CN101910727B

CN101910727B - 流量控制装置

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Publication number: CN101910727B
Application number: CN200980102101.7A
Authority: CN
Inventors: 伊势谷顺一
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP5107063B2; US20100269922A1; CN101910727A; JP2009162436A; EP2241810B1; EP2241810A1; WO2009088017A1; EP2241810A4; US8640731B2

Abstract

本发明的流量控制装置包括：具有流量调整阀(2)的燃料气体的供给流路(11)；配置在此供给流路(11)上的热式质量流量传感器(3)；计算部(6)，其基于热式传感器(3)的输出计算燃料气体的热量流量(Fc)，此热量流量(Fc)由燃料气体的体积流量(Fv)与燃料气体单位体积的平均发热量(Qv)的积定义；以及流量控制部(5)，其基于用于控制热量流量(Fc)的控制目标值(Fo)与由计算部(6)算出的热量流量(Fc)之间的偏差控制流量调整阀(2)的开度。

Description

流量控制装置

技术领域

本发明涉及一种流量控制装置，其着眼于燃料气体所具有的发热量，对燃料气体的供给量进行控制。

背景技术

当使用燃烧器使燃料气体燃烧时，在向燃烧器供给燃料气体之前，使燃料气体与空气混合，将这些燃料气体和空气的混合气体提供给燃烧器。要使此混合气体、即燃料气体的燃烧状态最佳化（完全燃烧化），对于混和气体的空燃比（A/F）的控制是必不可少的。

这种A/F控制，分别测量混和气体中的燃料气体和空气的供给量（质量流量），基于这些测量结果，调整气体的供给量和/或空气的供给量，从而将空燃比A/F维持为一定的理想空燃比（例如参照专利文献1）。例如，在气体和空气的供给量的测量中使用热式质量流量计。

另一方面，在混和气体的生成中，使用组成不同的多种燃料气体，另外，即使所使用燃料气体为同一种，有时其组成也会有所变化。在这种情况下，为了实施上述A/F控制，求出所使用的燃料气体的燃烧热量或每单位时间的发热量，将燃烧热量或发热量反映在A/F控制中（例如参考专利文献2）。

又，在混和气体的生成中，也存在除了空气以外还使用氧气的情况，在这种情况下，为进行A/F控制和O₂/F控制（这里称为氧燃比控制）而分别测量燃料气体、空气以及氧气各自的质量流量（例如参考专利文献3）。

专利文献1：日本特开2002-267159号公报

专利文献2：日本特开2003-35612号公报

专利文献3：日本特开2007-87029号公报

发明内容

发明要解决的课题

当上述燃烧器用于玻璃管的封闭工序等时，要求对混和气体、即燃料气体的燃烧量进行高精度的控制。即，像上述那样，基于热式质量流量计所测出的燃料气体的质量流量来控制燃料气体的供给量，并且，为使混和气体中的燃料、空气和/或氧气分别具有理想的混合比，控制空气和/或氧气相对于燃料气体的供给量。

然而，即使实施这样的控制，当燃料气体的组成发生变化时，含有燃料气体的混合气体的燃烧热量和每单位时间的发热量也无法维持为所期望的管理值，另一方面，由于混合气体中的燃料气体的密度也发生了变化，空气和/或氧气相对于燃料气体的混合比也会偏离理想值，其结果导致燃料气体的不完全燃烧。

本发明的目的在于提供一种流量控制装置，可以不受燃料气体的组成差异和变化的限制，基于燃料气体的发热量对燃料气体的流量进行控制，例如将燃料气体以一定的发热量稳定地供给。

解决课题的方法

上述目的可以通过本发明的流量控制装置来达成，此流量控制装置具有：流量调整阀，其配置在燃料气体的供给流路上，能够调整上述燃料气体的流量；热式质量流量传感器，其配置在上述供给流路上，用于测量上述燃料气体的质量流量，包括对检测面附近的上述燃料气体进行加热的加热器、以及检测所加热的上述燃料气体的温度分布的两个温度传感器，将这些温度传感器所检测的温度差作为质量流量输出；计算部，其基于上述热式质量流量传感器的输出计算上述燃料气体的热量流量，此热量流量由上述燃料气体的体积流量与上述燃料气体单位体积的平均发热量的积定义；以及流量控制部，其基于用于控制热量流量的控制目标值与由上述计算部算出的热量流量之间的偏差，对上述流量调整阀的开度进行控制，上述计算部根据上述燃料气体的密度与热扩散率的倒数之间的比例关系、以及上述燃料气体的密度与单位体积的平均发热量之间的比例关系，得出上述燃料气体的热扩散率的倒数与单位体积的平均发热量具有相关关系，并且进一步根据所述温度分布随着上述燃料气体的热扩散率和体积流量的变化而变化，得出上述热式质量流量传感器所输出的上述燃料气体的质量流量与单位体积的平均发热量成比例且与体积流量成比例，由此得到上述热式质量流量传感器所输出的上述燃料气体的质量流量与上述燃料气体的热量流量的对应关系，上述计算部含有基于该对应关系预先求得的上述热式质量流量传感器的输出与上述燃料气体的热量流量的关系图，上述燃料气体是烃类可燃气体。

