guān)系數(shù)臨界值r0.05，7為0.6664，r小于r0.05，7，則熱容量E與溫升Δt不存在線性相關(guān)性。導(dǎo)則中規(guī)定了除非制造商聲明某熱量計(jì)的熱容量為非常數(shù)，熱量計(jì)熱容量均應(yīng)滿足熱容量與溫升之間沒有線性相關(guān)性的要求，該量熱儀的制造商未對(duì)量熱儀熱容量為非常數(shù)做相關(guān)聲明，其滿足熱容量與溫升之間沒有線性相關(guān)性的要求。

4 發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確度

4.1 試驗(yàn)方案

在第3組熱容量標(biāo)定完成后，至少任選3個(gè)不同發(fā)熱量(高、中、低)的有證煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行發(fā)熱量的測(cè)定，每個(gè)煤樣進(jìn)行2次重復(fù)性測(cè)定。至少選擇7個(gè)已有可靠結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室煤樣進(jìn)行發(fā)熱量的測(cè)定，每個(gè)煤樣進(jìn)行2次重復(fù)測(cè)定。進(jìn)行煤樣發(fā)熱量測(cè)定的同時(shí)需按標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)定其空干基水分，如需要可同時(shí)測(cè)定其空氣干燥基全硫。

4.2 數(shù)據(jù)處理和判定

在第3組熱容量標(biāo)定完成后，選取了發(fā)熱量從低到高的4個(gè)有證煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表4所示。其中空氣干燥基全硫是由煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的干基全硫的標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際測(cè)得的空干基水分通過基準(zhǔn)換算獲得。觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和實(shí)驗(yàn)室煤樣的發(fā)熱量的2次重復(fù)測(cè)定結(jié)果之差滿足不大于120 J/g的要求。但是實(shí)際驗(yàn)收工作中如有超差情況，可補(bǔ)做1次，如仍超差或有2個(gè)或2個(gè)以上結(jié)果超差，則該熱量計(jì)對(duì)煤樣的發(fā)熱量測(cè)定精密度不符合要求。4個(gè)煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的干基高位發(fā)熱量的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值之差均在用戶使用參考不確定度范圍內(nèi)，則該熱量計(jì)對(duì)煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確度滿足要求。

表4 煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果

選取10個(gè)已有可靠結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室煤樣進(jìn)行發(fā)熱量的測(cè)定，獲得1組干基高位發(fā)熱量與原測(cè)定結(jié)果組成的數(shù)據(jù)對(duì)比，見表5。按照GB/T18510[5]，采用統(tǒng)計(jì)量t檢驗(yàn)該熱量計(jì)對(duì)這10個(gè)實(shí)驗(yàn)室煤樣的測(cè)定值與該批煤樣原測(cè)定值差值(干基高位發(fā)熱量)的顯著性，并計(jì)算差值的95%概率置信區(qū)間。若t檢驗(yàn)沒有顯著性，差異且差值的95%概率置信區(qū)間端值不大于300 J/g，可得出2組測(cè)定結(jié)果沒有顯著性差異的結(jié)論，則該熱量計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室煤樣發(fā)熱量測(cè)定的正確度滿足要求。

表5 實(shí)驗(yàn)室煤樣測(cè)定準(zhǔn)確度判定

5 驗(yàn)收結(jié)論

(1)該熱量計(jì)儀器結(jié)構(gòu)和功能滿足要求，硬件功能合格。

(2)該熱量計(jì)熱容量標(biāo)定精密度、苯甲酸發(fā)熱量測(cè)定精密度和煤樣測(cè)定精密度均滿足要求，測(cè)量精密度合格。

(3)該熱量計(jì)標(biāo)定的正確度、煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)發(fā)熱量測(cè)定的準(zhǔn)確度和實(shí)驗(yàn)室煤樣發(fā)熱量測(cè)定的正確度均滿足要求，測(cè)量準(zhǔn)確度合格。

