陳柄昊 胡建強(qiáng) 郭力 楊士釗

摘? ?要：顆粒污染物的污染度檢測(cè)對(duì)于保證噴氣燃料質(zhì)量具有重要意義。自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法作為目前運(yùn)用較為成熟的新型技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)噴氣燃料進(jìn)行污染度測(cè)定。然而，油中存在的游離水會(huì)對(duì)自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器產(chǎn)生干擾影響。從前期試驗(yàn)來(lái)看，自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器的測(cè)定結(jié)果與噴氣燃料中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定的相關(guān)性。本文首先通過(guò)添加大區(qū)間范圍的游離水來(lái)驗(yàn)證計(jì)數(shù)結(jié)果和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)說(shuō)明了≥30 μm（c）顆粒和水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在線性關(guān)系。然后通過(guò)添加小劑量的水分的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)以ISO 4406標(biāo)準(zhǔn)中污染度等級(jí)代號(hào)11級(jí)來(lái)要求≥30μm（c）顆粒時(shí)，可有效控制水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

關(guān)鍵詞：噴氣燃料;污染度;顆粒計(jì)數(shù);水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

噴氣燃料中常見(jiàn)的污染物除了固體顆粒外就是水分雜質(zhì)，廣義上的污染度測(cè)定也包括測(cè)定油樣中的水分雜質(zhì)。水分是噴氣燃料中常見(jiàn)的雜質(zhì)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(lái)說(shuō)，液體燃料中基本不含水分，但在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加注過(guò)程中可能由于各種原因混入水分。噴氣燃料中混入水分會(huì)產(chǎn)生一系列危害：水分會(huì)引起容器和機(jī)械的腐蝕;低溫時(shí)，水分凝結(jié)成冰粒，會(huì)堵塞油路;燃油中的水分還會(huì)促進(jìn)膠質(zhì)的產(chǎn)生[1]。因此，測(cè)定監(jiān)控噴氣燃料中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是保證燃油質(zhì)量的重要保證之一。

1? ? 測(cè)定監(jiān)控噴氣燃料中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)概述

自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器是利用光學(xué)傳感器對(duì)油液中的固體顆粒進(jìn)行測(cè)定的儀器，既可以在實(shí)驗(yàn)室也可以直接在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)油液。該儀器能夠測(cè)出顆粒數(shù)目和尺寸的分布情況[2]。它的工作原理主要是通過(guò)遮光傳感器接受被顆粒遮擋后的光通量，并將之轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器傳輸?shù)接?jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)國(guó)外的相關(guān)研究[3]，由于在燃油中存在的微小液滴也具有遮光效果，當(dāng)存在微量游離水時(shí)，自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)定的大尺寸顆粒數(shù)目會(huì)有所上升[4]。本研究將通過(guò)試驗(yàn)分析噴氣燃料中微量游離水與自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果之間的相關(guān)性。

自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法與游離水質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在潛在聯(lián)系的理論基礎(chǔ)是由于微小水滴對(duì)于自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器中光線的遮弊作用，通過(guò)改變光通量，微小水滴可使光電傳感器產(chǎn)生誤判[5]。但是事實(shí)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(huì)因?yàn)槊芏葐?wèn)題產(chǎn)生積聚、沉降的現(xiàn)象，且在外力作用下可能會(huì)導(dǎo)致水滴大小尺寸發(fā)生改變。相較于固體顆粒，從理論上說(shuō)，水滴在油中的分布更難均勻，因此測(cè)定的數(shù)據(jù)重復(fù)性很可能會(huì)較差。

為了能較準(zhǔn)確地測(cè)定水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果之間的相關(guān)性，應(yīng)采取合適的試驗(yàn)步驟，從方法上降低誤差的產(chǎn)生。同時(shí)，針對(duì)游離水分布不均勻的情況，應(yīng)當(dāng)首先擴(kuò)大水分的添加范圍，增大加入水分的最大量，利用數(shù)量上的增加減小統(tǒng)計(jì)學(xué)上產(chǎn)生的誤差。

2? ? 實(shí)驗(yàn)部分

自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法測(cè)定噴氣燃料水分含量試驗(yàn)分為兩個(gè)部分，首先利用卡爾費(fèi)休法驗(yàn)證噴氣燃料水分含量與污染度測(cè)定結(jié)果之間存在線性關(guān)系，然后通過(guò)小區(qū)間的水分添加進(jìn)一步探究自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果與水分含量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1? 實(shí)驗(yàn)試劑、儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：3號(hào)噴氣燃料（上海高橋煉油廠），滿足GB 6537—2006《3號(hào)噴氣燃料》指標(biāo)要求;石油醚（分析純）;蒸餾水;卡爾費(fèi)休試劑（山東中惠公司）。

實(shí)驗(yàn)儀器：ACM 20（英國(guó)Paker公司）;微量水分測(cè)定儀（山東中惠公司）;微量進(jìn)樣器（上海安亭微量進(jìn)樣器廠）。

2.2? 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1? 線性關(guān)系驗(yàn)證試驗(yàn)

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(yàn)。

自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)定，翻轉(zhuǎn)搖蕩60 s，在搖晃過(guò)程中，要避免用力過(guò)度致使大顆粒被分散成小顆粒，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果受到影響，同時(shí)要保證油樣在搖晃結(jié)束后1分鐘內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，避免液滴聚結(jié)集中到瓶底。每個(gè)油樣進(jìn)行3組試驗(yàn)并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2.2.2? 對(duì)應(yīng)關(guān)系探究試驗(yàn)