具体来讲，燃料气体采用如城市用气和天然气那样的含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烃类可燃气体。

计算部含有预先求得的上述热式质量流量传感器的输出与上述燃料气体的热量流量的关系图。这种情况下，计算部可以根据关系图求出与热式质量流量传感器的输出相对应的燃料气体的热量流量。

本发明的流量控制装置最好还具有：其它计算部，其用于计算燃料气体每单位体积的计算发热量；以及运算部，其用来对计算发热量与基准状态下的燃料气体每单位体积的基准发热量的比值进行运算。

具体来讲，其它计算部在燃料气体的流通处于停止状态时，依据热式传感器的输出算出计算发热量，或者，具有用于对计算发热量进行计算的其它的热式传感器。

又，当热式传感器的驱动条件分两个阶段变化时，其它计算部也可以分别求出在各个阶段中的热式传感器的输出，基于这些输出算出计算发热量。

发明的效果

本发明的流量控制装置基于热式质量流量传感器的输出求得热量流量，该热量流量由燃料气体的体积流量与燃料气体单位体积的平均发热量的积，为了使求得的热量流量与控制目标值一致而控制流量调整阀的开度，因此燃料气体的供给量具有与控制目标值相对应的一定的热量流量。

其结果，即使燃料气体的组成（种类）与所希望的组成（种类）不同，或者，燃料气体的组成本身发生变化，由于本发明的流量控制装置着眼于燃料气体的发热量来控制该燃料气体的热量流量，因此可以以一定发热量稳定且有效地供给燃料气体。

如果预先准备有上述关系图，根据热式质量流量传感器的输出能够简单地求得燃料气体的热量流量，当实施燃料气体的燃烧控制时，可以减轻本发明的流量控制装置的负荷。

又，如果计算出上述发热量的比值，本发明的流量控制装置就可以容易捕捉到燃料气体的发热量的变化，甚至也可以检测出燃料气体的组成变化。

附图说明

图1是概要表示本发明的一个实施例的流量控制装置的框图。

图2是表示图1的流量控制装置的结构的图。

图3是表示与烃类可燃气体相关的燃料气体的密度与热扩散率α的倒数（1/α）之间的关系的图表。

图4是表示与烃类可燃气体相关的燃料气体的密度与燃料气体每单位体积的发热量之间的关系的图表。

图5是表示燃料气体的热量流量与热式传感器的输出之间的关系的图表。

图6是表示具有本发明的流量控制装置的燃料供给装置的概要的框图。

图7是表示用于计算燃料气体的发热量的计算部的変形例的图。

符号说明

1供给流路

2流量调整阀（阀）

3热式传感器

4驱动电路

5控制运算器

6计算部

7计算部

8运算部

11管部件（供给流路）

具体实施方式

如图1所示，一个实施例的流量控制装置21配置在燃料气体的供给流路1上。流量控制装置21基本包括：用于调整供给流路1内的燃料气体流量的流量调整阀（以下仅称为阀）2、用于检测燃料气体的质量流量的热式质量流量传感器（以下称为传感器）3、用于驱动阀2来调整阀2的开度的驱动电路4、以及控制驱动电路4的控制运算器5。

更详细地讲，控制运算器5通过驱动电路4对阀2的开度进行反馈控制，调整燃料气体的热量流量，以使像后述那样根据传感器3的输出（质量流量）求得的热量流量与控制运算器5所设定的控制目标值（热量流量）之间不存在偏差。

图2表示流量控制装置的具体结构。

流量控制装置具有管部件11，此管部件11形成供给流路1的一部分，具有入口11i和出口11o。传感器3具有沿管部件11的轴线方向看安装在其中央处的检测面，此检测面暴露在管部件11内的燃料气体中。

阀2具有阀套2a，此阀套2a在管部件11的出口11o附近，安装在管部件11的外周面上。阀套2a具有限定在其内部的阀通路2b，此阀通路2b形成管部件11的内部流路的一部分。另外，在阀套2a内配置有阀芯2c，阀芯2c通过电磁线圈机构12动作来调整阀通路2b、即阀2的开度。电磁线圈机构12安装在阀套2a的外侧。

