航煤在線快評及自動加劑系統(tǒng)的實驗研究

楊東凱

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

1 概述

航空煤油（簡稱航煤）是噴氣發(fā)動機的專用燃料，一般是由直餾餾分、加氫裂化和加氫精制等組分的基礎油與抗氧劑和抗靜電劑等添加劑調(diào)和而成。作為航空燃料，其質(zhì)量好壞對航空安全至關重要，由于其特殊的應用場所和環(huán)境，使得對航煤的性能要求十分苛刻，不僅要求其具有良好的低溫流動性能，較大的凈熱值和密度，較快的燃燒速度，燃燒完全，而且更要具有良好的安定性，包括儲存安定性和熱氧化安定性以及良好的導電性。

國內(nèi)的航煤產(chǎn)品強制執(zhí)行了中華人民共和國國家標準的GB 6537—2018《3號噴氣燃料》，該標準規(guī)定了航煤技術指標，主要包括外觀、組成、揮發(fā)性、流動性、燃燒性、腐蝕性、安定性、潔凈性、導電性等9大類24個分析項目，而且對餾程、芳烴體積分數(shù)、閃點、冰點、煙點、熱氧化安定性等影響產(chǎn)品質(zhì)量的項目設定了控制指標，盡管這些項目的測定原理各不相同，但有些質(zhì)量特性之間存在一定的相關性。

航煤的電導率很低，在裝卸和加注作業(yè)中，燃料與管壁，罐壁，過濾介質(zhì)發(fā)生表面摩擦，出現(xiàn)電荷分離，產(chǎn)生靜電，往往不易導走，聚集到一定程度，電位很高，若在可燃的油氣濃度范圍內(nèi)，一旦發(fā)生靜電放電，會釀成失火事故，大量試驗研究工作表明，抗靜電添加劑可增加燃料的導電率，防止靜電失火。

目前，傳統(tǒng)的添加抗靜電劑的方法有兩種，定量加劑法和在線加劑法。定量加劑法是將航煤基礎油收集到航煤儲罐或調(diào)和罐，按照已經(jīng)收集到的基礎航煤總量按照實驗室得出的合適比例，一次性將抗靜電劑加入航煤儲罐或調(diào)和罐中，通過循環(huán)或攪拌等方式將航煤基礎油與抗靜電劑混合均勻，然后測定成品航煤的電導率，如果電導率未達到預期指標，再根據(jù)測得結果繼續(xù)添加抗靜電劑并混合均勻，直至達到或超過預期指標為止完成一批航煤產(chǎn)品調(diào)和；在線加劑法是根據(jù)實驗室測定的航煤基礎油與抗靜電劑添加比例的經(jīng)驗模型，根據(jù)當時離線檢測航煤基礎油的電導率值，人工調(diào)節(jié)設定抗靜電劑的流量，采用在線伴隨加入航煤基礎油主管線中，可以在進入收油罐之前進行快速混合然后進入收油儲罐，進入收油儲罐的調(diào)和航煤根據(jù)入罐前混合器的效果決定是否需要在收油罐中繼續(xù)混合均勻，然后人工采樣離線檢測電導率值，再根據(jù)測得結果繼續(xù)添加抗靜電劑并在收油罐中混合均勻，再次檢測決定是否再次加劑并直至達到或超過預期指標為止完成一批航煤產(chǎn)品調(diào)和。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

2.1.1 航煤基礎油

常一線加氫組分、煤柴油加氫裂化組分、蠟油加氫裂化組分等，按照生產(chǎn)現(xiàn)場混合比例與抗氧劑混合均勻。航煤基礎油的主要技術指標見表1。

表1 航煤基礎油的主要技術指標

2.1.2 抗靜電劑

采用現(xiàn)場在用同型號產(chǎn)品Stadis 450。

航煤的電導率很低，在裝卸和加注作業(yè)中，燃料與管壁、罐壁、過濾介質(zhì)發(fā)生表面摩擦，出現(xiàn)電荷分離產(chǎn)生靜電，往往不易導走，聚集到一定程度，電位很高，若在可燃的油氣濃度范圍內(nèi)，一旦發(fā)生靜電放電，會釀成失火事故，大量試驗研究工作表明，抗靜電添加劑可增加燃料的導電率，防止靜電失火。

