燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計①

韓一學(xué)　李漢勇

1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室 2.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院

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燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計①

韓一學(xué)1李漢勇2

1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室 2.北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院

摘要隨著城鎮(zhèn)燃氣多氣源供應(yīng)格局的形成，不同氣源之間互換帶來的問題日益凸顯。針對民用大氣式燃燒器，設(shè)計了一種用于實驗室研究的燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)，包括動態(tài)配氣系統(tǒng)和灶具性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)配氣精度高、響應(yīng)速度快、即配即用、數(shù)字化靈活配氣、連續(xù)可調(diào)，尤其在測定燃具適應(yīng)域時獨具優(yōu)勢；解決了現(xiàn)有系統(tǒng)占地面積大、混氣不均、滯后性大、排空浪費氣源等問題。

關(guān)鍵詞燃氣互換性多組分動態(tài)配氣精度高響應(yīng)速度快

隨著我國氣源多元化、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的供氣格局逐漸形成，現(xiàn)存氣源之間能否互換，以及與已有燃氣具是否匹配的問題逐漸被提上日程。我國對燃氣互換性的研究工作剛剛起步，目前尚無統(tǒng)一的燃氣互換性理論技術(shù)可借鑒。國外的燃氣互換性判定方法究竟是否適用于我國，亦需大量實驗工作來驗證[1]。因此，建立多氣源互換性測試及燃氣具氣質(zhì)適應(yīng)性測試實驗平臺，通過大量實驗來探索和總結(jié)我國的燃氣互換性理論，指導(dǎo)和完善我國燃氣具的綜合設(shè)計與技術(shù)升級，對我國實現(xiàn)燃氣的順利互換具有重大意義。

燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)作為燃氣互換性實驗的基礎(chǔ)，其準確性、可靠性直接決定了實驗結(jié)果的可靠性?？v觀國內(nèi)各燃氣互換性研究單位所用的實驗系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，配氣精度雖能保證，但常存在混氣不均、滯后性大、排空浪費燃氣等問題，不僅增加了實驗成本，還降低了實驗的準確性。針對此問題研發(fā)了燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在保證配氣精度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)混氣均勻、無滯后性、節(jié)省燃氣用量等優(yōu)點，與配氣軟件、燃氣互換性判定軟件共同構(gòu)成了具有較強教學(xué)實驗功能及科研研究功能的綜合實驗系統(tǒng)。

1實驗系統(tǒng)介紹

燃氣互換性問題不能脫離燃具而單獨存在，必須從氣質(zhì)和燃具兩方面同時進行研究。另外，由于實驗室管道燃氣不可能具備各種城市燃氣氣源的多樣性和復(fù)雜性，需要自行配制替代燃氣。因此，該燃氣互換性綜合實驗系統(tǒng)包括兩個子系統(tǒng)：高精度動態(tài)配氣系統(tǒng)和灶具性能測試系統(tǒng)，如圖1所示。配氣系統(tǒng)主要完成各類燃氣的配比、混合以及壓力調(diào)節(jié)等功能；灶具性能測試系統(tǒng)則為灶具的脫火、回火、CO超標、熱負荷、熱效率等實驗提供測試平臺[2]。燃氣以一定配比經(jīng)配氣系統(tǒng)混合均勻調(diào)壓后，直接去灶具性能測試系統(tǒng)進行燃燒。通過觀察火焰燃燒現(xiàn)象來明確燃氣的性質(zhì)。

該系統(tǒng)可開展以下實驗項目：①多氣源之間的互換性測試；②測定典型燃氣具的燃燒特性和氣質(zhì)適應(yīng)性區(qū)間，確定城市燃氣的互換域；③A.G.A和Weaver指數(shù)法的適應(yīng)性研究；④燃燒勢公式的研究；⑤探索并研究影響燃氣互換的主要燃燒特性指標等等。該系統(tǒng)既可以完成驗證性實驗，又可以完成科研探索性實驗，且在科研探索性實驗上獨具優(yōu)勢。

