韓一學(xué)　李漢勇

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

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燃?xì)饣Q性綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)①

韓一學(xué)1李漢勇2

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

摘要隨著城鎮(zhèn)燃?xì)舛鄽庠垂?yīng)格局的形成，不同氣源之間互換帶來(lái)的問(wèn)題日益凸顯。針對(duì)民用大氣式燃燒器，設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)驗(yàn)室研究的燃?xì)饣Q性綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)和灶具性能測(cè)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(cè)定燃具適應(yīng)域時(shí)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)；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(fèi)氣源等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞燃?xì)饣Q性多組分動(dòng)態(tài)配氣精度高響應(yīng)速度快

隨著我國(guó)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?xì)饩呤欠衿ヅ涞膯?wèn)題逐漸被提上日程。我國(guó)對(duì)燃?xì)饣Q性的研究工作剛剛起步，目前尚無(wú)統(tǒng)一的燃?xì)饣Q性理論技術(shù)可借鑒。國(guó)外的燃?xì)饣Q性判定方法究竟是否適用于我國(guó)，亦需大量實(shí)驗(yàn)工作來(lái)驗(yàn)證[1]。因此，建立多氣源互換性測(cè)試及燃?xì)饩邭赓|(zhì)適應(yīng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)探索和總結(jié)我國(guó)的燃?xì)饣Q性理論，指導(dǎo)和完善我國(guó)燃?xì)饩叩木C合設(shè)計(jì)與技術(shù)升級(jí)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾捻樌Q具有重大意義。

燃?xì)饣Q性綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性、可靠性直接決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性?？v觀國(guó)內(nèi)各燃?xì)饣Q性研究單位所用的實(shí)驗(yàn)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(fèi)燃?xì)獾葐?wèn)題，不僅增加了實(shí)驗(yàn)成本，還降低了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。針對(duì)此問(wèn)題研發(fā)了燃?xì)饣Q性綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在保證配氣精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)混氣均勻、無(wú)滯后性、節(jié)省燃?xì)庥昧康葍?yōu)點(diǎn)，與配氣軟件、燃?xì)饣Q性判定軟件共同構(gòu)成了具有較強(qiáng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能及科研研究功能的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

燃?xì)饣Q性問(wèn)題不能脫離燃具而單獨(dú)存在，必須從氣質(zhì)和燃具兩方面同時(shí)進(jìn)行研究。另外，由于實(shí)驗(yàn)室管道燃?xì)獠豢赡芫邆涓鞣N城市燃?xì)鈿庠吹亩鄻有院蛷?fù)雜性，需要自行配制替代燃?xì)狻Ｒ虼?，該燃?xì)饣Q性綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：高精度動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)和灶具性能測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。配氣系統(tǒng)主要完成各類燃?xì)獾呐浔?、混合以及壓力調(diào)節(jié)等功能；灶具性能測(cè)試系統(tǒng)則為灶具的脫火、回火、CO超標(biāo)、熱負(fù)荷、熱效率等實(shí)驗(yàn)提供測(cè)試平臺(tái)[2]。燃?xì)庖砸欢ㄅ浔冉?jīng)配氣系統(tǒng)混合均勻調(diào)壓后，直接去灶具性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行燃燒。通過(guò)觀察火焰燃燒現(xiàn)象來(lái)明確燃?xì)獾男再|(zhì)。

該系統(tǒng)可開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①多氣源之間的互換性測(cè)試；②測(cè)定典型燃?xì)饩叩娜紵匦院蜌赓|(zhì)適應(yīng)性區(qū)間，確定城市燃?xì)獾幕Q域；③A.G.A和Weaver指數(shù)法的適應(yīng)性研究；④燃燒勢(shì)公式的研究；⑤探索并研究影響燃?xì)饣Q的主要燃燒特性指標(biāo)等等。該系統(tǒng)既可以完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又可以完成科研探索性實(shí)驗(yàn)，且在科研探索性實(shí)驗(yàn)上獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

灶具性能測(cè)試系統(tǒng)通常按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)搭建，燃?xì)饣Q性系統(tǒng)的關(guān)鍵在于配氣系統(tǒng)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能的高低。因此， 重點(diǎn)介紹本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配氣子系統(tǒng)。

2.1動(dòng)態(tài)配氣子系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的配氣系統(tǒng)有四路通道(可擴(kuò)展)，可實(shí)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(lái)控制各單一組分氣體的比例，無(wú)儲(chǔ)氣設(shè)備[3]。試驗(yàn)氣各組分比例改變后不需進(jìn)行吹掃排放，即配即用。且各單一組分氣體的進(jìn)氣順序不會(huì)影響配制試驗(yàn)氣的精度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)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(guò)MFC設(shè)定各氣路的氣量，打開(kāi)調(diào)壓器前后閥門(mén)，待灶前壓力穩(wěn)定后，灶具點(diǎn)火。

該動(dòng)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(guó)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(shí)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(jí)混氣室、二級(jí)混氣室和混氣管路。兩級(jí)混氣室保證了配制氣的混合均勻，不受開(kāi)氣順序的影響。由于該配氣子系統(tǒng)未設(shè)儲(chǔ)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(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的供氣量與用氣量總是處于一種動(dòng)態(tài)平衡、即配即用的狀態(tài)。這一特點(diǎn)也進(jìn)一步促進(jìn)了配制氣的混合均勻。而常規(guī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)備，切換配氣方案時(shí)需要將儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體進(jìn)行排空吹掃，不但浪費(fèi)了燃?xì)赓Y源，還大大增加了實(shí)驗(yàn)成本。此外，不設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)備還增加了實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)的靈活性，縮短了配氣方案切換時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的響應(yīng)時(shí)間，從而使該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在做灶具的適應(yīng)域?qū)嶒?yàn)時(shí)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