目前國內(nèi)使用的抗靜電劑均為無灰型抗靜電劑，主要有國產(chǎn)的T1502抗靜電劑和進口的Stadis 450型抗靜電劑，二者均由聚砜、聚胺等高分子化合物與溶劑復配而成。本項目采用與現(xiàn)場相同廠家和牌號的Stadis 450型抗靜電劑進行實驗，以盡可能接近現(xiàn)場情況。Stadis 450型抗靜電劑是英諾斯派（Innospec）公司生產(chǎn)的一種無灰型有機抗靜電劑，依托其中的聚砜等有機極性聚合物的螺旋結構使得分子鏈上存在首尾相連的偶極離子提高電導率。Stadis 450型抗靜電劑是獲全球認證的可用于碳氫燃料的抗靜電劑，目前在國際范圍內(nèi)廣泛使用。該產(chǎn)品具有加劑量小，溶解速度快，能夠迅速提高燃油的導電率、能和其添加劑兼容，對航煤其他性能指標無不良影響?？轨o電劑主要技術指標見表2。

表2 抗靜電添加劑主要技術指標

2.2 實驗設備與裝置

2.2.1 電導率儀

電導率儀由傳感器、轉(zhuǎn)換器、顯示器及聯(lián)接組件組成，傳感器具有電導率感知部件和溫度感知部件，顯示元件可顯示實時溫度下的電導率值也可顯示根據(jù)數(shù)學模型換算的不同工況下的電導率值，并可在二者之間任意切換或交替顯示。傳感器是電導率測定儀的關鍵元件，傳感器測得實時信號可經(jīng)轉(zhuǎn)換在電導率測定儀就地顯示，并可將信號轉(zhuǎn)輸?shù)匠绦蛴嬎銠C用于控制單元。采用插入式傳感器，傳感器探頭深入物料內(nèi)部，現(xiàn)對于外置傳感器或套管式傳感器對物料的變化更加便捷靈敏，能夠隨時感知流過物料的瞬間變化，避免信號延遲或離線探測誤差，以便將信號實時傳遞到控制系統(tǒng)，做到實時精準調(diào)控。傳感器探頭長度保證處于物料流經(jīng)管道中心，安裝示意見圖1。

圖1 插入式傳感器安裝示意圖

傳感器參數(shù)如下：

量程：5～2 000pS/m

測量精度：±1pS/m

設計溫度：-20～+60℃

設計壓力：16bar

防爆等級：II IG Ex ia IIC T4 Ga

主要材質(zhì)：SS316

2.2.2 加劑泵

平流式計量泵。主要參數(shù)如下：

電壓：220V，50/60Hz

功率：50W

流量：≤0.1L/h

輸出信號/負載：4～20mA

防爆等級：II 2G IIC T6Gb DMT 03 ATEX E023

2.2.3 航煤泵

容積式計量泵。主要參數(shù)如下：

電壓：380V，50/60Hz

功率：2.2kW

流量：≤1m3/h

防爆等級：II 2G IIC T6Gb DMT 03 ATEX E023

2.2.4 基礎航煤罐

基礎航煤罐用于臨時儲存航煤基礎油并用于添加抗氧劑組分。主要技術參數(shù)如下：

容積：5m3

主要材質(zhì)：SS316

液位計：板式

2.2.5 收油罐

收油罐用于臨時收集儲存調(diào)和后的航煤成品。主要技術參數(shù)如下：

容積：5m3

主要材質(zhì)：SS316

液位計：板式

2.2.6 控制單元

輸出信號/負載：4～20mA/0～500Ω

通訊方式：模擬直流信號

供電：24V DC

最大負載：5W

顯示：電導率溫度狀態(tài)