使用1 L的塑料瓶采集同一批次噴氣燃料，將油樣過(guò)濾后加入過(guò)量蒸餾水，經(jīng)48 h靜置后，取上層清樣配置測(cè)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(yàn)。每個(gè)油樣進(jìn)行3組試驗(yàn)并取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

3.1? 線性關(guān)系驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

將每瓶油樣充分搖晃后，取200 mL油樣進(jìn)行自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)，測(cè)定3次取平均值。測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

對(duì)表1～2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)卡爾費(fèi)休法驗(yàn)證后，基本驗(yàn)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(shù)明顯上升，推測(cè)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(shù)量有明顯下降，其中4～6 μm（c）與6～14 μm（c）的數(shù)量下降顯著，推測(cè)其下降的主要原因是大尺寸的液滴造成了重合現(xiàn)象而導(dǎo)致計(jì)數(shù)減少，同時(shí)不排除液滴將小顆粒的污染物包裹進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)和顆粒數(shù)之間的關(guān)系，單獨(dú)對(duì)比每組試驗(yàn)中的尺寸≥30 μm（c）的顆粒污染物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)線性擬合后形成圖1和圖2。

通過(guò)圖1與圖2顯示，隨著水分含量的增長(zhǎng)，尺寸≥30 μm（c）的顆粒污染物的顆粒數(shù)與百分含量也隨之增長(zhǎng)。其中，圖1的線性參數(shù)R為0.962 3，大于0.9，說(shuō)明兩者基本成線性關(guān)系。圖2可知線性參數(shù)R為0.953 4，也說(shuō)明兩者成線性關(guān)系。由ACM20自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)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(dòng)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果的線性關(guān)系后，添加小劑量的水分，嘗試通過(guò)試驗(yàn)找出二者的明確對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2? 對(duì)應(yīng)關(guān)系探究實(shí)驗(yàn)

按照附錄A中試驗(yàn)步驟測(cè)定結(jié)果如表3～4所示。

將表2～3中數(shù)據(jù)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(shù)量確有增加。從數(shù)值上看，由0.5 mg/L到2 mg/L，顆粒的數(shù)量也有增加，與ISO MTD的添加劑量成正相關(guān)。由于固體顆粒含量的不同，≥30 μm（c）粒徑下顆粒數(shù)量和水分含量之間沒(méi)有明確的數(shù)值對(duì)應(yīng)，通過(guò)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)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(shù)量固然和水分含量相關(guān)，然而其結(jié)果也受自動(dòng)給固體顆粒含量影響，沒(méi)有出現(xiàn)明確的數(shù)值對(duì)應(yīng)。

雖然無(wú)法通過(guò)自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法準(zhǔn)確測(cè)定水分含量，但是可以通過(guò)對(duì)≥30 μm（c）的污染度等級(jí)提出要求來(lái)降低游離水存在的可能性。從表4中可以看出，無(wú)論顆粒含量，≥30 μm（c）的污染度等級(jí)最高不超過(guò)11級(jí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和國(guó)外的質(zhì)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(jí)，以此來(lái)控制微量水分的含量。

3.3? 不確定度分析

略去計(jì)算過(guò)程，求得測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（X1）結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)圖4可以看出，當(dāng)游離水存在時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（X1）的數(shù)值基本維持在10%～15%，數(shù)值較高，說(shuō)明測(cè)定結(jié)果的重復(fù)性較差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因，應(yīng)該從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行分析。從之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，顆粒尺寸越大，數(shù)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(guò)程中，顆粒數(shù)量越少則意味著更難取得具有代表性的油樣。同時(shí)，游離水的存在本身就會(huì)使測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，會(huì)降低結(jié)果的重復(fù)性。結(jié)合上一節(jié)的試驗(yàn)結(jié)論綜合來(lái)說(shuō)，當(dāng)游離水以區(qū)間更大的形式（例如從0到300×10-6）時(shí)，較大的區(qū)間范圍可有效消除數(shù)量計(jì)量本身的統(tǒng)計(jì)誤差，而當(dāng)區(qū)間縮小時(shí)，原有的關(guān)系就會(huì)受重復(fù)性影響。因此，微量水分和≥30 μm（c）粒徑的測(cè)定結(jié)果雖有聯(lián)系，但是在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生超差的現(xiàn)象。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)定結(jié)果和水分含量之間存在的關(guān)聯(lián)性，這主要體現(xiàn)在≥30 μm（c）粒徑的顆粒計(jì)數(shù)數(shù)量會(huì)隨著水分含量的增加而增加，在大區(qū)間范圍下可測(cè)得二者之間的線性關(guān)系。當(dāng)水分含量降低時(shí)，線性關(guān)系會(huì)受到重復(fù)性影響，容易產(chǎn)生誤差。其原因主要是由于統(tǒng)計(jì)學(xué)上造成的偏差。但是同時(shí)在污染度等級(jí)上可以發(fā)現(xiàn)，合格油樣≥30 μm（c）的顆粒污染度等級(jí)都處在11級(jí)以下，當(dāng)以ISO 4406：1999中的11級(jí)來(lái)作為≥30 μm（c）的顆粒污染度等級(jí)要求時(shí)，可有效控制噴氣燃料中的水分含量。

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