流量控制装置还具有控制单元13。此控制单元13也配置在管部件11外侧，具有上述控制运算器5和驱动电路4等。

管部件11、阀2和控制单元13被收容在共用的外壳（未图示）内，流量控制装置形成为一个模块。

另外，上述流量控制装置的基本结构的详细情况根据上述的专利文献3等是公知的。

本发明的流量控制装置21是着眼于热式质量流量传感器3的输出（质量流量）与燃料气体的热量流量成比例而开发的。

详细来讲，在燃料气体的质量流量Fm的检测中所使用的传感器3，包括例如对其检测面附近的燃料气体（流体）进行加热的加热器、以及检测所加热的燃料气体的温度分布的两个温度传感器，这些温度传感器所检测的温度差作为质量流量Fm检测输出。温度差产生的原因是传感器附近的流体的温度分布因流体的流通而变化。另外，此温度分布随着燃料气体的热扩散率α和燃料气体的流速（体积流量Fv）的变化而变化。

另外，燃料气体的热扩散率α由下式（1）求出。

α=λ/(ρ×Cp)…(1)

其中，λ表示燃料气体的热传导率，ρ表示燃料气体的密度，Cp表示燃料气体的比热。

另一方面，燃料气体的热量可以用燃料气体每单位体积的发热量Qv来表示，此发热量Qv因燃料气体的组成（种类）的不同而不同。例如，作为一般燃料气体使用的烃类可燃气体和这些可燃气体的发热量Qv可用以下的表格1来表示。其中，单位体积是指燃料气体处于基准状态（例如0℃）时具有的体积。

[表1]

燃料气体的组成	每单位体积的发热量
		LNG（液化天然气）45MJ	45.0（MJ/m³）
LNG（液化天然气）46MJ	46.0（MJ/m³）
		甲烷（CH₄）90%+丙烷（C₃H₈）10%	46.1（MJ/m³）
甲烷（CH₄）90%+丁烷（C₄H₁₀）10%	49.3（MJ/m³）

从表1可知，燃料气体的发热量Qv因燃料气体的种类、即其组成的不同而不同。此发热量Qv的不同主要由燃料气体的组成所决定的密度ρ的差异引起。因此，当传感器3的检测对象即燃料气体的组成发生变化时，燃料气体的密度ρ也会发生变化。因此，此密度ρ的变化会使应由传感器3检测出的质量流量Fm发生变化。

另一方面，图3表示烃类可燃气体的密度ρ与上述的热扩散率α的倒数（1/α）之间的关系。从如图3可知，燃料气体的密度ρ与热扩散率α的倒数成比例。即，密度ρ与热扩散率α的倒数的关系可通过下式（2）来表示。

1/α=K1×ρ…（2）

另外，K1是比例常数。

（2）式的比例关系即使烃类可燃气体的组成有差异也适用。

另外，图4表示的是烃类可燃气体的密度ρ与发热量Qv之间关系。从图4可知，发热量Qv与燃料气体密度ρ成比例。即，发热量Qv与密度ρ的关系可通过下式（3）表示。

Qv=K2×ρ…(3)

另外，K2为比例常数。

（3）式的比例关系即使燃料气体的组成有差异也适用。

从（2）、（3）式可知，热扩散率α的倒数与发热量Qv具有相关关系，因此也可以认为传感器3附近的燃料气体（流体）的温度分布随着燃料气体（流体）的体积流量Fv和发热量Qv的变化而变化。

这表示，不受烃类可燃气体的组成的限制，传感器3的输出（質量流量Fm）与燃料气体的发热量Qv成比例，且同时也与燃料气体的流速（体积流量）Fv成比例。

这里，当热量流量Fc被定义为燃料气体的发热量Qv与流速（体积流量）Fv的积时，本申请发明人发现热量流量Fc与热式质量流量传感器3的输出（质量流量Fm）具有如图5所示的关系。

因此，如图1所示，本发明的流量控制装置21不仅求出作为传感器3的输出的质量流量Fm，还具有计算部6，其基于传感器3的输出（质量流量Fm）来计算燃料气体的热量流量Fc。具体来讲，计算部6具有存储有如图5所示的关系图的存储器，基于传感器3的输出（质量流量Fm），读出与此输出相对应的热量流量Fc，将所读出的热量流量Fc提供给上述控制运算器5。另外，图5的关系图通过预先求出与传感器3的输出（质量流量Fm）相对应的热量流量Fc而作成。

