噴氣燃料顆粒計數結果與水分質量分數的相關性研究

陳柄昊 胡建強 郭力 楊士釗

摘? ?要：顆粒污染物的污染度檢測對于保證噴氣燃料質量具有重要意義。自動顆粒計數法作為目前運用較為成熟的新型技術，具有操作簡便、快速準確的優(yōu)點，可對噴氣燃料進行污染度測定。然而，油中存在的游離水會對自動顆粒計數器產生干擾影響。從前期試驗來看，自動顆粒計數器的測定結果與噴氣燃料中的水分質量分數具有一定的相關性。本文首先通過添加大區(qū)間范圍的游離水來驗證計數結果和水分質量分數的關系，通過試驗說明了≥30 μm（c）顆粒和水分質量分數之間存在線性關系。然后通過添加小劑量的水分的試驗，發(fā)現當以ISO 4406標準中污染度等級代號11級來要求≥30μm（c）顆粒時，可有效控制水分質量分數。

關鍵詞：噴氣燃料;污染度;顆粒計數;水分質量分數

噴氣燃料中常見的污染物除了固體顆粒外就是水分雜質，廣義上的污染度測定也包括測定油樣中的水分雜質。水分是噴氣燃料中常見的雜質之一，其存在方式主要有溶解水、懸浮水和游離水3種。一般來說，液體燃料中基本不含水分，但在儲存、運輸和加注過程中可能由于各種原因混入水分。噴氣燃料中混入水分會產生一系列危害：水分會引起容器和機械的腐蝕;低溫時，水分凝結成冰粒，會堵塞油路;燃油中的水分還會促進膠質的產生[1]。因此，測定監(jiān)控噴氣燃料中的水分質量分數是保證燃油質量的重要保證之一。

1? ? 測定監(jiān)控噴氣燃料中水分質量分數概述

自動顆粒計數器是利用光學傳感器對油液中的固體顆粒進行測定的儀器，既可以在實驗室也可以直接在現場檢測油液。該儀器能夠測出顆粒數目和尺寸的分布情況[2]。它的工作原理主要是通過遮光傳感器接受被顆粒遮擋后的光通量，并將之轉換成電信號，經前置放大器傳輸到計數器進行計數。根據國外的相關研究[3]，由于在燃油中存在的微小液滴也具有遮光效果，當存在微量游離水時，自動顆粒計數器測定的大尺寸顆粒數目會有所上升[4]。本研究將通過試驗分析噴氣燃料中微量游離水與自動顆粒計數結果之間的相關性。

自動顆粒計數法與游離水質量分數之間存在潛在聯系的理論基礎是由于微小水滴對于自動顆粒計數器中光線的遮弊作用，通過改變光通量，微小水滴可使光電傳感器產生誤判[5]。但是事實上，微小水滴在油中的形態(tài)是難以判斷的，這主要在于水在油中會因為密度問題產生積聚、沉降的現象，且在外力作用下可能會導致水滴大小尺寸發(fā)生改變。相較于固體顆粒，從理論上說，水滴在油中的分布更難均勻，因此測定的數據重復性很可能會較差。

為了能較準確地測定水分質量分數與自動顆粒計數結果之間的相關性，應采取合適的試驗步驟，從方法上降低誤差的產生。同時，針對游離水分布不均勻的情況，應當首先擴大水分的添加范圍，增大加入水分的最大量，利用數量上的增加減小統計學上產生的誤差。

2? ? 實驗部分

自動顆粒計數法測定噴氣燃料水分含量試驗分為兩個部分，首先利用卡爾費休法驗證噴氣燃料水分含量與污染度測定結果之間存在線性關系，然后通過小區(qū)間的水分添加進一步探究自動顆粒計數結果與水分含量之間的對應關系。

2.1? 實驗試劑、儀器

實驗試劑：3號噴氣燃料（上海高橋煉油廠），滿足GB 6537—2006《3號噴氣燃料》指標要求;石油醚（分析純）;蒸餾水;卡爾費休試劑（山東中惠公司）。

實驗儀器：ACM 20（英國Paker公司）;微量水分測定儀（山東中惠公司）;微量進樣器（上海安亭微量進樣器廠）。

2.2? 實驗方案

2.2.1? 線性關系驗證試驗

使用1L的塑料瓶采集同一批次噴氣燃料，分別注入20×10-6、30 ×10-6、50 ×10-6、100 ×10-6、200 ×10-6、300 ×10-6的蒸餾水，配置6瓶油樣并保留1瓶油樣不加入水分作為空白試驗。

自動顆粒計數器測定，翻轉搖蕩60 s，在搖晃過程中，要避免用力過度致使大顆粒被分散成小顆粒，從而導致計數結果受到影響，同時要保證油樣在搖晃結束后1分鐘內進行測試，避免液滴聚結集中到瓶底。每個油樣進行3組試驗并取平均值作為試驗結果。

