CN103808759A

CN103808759A - 一种燃烧法燃气热值测量装置的配气系统

Info

Publication number: CN103808759A
Application number: CN201410063380.3A
Authority: CN
Inventors: 张洪军; 吕丹妮; 韩伟栋
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明公开了一种燃烧法燃气热值测量装置的配气系统。该系统包含燃气储气小球充气管路和燃烧配气管路。储气小球充气时先用真空泵将小球和管路内部抽真空。将充气小球与管路断开后用质量天平测量小球及所充燃气的总质量，燃烧消耗的燃气质量通过测量燃烧前后充气小球的质量差获得。燃烧测量时，先用氩气冲洗输气管路，根据燃烧吸热模块中吸热介质温度控制管路总电磁阀的开启，燃烧结束阶段先关闭燃气电磁阀，火焰熄灭后再关闭管路总电磁阀，保证储气小球出来的燃气尽可能都参加燃烧。本发明实现了燃气质量测量、燃气-氧气-氩气比例和流量调节，实现了根据测试进程快速打开和切断燃料-氧气-氩气混合气的输送。

Description

一种燃烧法燃气热值测量装置的配气系统

技术领域

本发明涉及高准确度燃烧法燃气热值测量技术，具体为燃烧法燃气热值测量装置的配气系统。

背景技术

非连续工作式的定压燃烧热值测量技术通过燃气消耗量和吸热介质温升测量来获得燃气热值，由于质量和温度测量都可以达到很高的精度，采用这种方法进行燃气热值测量可以达到很高的准确度，一般用于国家燃气热值计量标准装置和实验室精确测量燃气热值的场合。这项技术最早由Rossini在1931年提出，是一种非连续式工作的开放火焰燃气热值测量方法。这种方法中，燃烧室和热交换器都置于水浴容器中，一定量的燃气在燃烧室内燃烧产生的热量传递到燃烧室周围的水中，使得水的温度升高。通过测量该温升可以获得燃气的热值。为了尽量使水浴容器处于绝热环境中，在其外侧还有一个充满水的夹套，而在水浴容器和夹套之间是绝热材料或空气夹层。

Rossini型燃气热值测量典型系统总体构成如图1所示，包括燃气热值测量主体容器及温控系统、燃气质量测量和配气系统、烟气成分检测系统和操控系统。燃气热值测量原理为：一定质量的燃气（如天然气约1g）送入燃烧室中进行缓慢定压燃烧，释放的热量全部由容器内的吸热介质（纯水）吸收，通过测量吸热介质的温升，可得到总发热量，燃气热值可由下式计算得到：

Figure 2014100633803100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

式中，

——容器内吸热介质与燃烧室、搅拌器等的当量比热容；

——吸热介质的温升；

——燃气质量；

K——考虑系统散热等引起的热量修正。

理论上，燃烧反应物和生成物的温度应该保持一致，但是由于吸热介质吸热后温度升高，燃烧反应物和生成物温度不可能一样，因此应使吸热介质温升尽量小，温升一般3K。

为保证吸热介质与环境无热交换，理想情况是夹套温度（即环境温度）与吸热介质温度实时保持相同，但此方法很难实现，替代方法是采用恒温夹套的方法，保持传热边界温度恒定，修正吸热介质的向外传热量。实际测量中，对恒温夹套条件测量的温升曲线进行处理，计算得出绝热温升。图2显示了采用恒温环境替代绝热条件时典型的吸热介质（即水浴）温升曲线。工作的平均温度一般设计在25℃，温升为3K，则起始温度为23.5℃，结束温度为26.5℃。

关于燃气质量称重，由于实验测量所需气体的质量比较小（标准状态体积约为1.4L，质量约1g），盛放气体的容器的质量和体积又比较大，直接测量质量会产生较大的误差，因此需要通过比较法称重，且称重需要在恒温环境进行。另外，采用双球法消除环境温、湿度、大气压变化的影响，即消除空气浮力变化的影响，获得准确的燃气质量数据。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，分为燃气充气管路子系统和燃烧测量配气管路子系统，燃气充气管路子系统工作时，储气小球通过直通接头与充气管路相连，燃烧试验时储气小球通过直通接头与燃烧管路相连，所述燃气充气管路子系统包括燃气气瓶和真空泵，充气前，调整截止阀，先用所述真空泵对管道和储气小球抽真空，抽真空完成后，调整截止阀，燃气气瓶向储气小球充气。