2實驗系統(tǒng)原理

灶具性能測試系統(tǒng)通常按照國家標準搭建，燃氣互換性系統(tǒng)的關(guān)鍵在于配氣系統(tǒng)，其準確性直接關(guān)系到綜合實驗系統(tǒng)性能的高低。因此， 重點介紹本系統(tǒng)的動態(tài)配氣子系統(tǒng)。

2.1動態(tài)配氣子系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)中的配氣系統(tǒng)有四路通道(可擴展)，可實現(xiàn)三組分、四組分的配氣。使用高壓干式瓶，采用質(zhì)量流量控制器來控制各單一組分氣體的比例，無儲氣設(shè)備[3]。試驗氣各組分比例改變后不需進行吹掃排放，即配即用。且各單一組分氣體的進氣順序不會影響配制試驗氣的精度。進行實驗時，先打開高壓氣瓶后的減壓閥，將各減壓閥調(diào)至同一壓力，然后通過MFC設(shè)定各氣路的氣量，打開調(diào)壓器前后閥門，待灶前壓力穩(wěn)定后，灶具點火。

該動態(tài)配氣系統(tǒng)由3部分組成：流量控制部分、混氣部分、調(diào)壓部分，且整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有防爆功能。

流量控制部分采用國外高精度質(zhì)量流量控制器(MFC)控制。由于MFC控制的是氣體實際的質(zhì)量流量，而不是體積流量，因此，配氣將不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響[4]。此外，控制和顯示裝置為了便于配氣操作，采用數(shù)字顯示儀表，其示數(shù)為轉(zhuǎn)換后的體積流量，從而使輸入更加直觀，操作調(diào)節(jié)更加方便。

混氣部分包括一級混氣室、二級混氣室和混氣管路。兩級混氣室保證了配制氣的混合均勻，不受開氣順序的影響。由于該配氣子系統(tǒng)未設(shè)儲氣設(shè)備和緩沖罐，因此,其供氣量的大小完全取決于后面的灶具性能測試系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的供氣量與用氣量總是處于一種動態(tài)平衡、即配即用的狀態(tài)。這一特點也進一步促進了配制氣的混合均勻。而常規(guī)實驗系統(tǒng)均設(shè)儲氣設(shè)備，切換配氣方案時需要將儲罐內(nèi)的氣體進行排空吹掃，不但浪費了燃氣資源，還大大增加了實驗成本。此外，不設(shè)儲氣設(shè)備還增加了實驗調(diào)節(jié)的靈活性，縮短了配氣方案切換時實驗現(xiàn)象的響應(yīng)時間，從而使該綜合實驗系統(tǒng)在做灶具的適應(yīng)域?qū)嶒灂r獨具優(yōu)勢。

調(diào)壓部分主要包括壓力傳感器、穩(wěn)壓器等結(jié)構(gòu)。當管路中的氣體壓力超過某一設(shè)定值時，系統(tǒng)自動切斷供氣；當管路中的氣體壓力低于某一設(shè)定值時，系統(tǒng)又開始重新按配比供氣，從而保證了配氣濃度不變且供氣不中斷。這兩個設(shè)定值——壓力高位值和壓力低位值，可根據(jù)后面的灶具性能測試系統(tǒng)的適應(yīng)性進行自行設(shè)定。為了保證配氣過程的安全和精度，在穩(wěn)壓器的末端留有取樣口，方便取樣，以進行氣相色譜成分分析。

2.2灶具性能測試系統(tǒng)

灶具性能測試系統(tǒng)主要包括各類大氣式燃燒灶具、不同型號的鋁鍋、濕式流量計、煙氣分析儀等。經(jīng)動態(tài)配氣系統(tǒng)配制的混合均勻的燃氣，經(jīng)過U型壓力計和濕式流量計，進入灶具進行點火燃燒，進而測定灶具的熱負荷、熱效率等。燃燒產(chǎn)生的煙氣通過取樣環(huán)采集進入煙氣分析儀，進行煙氣中CO、氮氧化合物等含量的測定。灶具的正常工作壓力為2 000 Pa。離焰、回火實驗要求灶前壓力為3 000 Pa和1 000 Pa。測定灶具的適應(yīng)域時，離焰、回火、CO超標等現(xiàn)象需要人眼識別判斷，人工觸發(fā)記錄的方式完成火焰狀態(tài)變換臨界點的數(shù)據(jù)采集。

