冉 毅， 席 江，丁自立， 賀 莉， 蔡 萍

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部沼氣產(chǎn)品及設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心， 成都 610041)

沼氣工程產(chǎn)氣量檢測(cè)方法及裝置

冉 毅1，2， 席 江1，2，丁自立1，2， 賀 莉1，2， 蔡 萍1

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部沼氣產(chǎn)品及設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心， 成都 610041)

基于氣體流速與流量的關(guān)系和理想氣體定律，文章提出了兩種檢測(cè)方法, 設(shè)計(jì)了兩套沼氣工程產(chǎn)氣量檢測(cè)裝置。方法1是利用沼氣輸氣管道已預(yù)留的采樣口，采用管道風(fēng)速傳感器測(cè)量沼氣流速V，再測(cè)管道截面積S，流量Q=VS，最后換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量；方法2是利用精密流量計(jì)和軟體袋組成檢測(cè)裝置連接到沼氣工程發(fā)酵裝置，精密流量計(jì)可測(cè)量氣體流量、壓力和溫度，通過理想氣體方程PV=nRT推導(dǎo)出產(chǎn)氣量計(jì)算公式。兩種方法無需沼氣工程安裝流量計(jì)，克服現(xiàn)有測(cè)量方法精確度不高、適用性不廣和測(cè)量值不具備橫向可比性等缺陷，在不同溫度和大氣壓下對(duì)沼氣工程產(chǎn)氣量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可實(shí)現(xiàn)第三方無損檢測(cè)。

沼氣工程； 產(chǎn)氣量； 檢測(cè)； 裝置； 方法

我國農(nóng)村沼氣建設(shè)從2015年起進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)階段，農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)支持規(guī)?；锾烊粴忭?xiàng)目和沼氣工程建設(shè)，在新形勢(shì)下，沼氣工程建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)與困難，亟需在沼氣項(xiàng)目管理模式、生產(chǎn)方式和補(bǔ)貼機(jī)制等方面有所創(chuàng)新[1-2]。沼氣工程產(chǎn)氣量是衡量沼氣工程建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)行效果的重要指標(biāo)之一，產(chǎn)氣量檢測(cè)是否準(zhǔn)確可靠是沼氣“終端補(bǔ)貼”的前提。目前，在沼氣工程產(chǎn)氣量檢測(cè)方面的文獻(xiàn)較少。

在目前質(zhì)檢中心的實(shí)際工作中，現(xiàn)有沼氣工程產(chǎn)氣量的測(cè)量方法有兩種：一種是利用沼氣工程輸氣管路上已安裝好的流量計(jì)，記錄24小時(shí)產(chǎn)氣量，或者換裝第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的流量計(jì)，該程序較為繁瑣：閥門關(guān)閉—停止輸氣—切斷管道—安裝流量計(jì)—檢測(cè)完成—停止輸氣—卸下流量計(jì)—連接管道；另一種方法是利用沼氣工程的濕式儲(chǔ)氣柜，測(cè)量儲(chǔ)氣柜浮罩的橫截面積，通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)浮罩上升高度，計(jì)算產(chǎn)氣量大小。前者因現(xiàn)有流量計(jì)的檢定狀態(tài)和精確度不能滿足第三方檢測(cè)需要，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溯源困難，同時(shí)，更換流量計(jì)程序繁瑣，兩次停氣，影響沼氣工程運(yùn)行安全；后者需要沼氣工程建有濕式儲(chǔ)氣柜，浮罩容積滿足沼氣工程24小時(shí)產(chǎn)氣量，且檢測(cè)期間不能用氣，若工程采用雙膜氣柜或軟體儲(chǔ)氣袋，則無法使用該方法檢測(cè)。鑒于此，筆者提出了兩種檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了兩套沼氣工程產(chǎn)氣量檢測(cè)裝置，以期為實(shí)際工作中沼氣產(chǎn)量的檢測(cè)提供相關(guān)理論支持和方法參考。