进一步的，所述燃烧测量配气管路子系统包括氧气气瓶、氩气气瓶和燃烧吸热模块，燃烧测量过程中：利用氩气气瓶的氩气对整个管路进行清洗，采用燃烧吸热模块中吸热介质温度来控制电磁阀，当吸热介质温度达到启动温度时电磁阀开启，当吸热介质温度达到结束温度时电磁阀关闭，切断燃气管路，氧气和氩气继续输送，直至燃烧结束后电磁阀关闭，测试结束。

进一步的，所述燃烧测量过程开始和结束时分别测量储气小的质量，其差值即为燃烧消耗的燃气质量。

进一步的，采用调节阀配合流量计可以调节燃气-氧气-氩气的比例与流量，确保完全燃烧，并使燃烧处于较佳状态。

进一步的，还包括参考球和质量天平，燃烧测量过程开始前用质量天平分别测量所述储气小球和参考球的质量，燃烧测量过程结束时再次用质量天平分别测量所述储气小球和参考球的质量，以保证测量结果的准确性。

进一步的，所述储气小球选用65mm直径，0.3mm厚度的304不锈钢空心小球。

该燃烧法燃气热值测量装置按照所示温升曲线要求设计，实现供气管路的准确开通和关断，实现燃气-氧气-氩气的流量与比例调节，实现燃气消耗量的准确测量。

附图说明

图1是Rossini型高准确度燃气热值测量系统示意图；

图2 是恒温环境下的吸热介质温升曲线图；

图3 是本发明的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统结构示意图；

图4是燃气充气管路子系统示意图；

图5是燃烧测量配气管路子系统示意图；

图中各附图标记含义：1-燃气气瓶，2-氧气气瓶，3-氩气气瓶，4-截止阀，5-截止阀，6截止阀，7-截止阀，8-真空泵，9-压力真空表，10-直通接头，11-截止阀，12-储气小球，13-参考球，14-质量天平，15-电磁阀，16-调节阀，17-流量计，18-流量计，19-调节阀，20-调节阀，21-流量计，22-预混器，23-电磁阀，24-气体输送管道，25-燃烧吸热模块。

具体实施方式

下面通过附图和实例，对本发明的技术方案进行详细描述。

如图3所示，本发明的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，包括燃气气瓶1，氧气气瓶2，氩气气瓶3，截止阀4，截止阀5，截止阀6，截止阀7，真空泵8，压力真空表9，直通接头10，截止阀11，储气小球12，参考球13，质量天平14，电磁阀15，调节阀16，流量计17，流量计18，调节阀19，调节阀20，流量计21，预混器22，电磁阀23，气体输送管道24，燃烧吸热模块25。

配气系统工作时分为燃气充气管路和燃烧测量配气管路两个子系统运行。

如图4所示，燃气充气管路子系统包括燃气气瓶1，截止阀4，截止阀7，真空泵8，压力真空表9，储气小球12，截止阀11，直通接头10，参考球13，质量天平14和连接管道组成。充气时，先用真空泵8对管道和储气小球12抽真空，充气后关闭截止阀11，从直通接头10处将储气小球12与其它部分管路断开。

如图5所示，燃烧测量配气管路子系统包括氧气气瓶2，氩气气瓶3，截止阀5，截止阀6，真空泵8，直通接头10，截止阀11，储气小球12，参考球13，质量天平14，电磁阀15，调节阀16，流量计17，流量计18，调节阀19，调节阀20，流量计21，预混器22，电磁阀23，气体输送管道24，燃烧吸热模块25。

燃气充气管路子系统工作时，储气小球12充气时通过直通接头10与充气管路相连（图4所示），燃烧试验时储气小球通过直通接头10与燃烧管路相连（图5所示）。储气小球12充气前，打开截止阀7和截止阀11，关闭截止阀4，用真空泵8对燃气输送管道和储气小球12进行抽真空；抽真空完成后，关闭截止阀7，打开截止阀4，燃气气瓶1向储气小球12充气，充气结束后关闭截止阀4和截止阀11。