(4)該熱量計(jì)熱容量的穩(wěn)定性滿足要求，測(cè)量穩(wěn)定性合格。

(5)該熱量計(jì)熱容量和溫升間不存在線性相關(guān)性。

(6)該熱量計(jì)的每一量熱系統(tǒng)的以上各項(xiàng)均合格，說明該熱量計(jì)性能總體合格，通過驗(yàn)收。如果在驗(yàn)收工作中發(fā)現(xiàn)了熱量計(jì)有其中任意一項(xiàng)不合格的情況，則不合格，不能通過驗(yàn)收。

6 試驗(yàn)過程注意事項(xiàng)

由于氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收工作周期長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)果的影響因素較多，因此，要嚴(yán)格控制試驗(yàn)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，確保驗(yàn)收結(jié)果的有效性和可靠性[6-14]。

6.1 環(huán)境因素控制

要確保整個(gè)性能驗(yàn)收過程的發(fā)熱量室的環(huán)境條件穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室的溫濕度計(jì)要放在能反映發(fā)熱量測(cè)定室整體溫度的位置并及時(shí)做好記錄，如發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程溫度波動(dòng)超過1 ℃，要及時(shí)調(diào)整控溫設(shè)備，確保環(huán)境條件在整個(gè)試驗(yàn)過程中可控在控。如果發(fā)熱量測(cè)定室濕度較大，要注意使用抽濕機(jī)等，避免濕度太大影響天平的使用。

6.2 人員因素控制

考慮到每個(gè)試驗(yàn)人員的操作手法不同，在試驗(yàn)過程中盡量固定人員，整個(gè)試驗(yàn)過程最好由同一人完成。試驗(yàn)操作過程要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求，每次試驗(yàn)都要注意試驗(yàn)細(xì)節(jié)，如準(zhǔn)確量取蒸餾水的體積為10 mL，注意充氧時(shí)間為15 s以上，最好整個(gè)試驗(yàn)過程固定充氧時(shí)間。規(guī)范使用天平，確保樣品稱量準(zhǔn)確。試驗(yàn)過程要確保充氧壓力在2.8～3.0 MPa范圍內(nèi)，最好在整個(gè)試驗(yàn)過程中保證氧氣壓力穩(wěn)定，每次試驗(yàn)前要注意觀察氧氣瓶壓力和減壓閥壓力，確保充氧壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。每次試驗(yàn)都要對(duì)氧彈部件用清水清洗并擦凈。

6.3 其他因素

做好熱量計(jì)維護(hù)工作，經(jīng)常清洗內(nèi)筒、內(nèi)筒濾網(wǎng)、進(jìn)水閥濾網(wǎng)等。每天試驗(yàn)前都要對(duì)氧彈進(jìn)行氣密性檢查，如有漏氣情況及時(shí)檢查原因并根據(jù)需要更換密封圈等。試驗(yàn)后坩堝要及時(shí)清洗干凈，烘干后放入干燥器中待用。熱量計(jì)每3個(gè)月更換1次水。使用苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行熱容量的標(biāo)定和發(fā)熱量的測(cè)定時(shí)，要注意正確對(duì)硝酸生成熱進(jìn)行校正。

7 結(jié) 語

依據(jù)GB/T 31423-2015《氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收導(dǎo)則》對(duì)實(shí)驗(yàn)室某型號(hào)熱量計(jì)進(jìn)行相關(guān)性能驗(yàn)收試驗(yàn)，為氧彈熱量計(jì)性能驗(yàn)收提供了方法實(shí)踐。嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定試驗(yàn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)熱量計(jì)的硬件功能、測(cè)量精密度、測(cè)量準(zhǔn)確度、測(cè)量穩(wěn)定性以及熱容量與溫升的線性相關(guān)性均合格后才能說明熱量計(jì)性能總體合格，通過驗(yàn)收。整個(gè)驗(yàn)收過程要注意各個(gè)因素的影響，特別注意控制環(huán)境條件、人員因素等，平時(shí)工作中要注意做好熱量計(jì)維護(hù)。