燃气互换性综合实验系统的设计①

韩一学　李汉勇

1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室 2.北京石油化工学院机械工程学院



燃气互换性综合实验系统的设计①

韩一学1李汉勇2

1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室 2.北京石油化工学院机械工程学院

摘要随着城镇燃气多气源供应格局的形成，不同气源之间互换带来的问题日益凸显。针对民用大气式燃烧器，设计了一种用于实验室研究的燃气互换性综合实验系统，包括动态配气系统和灶具性能测试系统。该系统配气精度高、响应速度快、即配即用、数字化灵活配气、连续可调，尤其在测定燃具适应域时独具优势；解决了现有系统占地面积大、混气不均、滞后性大、排空浪费气源等问题。

关键词燃气互换性多组分动态配气精度高响应速度快

随着我国气源多元化、供应网络化的供气格局逐渐形成，现存气源之间能否互换，以及与已有燃气具是否匹配的问题逐渐被提上日程。我国对燃气互换性的研究工作刚刚起步，目前尚无统一的燃气互换性理论技术可借鉴。国外的燃气互换性判定方法究竟是否适用于我国，亦需大量实验工作来验证[1]。因此，建立多气源互换性测试及燃气具气质适应性测试实验平台，通过大量实验来探索和总结我国的燃气互换性理论，指导和完善我国燃气具的综合设计与技术升级，对我国实现燃气的顺利互换具有重大意义。

燃气互换性综合实验系统作为燃气互换性实验的基础，其准确性、可靠性直接决定了实验结果的可靠性。纵观国内各燃气互换性研究单位所用的实验系统发现，配气精度虽能保证，但常存在混气不均、滞后性大、排空浪费燃气等问题，不仅增加了实验成本，还降低了实验的准确性。针对此问题研发了燃气互换性综合实验系统，该系统能够在保证配气精度的基础上实现混气均匀、无滞后性、节省燃气用量等优点，与配气软件、燃气互换性判定软件共同构成了具有较强教学实验功能及科研研究功能的综合实验系统。

1实验系统介绍

燃气互换性问题不能脱离燃具而单独存在，必须从气质和燃具两方面同时进行研究。另外，由于实验室管道燃气不可能具备各种城市燃气气源的多样性和复杂性，需要自行配制替代燃气。因此，该燃气互换性综合实验系统包括两个子系统：高精度动态配气系统和灶具性能测试系统，如图1所示。配气系统主要完成各类燃气的配比、混合以及压力调节等功能；灶具性能测试系统则为灶具的脱火、回火、CO超标、热负荷、热效率等实验提供测试平台[2]。燃气以一定配比经配气系统混合均匀调压后，直接去灶具性能测试系统进行燃烧。通过观察火焰燃烧现象来明确燃气的性质。

该系统可开展以下实验项目：①多气源之间的互换性测试；②测定典型燃气具的燃烧特性和气质适应性区间，确定城市燃气的互换域；③A.G.A和Weaver指数法的适应性研究；④燃烧势公式的研究；⑤探索并研究影响燃气互换的主要燃烧特性指标等等。该系统既可以完成验证性实验，又可以完成科研探索性实验，且在科研探索性实验上独具优势。

2实验系统原理

灶具性能测试系统通常按照国家标准搭建，燃气互换性系统的关键在于配气系统，其准确性直接关系到综合实验系统性能的高低。因此， 重点介绍本系统的动态配气子系统。

2.1动态配气子系统

该实验系统中的配气系统有四路通道(可扩展)，可实现三组分、四组分的配气。使用高压干式瓶，采用质量流量控制器来控制各单一组分气体的比例，无储气设备[3]。试验气各组分比例改变后不需进行吹扫排放，即配即用。且各单一组分气体的进气顺序不会影响配制试验气的精度。进行实验时，先打开高压气瓶后的减压阀，将各减压阀调至同一压力，然后通过MFC设定各气路的气量，打开调压器前后阀门，待灶前压力稳定后，灶具点火。

该动态配气系统由3部分组成：流量控制部分、混气部分、调压部分，且整套系统结构具有防爆功能。

流量控制部分采用国外高精度质量流量控制器(MFC)控制。由于MFC控制的是气体实际的质量流量，而不是体积流量，因此，配气将不受环境温度和压力变化的影响[4]。此外，控制和显示装置为了便于配气操作，采用数字显示仪表，其示数为转换后的体积流量，从而使输入更加直观，操作调节更加方便。

混气部分包括一级混气室、二级混气室和混气管路。两级混气室保证了配制气的混合均匀，不受开气顺序的影响。由于该配气子系统未设储气设备和缓冲罐，因此,其供气量的大小完全取决于后面的灶具性能测试系统，整个系统的供气量与用气量总是处于一种动态平衡、即配即用的状态。这一特点也进一步促进了配制气的混合均匀。而常规实验系统均设储气设备，切换配气方案时需要将储罐内的气体进行排空吹扫，不但浪费了燃气资源，还大大增加了实验成本。此外，不设储气设备还增加了实验调节的灵活性，缩短了配气方案切换时实验现象的响应时间，从而使该综合实验系统在做灶具的适应域实验时独具优势。

调压部分主要包括压力传感器、稳压器等结构。当管路中的气体压力超过某一设定值时，系统自动切断供气；当管路中的气体压力低于某一设定值时，系统又开始重新按配比供气，从而保证了配气浓度不变且供气不中断。这两个设定值——压力高位值和压力低位值，可根据后面的灶具性能测试系统的适应性进行自行设定。为了保证配气过程的安全和精度，在稳压器的末端留有取样口，方便取样，以进行气相色谱成分分析。