2.2.7 工藝流程

將常一線加氫組分、煤柴油加氫裂化組分、蠟油加氫裂化組分等按比例與抗氧劑混合均勻的航煤基礎油用計量泵從基礎航煤罐中打出，在經(jīng)航煤主管路時與抗靜電劑合并進入快速混合器混勻后進入收油罐，通過航煤基礎油管路上安裝的在線傳感器，將采集信號轉(zhuǎn)化成相應的電導率值，根據(jù)航煤基礎油電導率的測定數(shù)值和溫度等參數(shù)補償機制和預置數(shù)學模型，通過計算機程序運算并自動發(fā)出指令實時控制調(diào)節(jié)加劑泵到合適的數(shù)值，同時預置程序可根據(jù)進入收油罐前反饋的調(diào)和航煤實際電導率值進行后評估，自動校正加劑泵的瞬時流速，從而實現(xiàn)航煤在線快速評價和抗靜電劑自動添加。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

2.2.8 系統(tǒng)控制原理

電導率儀測得信號實時上傳到處理器，經(jīng)控制單元執(zhí)行程序計算機發(fā)出指令，控制加劑泵自動加劑，作為溫度補償與測量反饋系統(tǒng)將整合為一體。系統(tǒng)控制原理圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

2.3 實驗方法

將航煤基礎油用計量泵從基礎航煤罐中打出，在經(jīng)航煤主管路時與流量調(diào)節(jié)適當?shù)目轨o電劑混合并進入混合器快速混勻進入收油罐，通過航煤基礎油管路上安裝的在線傳感器采集信號轉(zhuǎn)化成相應的電導率值，根據(jù)航煤基礎油電導率的測定數(shù)值和溫度等參數(shù)補償機制，建立抗靜電劑添加量的數(shù)學模型，通過預置計算機程序計算并調(diào)控加劑泵的流量，實現(xiàn)在線檢測航煤電導率與自動加劑。通過預設成品航煤目標電導率控制值，定時取樣并離線檢測成品航煤電導率值，與在線檢測實時數(shù)據(jù)進行比對，研究在線檢測數(shù)據(jù)相較于傳統(tǒng)離線檢測方法的可靠性。

電導率與溫度關系根據(jù)ASTM D 2624按下式計算：

式中：t1，t2為溫度，℃

Kt1，Kt2為t1，t2溫度時的電導率，pS/m

n：溫度傳導系數(shù)，℃-1

通過公式可得：

取實驗用航煤樣品，分別測定10℃和0℃時的電導率，即t1=10℃時，Kt1=148pS/m；t2=0℃時，Kt2=110pS/m。通過公式計算得溫度傳導系數(shù)n=0.013℃-1。

由此建立電導率與溫度關系模型，電導率與溫度的關系如下圖：

圖4 電導率與溫度的關系

離線電導率采用《航空燃料與熘分燃料電導率測定法》（GB/T 6539）進行測定；該標準等效采用美國試驗與材料協(xié)會標準ASTM D 2624《航空燃料與餾分燃料電導率標準試驗方法》中的部分內(nèi)容。其原理是在浸沒于燃料內(nèi)兩個電極之間施加一個直流電壓，其間所產(chǎn)生的電流以電導率的數(shù)值來表示。為避免由于離了極化所引起的誤差，在施加電壓后，立即在瞬間測量電流。本標準可采用MAIHAK MLA型電導率測定儀或EMCEE 1152型電導率測定儀。本實驗采用EMCEE 1152型電導率測定儀進行測定，實驗前采用EMCEE1152型電導率測定儀校準程序進行校正。

3 實驗結果

進行了連續(xù)在線檢測與加劑實驗，在線檢測與離線檢測結果見表3。

表3 離線電導率與在線電導率測試數(shù)據(jù)對比（單位：pS/M）

通過離線電導率與在線電導率測試數(shù)據(jù)比較可見，二者極差值均在2pS/m以內(nèi)，測量數(shù)據(jù)的重復性符合國家標準要求，與設定數(shù)值相差均不超過3pS/m，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

4 結束語

通過自動加劑時在線檢測與離線檢測數(shù)據(jù)對比可見，在設定的航煤電導率國標要求范圍內(nèi)，在線檢測自動加劑與離線檢測航煤電導率數(shù)據(jù)基本一致，航煤產(chǎn)品能夠滿足航煤生產(chǎn)工藝控制和航煤產(chǎn)品國家標準相關要求，本項目在航煤生產(chǎn)罐區(qū)工業(yè)化實施后將解決現(xiàn)有加劑工藝存在的加劑量控制困難、加劑調(diào)和周期長及加劑浪費問題。