3實驗系統(tǒng)測試

準確性與響應(yīng)速度是衡量該系統(tǒng)性能的兩個重要指標。在該實驗系統(tǒng)設(shè)計、搭建完成后，以隨機的若干組分原料氣為對象，對系統(tǒng)末端管道混合氣取樣，進行氣相色譜成分分析，以確定該實驗系統(tǒng)達到的精度，同時測定配氣濃度改變時系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢。

3.1實驗系統(tǒng)精度測試

根據(jù)標準GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》要求，配制試驗氣的華白數(shù)和目標燃氣華白數(shù)的誤差應(yīng)在±2%以內(nèi)。下面以燃氣互換性實驗中常用的幾種配氣工況為例，進行系統(tǒng)的精度測試。

3.1.1三路原料氣運行時系統(tǒng)精度測試

以C3H8、H2、N2三路原料氣為分析對象，理論配氣比例與氣相色譜分析的實際配氣比例及偏差見表1所列。

表1 三路原料氣運行時系統(tǒng)精度測試結(jié)果y/%Table1 Systemaccuracytestofthreekindsofgas氣體名稱理論值色譜儀分析數(shù)據(jù)樣氣偏差值C3H856.4357.561.13H212.8112.870.06N230.7629.57-1.19

由表1數(shù)據(jù)可知，隨機的三路原料氣運行時，測試系統(tǒng)的最大偏差為1.19%。

3.1.2四路原料氣運行時系統(tǒng)精度測試

以CH4、H2、N2、i-C4H10四路原料氣為分析對象，理論配氣比例與氣相色譜分析的實際配氣比例及偏差見表2。

表2 四路原料氣運行時系統(tǒng)精度測試結(jié)果y/%Table2 Systemaccuracytestoffourkindsofgas氣體名稱理論值色譜儀分析數(shù)據(jù)樣氣偏差值CH448.0049.251.25H218.0618.730.67N223.4922.86-0.63i-C4H1010.459.16-1.29

由表2數(shù)據(jù)可知，隨機的四路原料氣運行時，測試系統(tǒng)的最大偏差為1.29%。

3.1.3低、中、高流量時系統(tǒng)精度測試

為了測試該系統(tǒng)能否在額定流量之外的范圍內(nèi)正常工作，進行了低、中、高3種流量下的系統(tǒng)精度測試，測試結(jié)果見表3。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)在正常流量、高流量下工作時，偏差較小，隨著配氣流量的降低，偏差有增大的趨勢。

表3 低、中、高流量時系統(tǒng)精度測試結(jié)果y/%Table3 Systemaccuracytestresultsunderlow,medium,andhighflow氣體名稱理論值色譜儀分析樣氣摩爾分數(shù)低流量偏差值中流量偏差值高流量偏差值C3H856.4358.652.2257.561.1357.300.87H212.8112.28-0.5312.870.0612.45-0.36N230.7629.07-1.6929.57-1.1930.25-0.51

從以上幾組數(shù)據(jù)可以看出,幾種常見工況下的精度測試結(jié)果的誤差均在±2%以內(nèi)，經(jīng)計算，所配氣的沃泊指數(shù)和理論氣沃泊指數(shù)的誤差在±1%以內(nèi)，符合國標要求，并且該實驗系統(tǒng)的精度較高。

3.2實驗系統(tǒng)響應(yīng)速度測試

響應(yīng)速度也是影響實驗系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要因素之一。設(shè)定一種配氣濃度，當配氣濃度改變后，測定不同時間下的混氣濃度，從而驗證該系統(tǒng)的響應(yīng)速度。表4為實驗測試結(jié)果。

表4 響應(yīng)度實驗測試結(jié)果y/%Table4 Systemresponsitivitytestresults氣體名稱初始方案值切換后方案值色譜儀分析樣氣摩爾分數(shù)10s后偏差值20s后偏差值30s后偏差值C3H856.4342.8049.786.9844.321.5240.61-2.19H212.8128.6020.54-8.0626.73-1.8729.480.88N230.7628.6029.681.0828.950.3529.911.31