控制运算器5具有预先给出的控制目标值Fo，此控制目标值Fo用于直接管理应给与燃烧设备、具体为燃烧器的热量，本发明中是指与上述热量相对应的热量流量。控制运算器5求得控制目标值Fo与从计算部6提供的热量流量Fc之间的偏差，并通过驱动电路4控制阀2的开度，以使此偏差为零。

因此，即便燃料气体的组成发生变化，流量控制装置21也可以控制燃料气体的流量（发热量Qv），使其与控制目标值Fo一致，能够将燃料气体以所希望的热量流量Fc向燃烧器稳定地供给。

更详细来讲，以往一般的流量控制装置基于传感器3的输出（质量流量Fm）来控制燃料气体的质量流量。然而，本发明的流量控制装置21着眼于燃料气体所具有的发热量Qv，基于传感器3的输出求出热量流量Fc，直接控制燃料气体的热量流量（发热量）本身。因此，即便燃料气体的质量流量和/或其组成发生变化，本发明的流量控制装置21也能够通过控制阀2的开度，使提供给燃烧器26的燃料气体的热量流量Fc（发热量）保持一定。

其结果，对于本发明的流量控制装置21而言，不需要判断使传感器3的输出产生变化的主要原因是燃料气体的质量流量发生变化，还是燃料气体的组成发生变化，流量控制装置21可以稳定地实行上述燃料气体的流量控制。

要使以上所述的燃料气体稳定地完全燃烧，需要制作在燃料气体中以适当比例混合空气或氧气的混合气体。烃类可燃气体完全燃烧时，混和气体的理想空燃比（A/F）或者理想氧燃比（O₂/F）如以下的表2所示。

【表2】

燃料气体	A/F	O₂/F
			甲烷（CH₄）	9.52	2.0
13A（LNG）	11.0	2.3
			乙烷（C₂H₆）	16.7	3.5
丙烷（C₃H₈）	13.8	5.0
			丁烷（C₄H₁₀）	30.9	6.5

燃料气体的种类或者其组成不同时，由于A/F和O₂/F也会发生变化，为使燃料气体、即混合气体完全燃烧，按照混合气体中的燃料气体的组成和流量，需要调整混合气体中的空气和/或氧气的流量。

例如，图6概要表示向燃烧器26供给混合气体的供给系统。此供给系统除了包括上述燃料气体的供给流路1以外，还包括空气供给流路9和氧气供给流路10。供给流路1通过混合器24与供给流路9连接，此混合器24通过混合气体的供给流路15与燃烧器26连接。另一方面，供给流路10通过混合器25与供给流路15连接。

供给流路1上配置有上述流量控制装置21，另外，供给流路9、10上也分别配置有与流量控制装置21相同的流量控制装置22、23。这些流量控制装置22、23分别用于控制空气和氧气的流量。因此，图6的供给系统制作出由燃料气体、空气和氧气组成的混合气体，并将此制作出的混合气体提供给燃烧器26。

当本发明的流量控制装置21用于上述的供给系统时，如图1所示，流量控制装置21与流量控制装置22、23不同，还具有计算部7和运算部8。另外，这些流量控制装置21、22、23也可以采用相同的构成。

当燃料气体的流通处于停止状态时，计算部7基于传感器3的输出，计算燃料气体的每单位体积的发热量Qv。为此，在计算部7计算发热量Qv之前，关闭阀2，使燃料气体的流通停止。此状态下，计算部7从传感器3接收输出的供给，基于此输出，求出燃料气体的质量、即其密度ρ。详细来讲，从上述式（3）可知，燃料气体的密度ρ和发热量Qv具有比例关系，因此根据此比例关系，计算部7可以基于密度ρ计算出发热量Qv。

另一方面，运算部8对计算部7所算出的发热量Qv与已知发热量Qs的比值、即Qv/Qs进行运算。发热量Qs表示燃料气体处于基准状态（例如0℃）时的每单位体积的发热量。

具体来讲，预先求出每种燃料气体的发热量Qs，这些发热量Qs在运算部8的存储器（未图示）中存储为表格。因此，运算部8从表格中选择与控制对象的燃料气体相对应的发热量Qs，基于所选择的发热量Qs，可以求出比值Qv/Qs。

此比值Qv/Qs成为表示所计算出的发热量Qv相对发热量Qs的变化程度的指标。另外，发热量Qv变化的原因主要是燃料气体组成的变化。

燃料气体的组成发生变化时，用于使燃料气体完全燃烧的理想空燃比A/F、理想氧燃比O₂/F也发生变化。因此，流量控制装置21求出的比值Qv/Qs被提供给流量控制装置22、23，这些流量控制装置22、23参考比值Qv/Qs来对空气和氧气的流量进行控制。其结果，从理想空燃比A/F或者理想氧燃比O₂/F的观点来看，分别使提供给燃烧器26的混合气体中所含有的空气和氧气的比例最佳化，混合气体、即燃料气体就可以完全燃烧。