調(diào)壓部分主要包括壓力傳感器、穩(wěn)壓器等結(jié)構(gòu)。當(dāng)管路中的氣體壓力超過(guò)某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷供氣；當(dāng)管路中的氣體壓力低于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)又開(kāi)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(gè)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(cè)試系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行自行設(shè)定。為了保證配氣過(guò)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(jìn)行氣相色譜成分分析。

2.2灶具性能測(cè)試系統(tǒng)

灶具性能測(cè)試系統(tǒng)主要包括各類大氣式燃燒灶具、不同型號(hào)的鋁鍋、濕式流量計(jì)、煙氣分析儀等。經(jīng)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)配制的混合均勻的燃?xì)?，?jīng)過(guò)U型壓力計(jì)和濕式流量計(jì)，進(jìn)入灶具進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，進(jìn)而測(cè)定灶具的熱負(fù)荷、熱效率等。燃燒產(chǎn)生的煙氣通過(guò)取樣環(huán)采集進(jìn)入煙氣分析儀，進(jìn)行煙氣中CO、氮氧化合物等含量的測(cè)定。灶具的正常工作壓力為2 000 Pa。離焰、回火實(shí)驗(yàn)要求灶前壓力為3 000 Pa和1 000 Pa。測(cè)定灶具的適應(yīng)域時(shí)，離焰、回火、CO超標(biāo)等現(xiàn)象需要人眼識(shí)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(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度是衡量該系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、搭建完成后，以隨機(jī)的若干組分原料氣為對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)末端管道混合氣取樣，進(jìn)行氣相色譜成分分析，以確定該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到的精度，同時(shí)測(cè)定配氣濃度改變時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢。

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)精度測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?，配制試?yàn)氣的華白數(shù)和目標(biāo)燃?xì)馊A白數(shù)的誤差應(yīng)在±2%以內(nèi)。下面以燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)中常用的幾種配氣工況為例，進(jìn)行系統(tǒng)的精度測(cè)試。

3.1.1三路原料氣運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)試

以C3H8、H2、N2三路原料氣為分析對(duì)象，理論配氣比例與氣相色譜分析的實(shí)際配氣比例及偏差見(jiàn)表1所列。

表1 三路原料氣運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)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(jī)的三路原料氣運(yùn)行時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的最大偏差為1.19%。

3.1.2四路原料氣運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)試

以CH4、H2、N2、i-C4H10四路原料氣為分析對(duì)象，理論配氣比例與氣相色譜分析的實(shí)際配氣比例及偏差見(jiàn)表2。

表2 四路原料氣運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)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(jī)的四路原料氣運(yùn)行時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的最大偏差為1.29%。

3.1.3低、中、高流量時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)試

為了測(cè)試該系統(tǒng)能否在額定流量之外的范圍內(nèi)正常工作，進(jìn)行了低、中、高3種流量下的系統(tǒng)精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(shí)，偏差較小，隨著配氣流量的降低，偏差有增大的趨勢(shì)。

表3 低、中、高流量時(shí)系統(tǒng)精度測(cè)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?jǐn)?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(jiàn)工況下的精度測(cè)試結(jié)果的誤差均在±2%以內(nèi)，經(jīng)計(jì)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(guó)標(biāo)要求，并且該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度較高。

3.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)速度測(cè)試

響應(yīng)速度也是影響實(shí)驗(yàn)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(dāng)配氣濃度改變后，測(cè)定不同時(shí)間下的混氣濃度，從而驗(yàn)證該系統(tǒng)的響應(yīng)速度。表4為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

表4 響應(yīng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)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?jǐn)?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(dāng)配氣濃度改變以后，該系統(tǒng)可以在較短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)到新配比下的配氣濃度，并隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定。其偏差均在可允許的范圍內(nèi)，可見(jiàn)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(cè)試、響應(yīng)速度測(cè)試，以及后續(xù)的大量、長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)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(jí)混氣室使混氣更加均勻；④系統(tǒng)不設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)備和緩沖罐，占地面積小，燃?xì)饧磁浼从茫冉鉀Q了切換配氣方案時(shí)燃?xì)馀趴蘸膿p的問(wèn)題，又克服了響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使該系統(tǒng)在做灶具適應(yīng)域?qū)嶒?yàn)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)；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(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，該系統(tǒng)目前只做了四路氣的配制研究，未來(lái)還可以擴(kuò)展到更多路氣體的配制。

該系統(tǒng)也存在一些明顯的缺點(diǎn)：配氣量小，僅適用于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模配氣檢測(cè)和科學(xué)研究；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察與采集均為手動(dòng)操作。后續(xù)開(kāi)發(fā)時(shí)可加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高實(shí)驗(yàn)效率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周理, 郭開(kāi)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.

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[3] 楊賢潮, 秦朝葵, 戴萬(wàn)能. 典型互換性判別法對(duì)國(guó)內(nèi)燃具適用性的實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)研究[J]. 自動(dòng)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(xiàng)目：北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“北京多氣源天然氣互換性實(shí)驗(yàn)研究”(2015J00030)；北京石油化工學(xué)院優(yōu)秀責(zé)任教授資助項(xiàng)目“基于工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐”(BIPT-POPME-2015)。

作者簡(jiǎn)介：韓一學(xué)(1990-)，女，河北任丘人，中國(guó)石油大學(xué)(北京)在讀碩士，導(dǎo)師：宮敬教授。主要研究方向?yàn)槌鞘腥細(xì)饣Q。E-mail：freeairhyx@163.com

中圖分類號(hào)：TE642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.007

收稿日期：2016-02-18；編輯：康莉