燃烧测量之前，首先根据经验调整调节阀16，19，20的开度，并点火试燃烧，使燃烧处于较佳状态。

燃烧测量过程中配气系统工作流程如下：a）直通接头10断开情况下，用质量天平14分别测量储气小球12和参考球13的质量；b）直通接头10与燃烧测量管路联通；c）打开截止阀6和电磁阀23以开启氩气通道，用氩气清洗气体输送管路；d）关闭电磁阀23，并将图5中除电磁阀23以外其它阀门都打开；e）当燃烧吸热模块25吸热介质温度达到开启温度时电磁阀23自动开启，燃气-氧气-氩气混合气体流入燃烧室进行燃烧；e）当燃烧吸热模块25吸热介质温度达到结束温度时，电磁阀15自动关闭，切断燃气管路，氧气和氩气继续输送，直至燃烧结束后电磁阀23关闭；f）关闭截止阀5，6，11，断开直通接头10，用质量天平14分别测量储气小球12和参考球13的质量。燃烧消耗的燃气质量可以通过开始和结束储气小球12质量差值计算得到。

以天然气热值测量装置设计为例，本发明中相关的参数选择如下：

1）不锈钢储气小球工作压力1MPa，燃气、氧气、氩气气瓶的工作压力一般为25MPa，气瓶减压阀减压范围为0~25MPa。

2）燃气、氧气和氩气（稳燃惰性气体）比例控制推荐方案公式为：

CH₄+4.529 O₂+0.995 Ar →CO₂+2 H₂O+2.529 O₂+0.995 Ar （2）

上式显示天然气：氧气：氩气≈1：4.5：1，氧气过量大约2.5倍的燃气体积，保证充分燃烧。

3）储气小球设计

燃气取1g左右，储气小球选用65mm直径，0.3mm厚度的304不锈钢空心小球。

4）管道尺寸

关于燃气燃烧速度，从节约时间提高测量效率考虑当然是越快越好，但是速度太高，所释放热量不能充分被吸热介质吸收。因此，需要比较缓慢地燃烧，一般20分钟比较合适，据此可以确定燃气在供气管道中的流量，设计管道尺寸。

Figure 2014100633803100002DEST_PATH_IMAGE005

（3）

（4）

式中：——燃气的质量流量；

——燃气的体积流量；

Figure 2014100633803100002DEST_PATH_IMAGE009

——燃气的密度；

A——管道的流动面积；

v——燃气的流速。

由于燃烧非常慢，管内气体流量很低，因此管径应尽量小以减小关内气体参与引入的测量误差。

Claims

1.一种燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，分为燃气充气管路子系统和燃烧测量配气管路子系统，其特征在于：燃气充气管路子系统工作时，储气小球（12）通过直通接头（10）与充气管路相连，燃烧试验时储气小球通过直通接头（10）与燃烧管路相连，所述燃气充气管路子系统包括燃气气瓶（1）和真空泵（8），充气前，调整截止阀（4、7、11），先用所述真空泵（8）对管道和储气小球（12）抽真空，抽真空完成后，调整截止阀（4、7），燃气气瓶（1）向储气小球（12）充气。

2.如权利要求1所述的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，其特征在于：所述燃烧测量配气管路子系统包括氧气气瓶（2）、氩气气瓶（3）和燃烧吸热模块（25），燃烧测量过程中：利用氩气气瓶（3）的氩气对整个管路进行清洗，采用燃烧吸热模块（25）中吸热介质温度来控制电磁阀（23），当吸热介质温度达到启动温度时电磁阀（23）开启，当吸热介质温度达到结束温度时电磁阀（15）关闭，切断燃气管路，氧气和氩气继续输送，直至燃烧结束后电磁阀（23）关闭，测试结束。

3.如权利要求2所述的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，其特征在于：所述燃烧测量过程开始和结束时分别测量储气小球（12）的质量，其差值即为燃烧消耗的燃气质量。

4.如权利要求2所述的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，其特征在于：采用调节阀（16，19，20）配合流量计（17，18，21）可以调节燃气-氧气-氩气的比例与流量，确保完全燃烧，并使燃烧处于较佳状态。

5.如权利要求3所述的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，其特征在于：还包括参考球（13）和质量天平（14），燃烧测量过程开始前用质量天平14分别测量所述储气小球（12）和参考球（13）的质量，燃烧测量过程结束时再次用质量天平（14）分别测量所述储气小球（12）和参考球（13）的质量，以保证测量结果的准确性。

6.如权利要求1所述的燃烧法燃气热值测量装置的配气系统，其特征在于：所述储气小球（12）选用65mm直径，0.3mm厚度的304不锈钢空心小球。