1 沼氣工程產(chǎn)氣量測(cè)量方法1

1.1 檢測(cè)裝置

設(shè)計(jì)原理：利用沼氣輸氣管道預(yù)留的采樣口或其它孔口，將傳感器與沼氣輸氣管道連接，傳感器上端用數(shù)據(jù)線將其與顯示器連接，通過傳感器下端探頭將沼氣流速、壓力和溫度的數(shù)據(jù)傳輸出來，再將流速乘以輸氣主管道橫截面積進(jìn)而得到流量(已申請(qǐng)發(fā)明專利)。

設(shè)計(jì)一種連接裝置(見圖1)，主要由管道風(fēng)速傳感器、橡皮塞、錐形套和螺帽構(gòu)成，其特征在于管道風(fēng)速傳感器插入橡皮塞中，橡皮塞裝在錐形套中，錐形套通過螺帽固定于沼氣管道的預(yù)留孔口上。錐形套上設(shè)置有限位板，用于限定橡皮塞的位置；限位板上開有傳感器孔口；螺帽通過螺紋與預(yù)留孔口連接，在螺帽與預(yù)留孔口連接處，設(shè)置有密封墊圈[3]。

1.沼氣管道； 2.預(yù)留孔口； 3.限位板； 4.傳感器孔口； 5.錐形套； 6.橡皮塞； 7.密封墊圈； 8.螺帽； 9.螺紋； 10.風(fēng)速傳感器圖1 產(chǎn)氣量檢測(cè)連接裝置

1.2 檢測(cè)步驟

如圖1所示，將橡皮塞中心打孔后，從螺帽下端塞入錐形套，塞至限位板處，并壓緊，把經(jīng)檢定或校準(zhǔn)后的風(fēng)速傳感器(德圖DT-8880，見圖2)從橡皮塞底部插入，并通過傳感器孔口，漏出傳感器的上部，根據(jù)沼氣輸氣管道內(nèi)徑調(diào)整傳感器插入長度，傳感器探頭將輸氣主管道四等分，最后把密封墊圈放入螺帽備用。

將沼氣工程輸氣主管道的閥門關(guān)閉，把預(yù)留孔口的閥門或其它連接件(如壓力表)卸下，然后把螺帽快速擰上，擰緊，使之與預(yù)留孔口牢固地連成一體。

圖2 德圖DT-8880管道風(fēng)速傳感器

在測(cè)量過程中，由于橡皮塞塞入的是錐形套，下大上小，在沼氣壓力作用下，越壓越緊，防止泄露，加之有限位板，避免了橡皮塞脫落，密封墊圈防止螺帽與預(yù)留孔口之間泄漏，以上措施均可保證裝置良好的密封性。橡皮塞和密封墊圈是易損品，用一段時(shí)間須更換，使裝置可重復(fù)使用，且能長期保證密封性。

螺帽可加工成內(nèi)絲或外絲，螺帽直徑選擇10 mm，16 mm，20 mm或其它更大的尺寸，以便適應(yīng)沼氣工程不同的預(yù)留孔口。

在整個(gè)測(cè)量過程中，注意防火、防靜電和禁止有火花產(chǎn)生的操作。

1.3 數(shù)據(jù)采集和結(jié)果計(jì)算

顯示器每5分鐘記錄并自動(dòng)存儲(chǔ)1次數(shù)據(jù)，24小時(shí)共記錄數(shù)據(jù)288組，每組數(shù)據(jù)含沼氣實(shí)測(cè)流速、沼氣壓力、沼氣溫度和大氣壓，最后進(jìn)入計(jì)算的數(shù)據(jù)是其算數(shù)平均值。將實(shí)測(cè)流速修正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流速，再乘以輸氣主管道橫截面積和檢測(cè)時(shí)間，即為沼氣工程24小時(shí)產(chǎn)氣量[4]。計(jì)算公式如下：

式中:Q為沼氣工程24小時(shí)流量，m3；V為沼氣輸氣主管道實(shí)測(cè)流速，m·s-1；t為沼氣溫度，℃；Pa為實(shí)測(cè)大氣壓，kPa；Pm為沼氣輸氣主管道實(shí)測(cè)壓力，kPa；Pv為在溫度為t時(shí)飽和水蒸氣的壓力，kPa；S為沼氣輸氣主管道橫截面積，m2；T為產(chǎn)氣時(shí)間，(3600×24)S。