本发明并不仅限于上述一个实施例，可以具有各种变形。

例如，如图6所示，流量控制装置22、23也可以不基于比值Qv/Qs，而基于流量控制装置21所计算出的热量流量Fc来控制混合气体中所含有的空气和氧气的比例。

如果采用一个实施例的流量控制装置21的话，在计算燃料气体的发热量Qv时，要求关闭阀2，即，使供给流路1内的燃料气体的流通停止。

然而，流量控制装置21还可以包括：滞留室，其形成在管部件11内，不使燃料气体流通而使燃料气体滞留；以及热式传感器3a（参照图1），其与上述传感器3不同，配置在滞留室内。这种情况下，在燃料气体流通的状态下，上述计算部7可以基于传感器3a的输出计算燃料气体每单位体积的发热量Qv。

另外，如图7所示，流量控制装置还可包括：参数控制部30，其代替计算部7，可以将作为传感器3的驱动条件的加热器温度控制参数（燃料气体温度与加热器温度的差）分两个阶段切换；以及计算部32，其可以基于这些驱动条件下的传感器3的输出来计算发热量Qv。

另外，例如如日本特表2004-514138号公报中所公开的那样，根据将加热器温度保持为一定时的加热器驱动电力求出质量流量Fm，使用这种类型的热式质量流量传感器时，可以基于分两个阶段改变加热器温度时的各个阶段的传感器3的输出计算发热量Qv。

具体来讲，计算部32基于传感器3的输出的差求出燃料气体的热传导率λ，按照此热传导率λ与燃料气体密度ρ的比例关系，计算出发热量Qv（参照上述的（3）式）。

又，本发明的流量控制装置也可以将由计算部6求出的热量流量Fc和传感器3的输出（质量流量Fm）并列输出。另外，本发明的流量控制装置可以选择采用基于热量流量Fc的燃料气体的流量控制和基于质量流量的燃料气体的流量控制中的任一个。

另外，本发明的流量控制装置也可以适当具有与燃料气体的温度相关的、起到公知的温度补正作用的装置等。

Claims

1.一种流量控制装置，其特征在于，具有：

流量调整阀，其配置在燃料气体的供给流路上，能够调整上述燃料气体的流量；

热式质量流量传感器，其配置在上述供给流路上，用于测量上述燃料气体的质量流量，包括对检测面附近的上述燃料气体进行加热的加热器、以及检测所加热的上述燃料气体的温度分布的两个温度传感器，将这些温度传感器所检测的温度差作为质量流量输出；

计算部，其基于上述热式质量流量传感器的输出计算上述燃料气体的热量流量，此热量流量由上述燃料气体的体积流量与上述燃料气体单位体积的平均发热量的积定义；以及

流量控制部，其基于用于控制热量流量的控制目标值与由上述计算部算出的热量流量之间的偏差，对上述流量调整阀的开度进行控制，

上述计算部根据上述燃料气体的密度与热扩散率的倒数之间的比例关系、以及上述燃料气体的密度与单位体积的平均发热量之间的比例关系，得出上述燃料气体的热扩散率的倒数与单位体积的平均发热量具有相关关系，并且进一步根据所述温度分布随着上述燃料气体的热扩散率和体积流量的变化而变化，得出上述热式质量流量传感器所输出的上述燃料气体的质量流量与单位体积的平均发热量成比例且与体积流量成比例，由此得到上述热式质量流量传感器所输出的上述燃料气体的质量流量与上述燃料气体的热量流量的对应关系，上述计算部含有基于该对应关系预先求得的上述热式质量流量传感器的输出与上述燃料气体的热量流量的关系图，

上述燃料气体是烃类可燃气体。

2.如权利要求1所述的流量控制装置，其特征在于，还具有：

其它计算部，其用于计算上述燃料气体每单位体积的计算发热量；以及

运算部，其用于运算上述计算发热量与基准状态下的燃料气体每单位体积的基准发热量的比值。

3.如权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，上述其它计算部在上述燃料气体流通处于停止状态时，依据上述热式质量流量传感器的输出，计算上述计算发热量。

4.如权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，上述其它计算部具有用于计算上述计算发热量的热式传感器。

5.如权利要求2所述的流量控制装置，其特征在于，当上述热式质量流量传感器的驱动条件分两个阶段变化时，上述其它计算部分别求出各个阶段中的来自上述热式质量流量传感器的输出，基于这些输出计算上述计算发热量。