由表4數(shù)據(jù)可以看出，當配氣濃度改變以后，該系統(tǒng)可以在較短時間內(nèi)迅速恢復(fù)到新配比下的配氣濃度，并隨時間的增長逐漸趨于穩(wěn)定。其偏差均在可允許的范圍內(nèi)，可見該系統(tǒng)在濃度切換后的響應(yīng)速度較快。

4結(jié) 論

經(jīng)上述精度測試、響應(yīng)速度測試，以及后續(xù)的大量、長期實驗表明:①該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，配氣精度高，不受環(huán)境參數(shù)的影響；②數(shù)字化控制顯示儀表連續(xù)可調(diào)，配氣更加靈活；③兩級混氣室使混氣更加均勻；④系統(tǒng)不設(shè)儲氣設(shè)備和緩沖罐，占地面積小，燃氣即配即用，既解決了切換配氣方案時燃氣排空耗損的問題，又克服了響應(yīng)速度慢的缺點，大大縮短了實驗時間，使該系統(tǒng)在做灶具適應(yīng)域?qū)嶒灧矫妾毦邇?yōu)勢；⑤整套系統(tǒng)均由防爆裝置組成，非常適合易燃、易爆氣體的實驗測試。根據(jù)實驗需要，該系統(tǒng)目前只做了四路氣的配制研究，未來還可以擴展到更多路氣體的配制。

該系統(tǒng)也存在一些明顯的缺點：配氣量小，僅適用于實驗室小規(guī)模配氣檢測和科學(xué)研究；實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)的觀察與采集均為手動操作。后續(xù)開發(fā)時可加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其實現(xiàn)自動化，提高實驗效率。

參 考 文 獻

[1] 周理, 郭開華, 皇甫立霞, 等. 天然氣互換性判別方法研究[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(6): 642-646.

[2] 高文學(xué). 城市燃氣互換性理論及應(yīng)用研究[D]. 天津： 天津大學(xué), 2010.

[3] 楊賢潮, 秦朝葵, 戴萬能. 典型互換性判別法對國內(nèi)燃具適用性的實驗研究[J]. 石油與天然氣化工, 2012, 41(1): 48-52.

[4] 趙建華, 蘭華永, 陳滋健, 等. 基于質(zhì)量流量控制器的多組分動態(tài)配氣系統(tǒng)研究[J]. 自動化儀表, 2008, 29(2): 44-48.

A design of gas interchangeability experimental system

Han Yixue1, Li Hanyong2

(1.NationalEngineeringLaboratoryforPipelineSafety/BeijingKeyLaboratoryofUrbanOilandGasDistributionTechnology,ChinaUniversityofPetroleum-Beijing,Beijing102249,China； 2.BeijingInstituteofPetro-ChemicalTechnology,Beijing102617,China)

Abstract:In view of the pattern of multiple gas supply in cities, a series of problems about gas interchangeability are brought to our attention. For atmospheric gas burner, integrated gas interchangeability and blending test system has been designed for laboratory research, which includes dynamic gas-mixing system and combustion characteristics of gas appliances testing system. The devices have the advantages of small and accurate multi-gas blending, fast respond speed, instant blending and use, digital display instrument, and continuous gas flowing. Besides, the system has huge advantages in determining the flexible range of gas appliances to different gases. Many problems have been solved perfectly by using this system, such as large space occupation, the unevenness of gas mixture, long time lag, and wasting gas.

Key words:gas interchangeability, multi-gas blending, high precision, fast respond speed

基金項目：北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目“北京多氣源天然氣互換性實驗研究”(2015J00030)；北京石油化工學(xué)院優(yōu)秀責任教授資助項目“基于工程教育專業(yè)認證理念的油氣儲運工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”(BIPT-POPME-2015)。

作者簡介：韓一學(xué)(1990-)，女，河北任丘人，中國石油大學(xué)(北京)在讀碩士，導(dǎo)師：宮敬教授。主要研究方向為城市燃氣互換。E-mail：freeairhyx@163.com

中圖分類號：TE642

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.007

收稿日期：2016-02-18；編輯：康莉