2 沼氣工程產(chǎn)氣量測(cè)量方法2

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)適用于帶氣室的厭氧發(fā)酵罐。沼氣工程產(chǎn)氣量檢測(cè)系統(tǒng)(見圖3)主要由精密流量計(jì)和軟體4組成，精密流量計(jì)一端與輸氣管道上原有的測(cè)量接口連接，另一端通過閥門與軟體袋連接。通過檢定或校準(zhǔn)后的精密流量計(jì)可測(cè)量氣體流量、壓力和溫度[5]。

1.發(fā)酵罐； 2.輸氣管道； 3.精密流量計(jì)； 4.測(cè)量軟體袋； 5.閥門A； 6.閥門B； 7.閥門C圖3 產(chǎn)氣量檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 檢測(cè)原理

關(guān)閉閥門B后，可通過精密流量計(jì)測(cè)量閥門C打開前后的氣體壓力、氣體溫度和進(jìn)入軟體袋的氣體體積。打開閥門C后，軟體袋和輸氣管道的壓力在很短時(shí)間就達(dá)到平衡，這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量可忽略不計(jì)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，可得到打開閥門C前后的兩個(gè)方程，這兩個(gè)方程含兩個(gè)未知數(shù)V和n，通過這兩個(gè)方程可以計(jì)算出發(fā)酵罐氣室和輸氣管道的體積，再計(jì)算出6小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生沼氣的摩爾數(shù)，最后將摩爾數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，這便是該沼氣工程6小時(shí)內(nèi)的產(chǎn)氣量[7]。

2.3 檢測(cè)步驟

第1步：關(guān)閉閥門A、閥門B和閥門C，安裝檢測(cè)系統(tǒng)；

第2步：打開閥門A，待精密流量計(jì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取大氣壓力P0，沼氣壓力P1，氣體溫度T1和流量度數(shù)Q，設(shè)此時(shí)發(fā)酵罐和輸氣管道中沼氣摩爾數(shù)為n1，由PV=nRT，得：

(P0+P1)V=n1RT1

(1)

(2)

第4步：打開閥門C，讓沼氣經(jīng)精密流量計(jì)進(jìn)入軟體袋，此時(shí)，發(fā)酵罐和輸氣管道中的壓力會(huì)下降，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，讀取沼氣壓力P3，氣體溫度T3和流量度數(shù)Q/，由PV=nRT，得：

(3)

2.4 結(jié)果計(jì)算

2.4.1 發(fā)酵罐氣室和輸氣管道體積V的計(jì)算

由2.3中公式(2)和公式(3)推導(dǎo)：

得出：

(4)

2.4.2 沼氣工程產(chǎn)沼氣摩爾數(shù)Δn的計(jì)算

由公式(1)得：

n1=(P0+P1)V/RT1

(5)

由公式(2)得：

(6)

根據(jù)公式(5)和公式(6)，得：

(7)

將公式(4)代入公式(7)，得：

(8)

2.4.3 將沼氣摩爾數(shù)Δn換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積ΔV

通常產(chǎn)氣量一般用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積表示，所以需要將產(chǎn)生沼氣摩爾數(shù)Δn換算成該摩爾數(shù)的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積ΔV。

由PΔV=ΔnRT，得：

ΔV=ΔnRT/P

(9)

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，壓力為101325 Pa，溫度為273.15 K，將公式(8)代入公式(9)，得：

(10)

通過公式(10)可計(jì)算沼氣工程6小時(shí)內(nèi)的產(chǎn)氣量，沼氣工程產(chǎn)氣量一般以24小時(shí)來計(jì)，要使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確可靠，可連續(xù)重復(fù)上述檢測(cè)步驟4次，對(duì)于發(fā)酵溫度恒定，產(chǎn)氣速率波動(dòng)較小的沼氣工程，也可用檢測(cè)1次結(jié)果的4倍來計(jì)算(已申請(qǐng)發(fā)明專利)。