2.2灶具性能测试系统

灶具性能测试系统主要包括各类大气式燃烧灶具、不同型号的铝锅、湿式流量计、烟气分析仪等。经动态配气系统配制的混合均匀的燃气，经过U型压力计和湿式流量计，进入灶具进行点火燃烧，进而测定灶具的热负荷、热效率等。燃烧产生的烟气通过取样环采集进入烟气分析仪，进行烟气中CO、氮氧化合物等含量的测定。灶具的正常工作压力为2 000 Pa。离焰、回火实验要求灶前压力为3 000 Pa和1 000 Pa。测定灶具的适应域时，离焰、回火、CO超标等现象需要人眼识别判断，人工触发记录的方式完成火焰状态变换临界点的数据采集。

3实验系统测试

准确性与响应速度是衡量该系统性能的两个重要指标。在该实验系统设计、搭建完成后，以随机的若干组分原料气为对象，对系统末端管道混合气取样，进行气相色谱成分分析，以确定该实验系统达到的精度，同时测定配气浓度改变时系统响应速度的快慢。

3.1实验系统精度测试

根据标准GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》要求，配制试验气的华白数和目标燃气华白数的误差应在±2%以内。下面以燃气互换性实验中常用的几种配气工况为例，进行系统的精度测试。

3.1.1三路原料气运行时系统精度测试

以C3H8、H2、N2三路原料气为分析对象，理论配气比例与气相色谱分析的实际配气比例及偏差见表1所列。

表1 三路原料气运行时系统精度测试结果y/%Table1 Systemaccuracytestofthreekindsofgas气体名称理论值色谱仪分析数据样气偏差值C3H856.4357.561.13H212.8112.870.06N230.7629.57-1.19

由表1数据可知，随机的三路原料气运行时，测试系统的最大偏差为1.19%。

3.1.2四路原料气运行时系统精度测试

以CH4、H2、N2、i-C4H10四路原料气为分析对象，理论配气比例与气相色谱分析的实际配气比例及偏差见表2。

表2 四路原料气运行时系统精度测试结果y/%Table2 Systemaccuracytestoffourkindsofgas气体名称理论值色谱仪分析数据样气偏差值CH448.0049.251.25H218.0618.730.67N223.4922.86-0.63i-C4H1010.459.16-1.29

由表2数据可知，随机的四路原料气运行时，测试系统的最大偏差为1.29%。

3.1.3低、中、高流量时系统精度测试

为了测试该系统能否在额定流量之外的范围内正常工作，进行了低、中、高3种流量下的系统精度测试，测试结果见表3。

由表3数据可以看出，该系统在正常流量、高流量下工作时，偏差较小，随着配气流量的降低，偏差有增大的趋势。

表3 低、中、高流量时系统精度测试结果y/%Table3 Systemaccuracytestresultsunderlow,medium,andhighflow气体名称理论值色谱仪分析样气摩尔分数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

从以上几组数据可以看出,几种常见工况下的精度测试结果的误差均在±2%以内，经计算，所配气的沃泊指数和理论气沃泊指数的误差在±1%以内，符合国标要求，并且该实验系统的精度较高。

3.2实验系统响应速度测试

响应速度也是影响实验系统性能优劣的重要因素之一。设定一种配气浓度，当配气浓度改变后，测定不同时间下的混气浓度，从而验证该系统的响应速度。表4为实验测试结果。

表4 响应度实验测试结果y/%Table4 Systemresponsitivitytestresults气体名称初始方案值切换后方案值色谱仪分析样气摩尔分数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数据可以看出，当配气浓度改变以后，该系统可以在较短时间内迅速恢复到新配比下的配气浓度，并随时间的增长逐渐趋于稳定。其偏差均在可允许的范围内，可见该系统在浓度切换后的响应速度较快。

4结 论

经上述精度测试、响应速度测试，以及后续的大量、长期实验表明:①该系统具有很高的稳定性，配气精度高，不受环境参数的影响；②数字化控制显示仪表连续可调，配气更加灵活；③两级混气室使混气更加均匀；④系统不设储气设备和缓冲罐，占地面积小，燃气即配即用，既解决了切换配气方案时燃气排空耗损的问题，又克服了响应速度慢的缺点，大大缩短了实验时间，使该系统在做灶具适应域实验方面独具优势；⑤整套系统均由防爆装置组成，非常适合易燃、易爆气体的实验测试。根据实验需要，该系统目前只做了四路气的配制研究，未来还可以扩展到更多路气体的配制。

该系统也存在一些明显的缺点：配气量小，仅适用于实验室小规模配气检测和科学研究；实验现象、实验数据的观察与采集均为手动操作。后续开发时可加入数据采集系统，使其实现自动化，提高实验效率。

参 考 文 献

[1] 周理, 郭开华, 皇甫立霞, 等. 天然气互换性判别方法研究[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(6): 642-646.

[2] 高文学. 城市燃气互换性理论及应用研究[D]. 天津： 天津大学, 2010.

[3] 杨贤潮, 秦朝葵, 戴万能. 典型互换性判别法对国内燃具适用性的实验研究[J]. 石油与天然气化工, 2012, 41(1): 48-52.

[4] 赵建华, 兰华永, 陈滋健, 等. 基于质量流量控制器的多组分动态配气系统研究[J]. 自动化仪表, 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

基金项目：北京市大学生科学研究与创业行动计划项目“北京多气源天然气互换性实验研究”(2015J00030)；北京石油化工学院优秀责任教授资助项目“基于工程教育专业认证理念的油气储运工程专业人才培养模式的研究与实践”(BIPT-POPME-2015)。

作者简介：韩一学(1990-)，女，河北任丘人，中国石油大学(北京)在读硕士，导师：宫敬教授。主要研究方向为城市燃气互换。E-mail：freeairhyx@163.com

中图分类号：TE642

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.007

收稿日期：2016-02-18；编辑：康莉