2.2.2? 對應關系探究試驗

使用1 L的塑料瓶采集同一批次噴氣燃料，將油樣過濾后加入過量蒸餾水，經48 h靜置后，取上層清樣配置測試油樣，可將其視為含有飽和溶解水的油樣。分批次加入0.5 mg/L、1.0 mg/L和2.0 mg/L的ISO MTD粉塵，然后每一批次分別注入10×10-6、20×10-6、30×10-6、40×10-6、50×10-6的蒸餾水，配置5瓶油樣并保留1瓶油樣不加入水分作為空白試驗。每個油樣進行3組試驗并取平均值作為試驗結果。

3? ? 實驗數據對比與分析

3.1? 線性關系驗證實驗

將每瓶油樣充分搖晃后，取200 mL油樣進行自動顆粒計數，測定3次取平均值。測試結果如表1和表2所示。

對表1～2的數據進行分析發(fā)現，經過卡爾費休法驗證后，基本驗證了水分含量。在逐次增加水分的加注量之后，≥30 μm（c）的顆粒污染物含量和顆粒數明顯上升，推測其原因主要是少量游離水在燃油中以大顆粒的形式存在。

≤30 μm（c）的污染顆粒數量有明顯下降，其中4～6 μm（c）與6～14 μm（c）的數量下降顯著，推測其下降的主要原因是大尺寸的液滴造成了重合現象而導致計數減少，同時不排除液滴將小顆粒的污染物包裹進去的可能性。為了確定加入的水分含量與尺寸≥30 μm（c）的顆粒污染物質量分數和顆粒數之間的關系，單獨對比每組試驗中的尺寸≥30 μm（c）的顆粒污染物的各項數據。將數據線性擬合后形成圖1和圖2。

通過圖1與圖2顯示，隨著水分含量的增長，尺寸≥30 μm（c）的顆粒污染物的顆粒數與百分含量也隨之增長。其中，圖1的線性參數R為0.962 3，大于0.9，說明兩者基本成線性關系。圖2可知線性參數R為0.953 4，也說明兩者成線性關系。由ACM20自動顆粒計數器測得的數據可知，試驗中逐漸加入更大劑量的蒸餾水后，≥30 μm（c）區(qū)間的顆粒污染物含量顯著增加。在初步證明了水分含量和自動顆粒計數結果的線性關系后，添加小劑量的水分，嘗試通過試驗找出二者的明確對應關系。

3.2? 對應關系探究實驗

按照附錄A中試驗步驟測定結果如表3～4所示。

將表2～3中數據制成折線如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著水分的增加，≥30 μm（c）粒徑下顆粒數量確有增加。從數值上看，由0.5 mg/L到2 mg/L，顆粒的數量也有增加，與ISO MTD的添加劑量成正相關。由于固體顆粒含量的不同，≥30 μm（c）粒徑下顆粒數量和水分含量之間沒有明確的數值對應，通過顆粒計數結果并不能直接推算游離水的含量。與之相似，在表3中，≥30 μm（c）粒徑下顆粒數量固然和水分含量相關，然而其結果也受自動給固體顆粒含量影響，沒有出現明確的數值對應。

雖然無法通過自動顆粒計數法準確測定水分含量，但是可以通過對≥30 μm（c）的污染度等級提出要求來降低游離水存在的可能性。從表4中可以看出，無論顆粒含量，≥30 μm（c）的污染度等級最高不超過11級，根據試驗數據和國外的質量要求建議，為保證噴氣燃料的潔凈度，因此，可將≥30μm（c）的建議要求定為11級，以此來控制微量水分的含量。

3.3? 不確定度分析

略去計算過程，求得測定結果的標準不確定度u（X1）結果如圖4所示。

通過圖4可以看出，當游離水存在時，其標準不確定度u（X1）的數值基本維持在10%～15%，數值較高，說明測定結果的重復性較差。產生這種現象的主要原因，應該從統計學角度進行分析。從之前的試驗數據分析來看，顆粒尺寸越大，數量越小，在單位體積油液中分布就更可能存在不均勻的情況，而在取樣過程中，顆粒數量越少則意味著更難取得具有代表性的油樣。同時，游離水的存在本身就會使測定結果出現較大的偏差，會降低結果的重復性。結合上一節(jié)的試驗結論綜合來說，當游離水以區(qū)間更大的形式（例如從0到300×10-6）時，較大的區(qū)間范圍可有效消除數量計量本身的統計誤差，而當區(qū)間縮小時，原有的關系就會受重復性影響。因此，微量水分和≥30 μm（c）粒徑的測定結果雖有聯系，但是在實際測定過程中可能會產生超差的現象。

4? ? 結語

本研究主要通過實驗驗證了自動顆粒計數器測定結果和水分含量之間存在的關聯性，這主要體現在≥30 μm（c）粒徑的顆粒計數數量會隨著水分含量的增加而增加，在大區(qū)間范圍下可測得二者之間的線性關系。當水分含量降低時，線性關系會受到重復性影響，容易產生誤差。其原因主要是由于統計學上造成的偏差。但是同時在污染度等級上可以發(fā)現，合格油樣≥30 μm（c）的顆粒污染度等級都處在11級以下，當以ISO 4406：1999中的11級來作為≥30 μm（c）的顆粒污染度等級要求時，可有效控制噴氣燃料中的水分含量。

[參考文獻]

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