3 結(jié)語

沼氣產(chǎn)量檢測(cè)方法1操作較為便捷，數(shù)據(jù)為儀器自動(dòng)采集，計(jì)算也較為簡單；沼氣產(chǎn)量檢測(cè)方法2準(zhǔn)確度更高，但人工采集的數(shù)據(jù)較多，計(jì)算稍顯復(fù)雜。方法2不能一次性檢測(cè)24小時(shí)產(chǎn)氣量，一是需要軟體儲(chǔ)氣袋的容積太大，不便于攜帶；二是24小時(shí)產(chǎn)生的沼氣憋在發(fā)酵罐較小的氣室內(nèi)會(huì)抑制產(chǎn)氣，還存在一定的安全隱患。因此根據(jù)沼氣工程的產(chǎn)氣特點(diǎn)，方法2也可縮短測(cè)量時(shí)間(1小時(shí)，2小時(shí)，3小時(shí)等)，增加測(cè)量次數(shù)。

上述兩種方法都無需沼氣工程已安裝流量計(jì)，克服了現(xiàn)有測(cè)量方法精確度不高、適用性不廣和測(cè)量值不具備橫向可比性等缺陷，在不同溫度和大氣壓下對(duì)沼氣工程產(chǎn)氣量的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，采用經(jīng)檢定或校準(zhǔn)后的儀器，可實(shí)現(xiàn)第三方無損檢測(cè)。

[1] 董保成，王久臣，李景明，等.沼氣標(biāo)準(zhǔn)體系的研[J].中國沼氣，2014,32(2)：3-5.

[2] 冉 毅，蔡 萍,黃家鵠，等.國內(nèi)外沼氣提純生物天然氣技術(shù)研究及應(yīng)用[J].中國沼氣，2016，(05)：61-66.

[3] 冉 毅，丁自立，彭德全，等.沼氣輸氣管道流量校準(zhǔn)裝置[P].中國專利,2016202045177，2016-08-17.

[4] Miller R W，孫延祚.流量測(cè)量工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[5] 席 江，彭德全，丁自立，等.沼氣工程產(chǎn)氣量測(cè)試系統(tǒng)[P].中國專利,2016202539656.2016-08-10.

[6] J F Douglas，J M Gasiorek，J A Swaffield.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1992.

[7] 趙凱華.理想氣體狀態(tài)方程與焦耳定律相互獨(dú)立嗎[J].大學(xué)物理，2001(12)：1-2.

TwoGasMeasuringMethodsandTheirDevicesforAnaerobicPlants

RANYi1,2,XIJiang1,2,DINGZi-li1,2,HELi1,2,CAIPing1

(1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture,Chengdu610041,China; 2.BiogasApplianceQualitySupervisionandInspectionCenter,Chengdu610041,China)

Two sets of biogas measuring devices were designed based on the ideal gas law and relations of gas flow velocity with the amount of flow.One method is to measure gas velocity V with wind speed sensor, and then calculate the amount of flow in a standard state according to the pipeline cross-section area S,the amount of flow is:Q=VS.Another method is to use a precision flow meter and a gas bag, which measures the gas flow rate, pressure and temperature, and then calculate the amount of flow in a standard state based on the ideal gas equation:PV = nRT.These two methods could overcome defects such as low accuracy of existing measurement methods, inadequate applicability and low horizontal comparability for measured value.And the two methods could be used under different temperature and atmospheric pressure with accurate and reliable result.

Biogas engineering; Gas production; Testing devices and methods

2017-10-09

項(xiàng)目來源： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(沼氣工程關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)研究)； 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(CAAS-ASTIP-2015-BIOMA)

冉 毅(1982- )，男，工程師，主要從事沼氣工程檢測(cè)技術(shù)及生物質(zhì)能源政策研究等工作，E-mail：ranyi123@163.com

蔡 萍， E-mail：caiping@caas.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)06-0066-04