CN111537704A - 一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置，包括第一除氧系统、第二除氧系统、快速冷却系统和在线取样系统，所述第一除氧系统与快速冷却系统连接，所述第二除氧系统与在线取样系统连接，所述快速冷却系统与在线取样系统连接。应用于燃油中溶解氧浓度的在线测量装置的测量方法，包括以下步骤：S1：通过第一除氧系统对快速冷却系统进行除氧，通过第二除氧系统对在线取样系统进行除氧；S2：通过快速冷却系统对燃油进行快速冷却；S3：通过在线取样系统对冷却后的燃油进行取样和溶解氧浓度的测量。本发明可准确测量燃油的溶解氧沿程变化；本发明减少取样时间，消除人为操作造成的误差；对燃油进行快速冷却，使其测量误差在可接受范围内。

Description

一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置和方法

技术领域

本发明涉及溶解氧浓度测量领域，特别是一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置和方法。

背景技术

为了提高航空发动机热端部件所用冷却空气的品质，可以利用机载燃油作为冷却介质降低涡轮冷却空气的温度。然而在换热过程中随着燃油温度逐渐升高，不可避免地会发生结焦反应。当燃油温度逐渐升高至150℃以上时，煤油中的溶解氧会与自由基发生反应生成氢过氧化物，氢过氧化物再进一步反应生成结焦前驱体，之后再与燃油中的其他小分子产物发生聚合反应，从而产生氧化结焦。因此，燃油中的溶解氧浓度与氧化结焦的形成密切相关。

目前，已经开展了初始溶解氧浓度对燃油氧化结焦影响的研究。但因为缺乏燃油在换热管中溶解氧沿程变化的测量方法，所以对溶解氧的消耗过程还很难开展研究工作。溶解氧传感器的最高工作温度一般不高于80℃，而氧化结焦主要发生在150～450℃温度区间。因此，在开展氧化结焦特性测试时，经过加热后的燃油温度远远超过溶解氧传感器的最高测量温度。而且，因为换热通道尺寸很小，想要直接测量其内部溶解氧沿程变化也是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置和方法，解决以下技术问题：加热后的燃油温度远远超过溶解氧传感器的最高测量温度；由于换热通道尺寸很小，难以直接测量其内部溶解氧沿程变化；取样时间长，取样过程中人为操作可能对实验结果造成误差；燃油降温过程中燃油中溶解氧的消耗带来测量误差。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置，包括第一除氧系统、第二除氧系统、快速冷却系统和在线取样系统，所述第一除氧系统与快速冷却系统连接，所述第二除氧系统与在线取样系统连接，所述快速冷却系统与在线取样系统连接。

进一步，所述快速冷却系统包括冷油储罐、高压恒流泵、质量流量计及套管换热器，所述冷油储罐与高压恒流泵连接，所述高压恒流泵与质量流量计连接，所述质量流量计连接于套管换热器的管程入口，所述套管换热器的管程入口还接有燃油口，所述套管换热器的管程出口连接有主通道；

所述在线取样系统包括并联通道、取样储罐，所述并联通道的一端与套管换热器的管程出口连接，所述并联通道的另一端与取样储罐连接，所述取样储罐内设有测量用溶解氧传感器；

所述第一除氧系统包括第一氮气钢瓶，所述第一氮气钢瓶与冷油储罐连接；

所述第二除氧系统包括第二氮气钢瓶，所述第二氮气钢瓶与在线取样系统连接。

进一步，所有冷油储罐底部设有搅拌器；所述冷油储罐内设有除氧用溶解氧传感器。

进一步，所述套管换热器的管程出口设有燃油温度传感器。

进一步，所述套管换热器的壳程入口接入冷却水。

进一步，所述测量用溶解氧传感器为极谱型氧传感器。

应用于上述燃油中溶解氧浓度的在线测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：通过第一除氧系统对快速冷却系统进行除氧，通过第二除氧系统对在线取样系统进行除氧；

S2：通过快速冷却系统对燃油进行快速冷却；

S3：通过在线取样系统对冷却后的燃油进行取样和溶解氧浓度的测量。

进一步，所述步骤S1具体包括：

S101：向冷油储罐中注入冷油；

S102：开启冷油储罐底部的搅拌器和除氧用溶解氧传感器，调整搅拌器的转速；

S103：由第一氮气钢瓶向冷油储罐中通入高纯氮气，通过除氧用溶解氧传感器实时观察冷油中的溶解氧浓度；

S104：待所观察到的冷油中溶解氧浓度从饱和状态下降到目标值时，停止向冷油储罐中通入高纯氮气，同时关闭搅拌器；

S105：关闭在线取样系统与快速冷却系统之间的连接，由第二氮气钢瓶向在线取样系统中通入高纯氮气。

进一步，所述步骤S2具体包括：

S201：套管换热器的壳程入口接入冷却水，调节冷却水流量，待冷却水稳定后进行下一步骤；

S202：开启质量流量计和高压恒流泵，使冷油与燃油按一定比例流入套管换热器的管程入口。

进一步，所述步骤S3具体包括：

S301：通过燃油温度传感器检测套管换热器管程出口处冷油和燃油的混合液体的温度；

S302：待套管换热器出口处冷油和燃油的混合液体的温度达到稳定状态且在测量用溶解氧传感器测量范围内后，停止向在线取样系统通入高纯氮气，同时打开在线取样系统与快速冷却系统之间的连接，使冷油和燃油的混合液体流入取样储罐；

S303：待取样储罐中填满混合液体后，观察测量用溶解氧传感器的测量结果并进行记录；

S304：所测得的结果乘以燃油经冷油冷却时的稀释倍数，即为燃油中的溶解氧浓度。

本发明的有益效果是：

(1)可在加热后的燃油温度远远超过溶解氧传感器的最高测量温度、换热通道尺寸很小的情况下，准确测量燃油的溶解氧沿程变化；

(2)本发明提出的在线测量方法方便可行，减少了取样时间，同时消除了取样过程中人为操作可能对实验结果造成的误差；

(3)本发明对燃油进行快速冷却，从而控制降温过程中燃油中溶解氧的消耗率，使其误差在可接受范围内。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的套管换热器结构示意图。

图中，1-冷油储罐、2-高压恒流泵、3-质量流量计、4-套管换热器、401-管程入口、402-管程出口、403-壳程入口、404-壳程出口、5-燃油口、6-主通道、601-主通道阀门、7-并联通道、701-并联通道阀门、8-取样储罐、9-测量用溶解氧传感器、10-第一氮气钢瓶、1001-第一氮气阀门、11-第二氮气钢瓶、1101-第二氮气阀门、12-搅拌器、13-除氧用溶解氧传感器、14-燃油温度传感器、15-废液桶。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1至图2所示，一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置，包括第一除氧系统、第二除氧系统、快速冷却系统和在线取样系统，所述第一除氧系统与快速冷却系统连接，所述第二除氧系统与在线取样系统连接，所述快速冷却系统与在线取样系统连接。

所述快速冷却系统包括冷油储罐1、高压恒流泵2、质量流量计3及套管换热器4，冷油储罐用于提供常温且初始溶解氧为0ppm的冷油，高压恒流泵用来控制冷油的流量，质量流量计用来实时监测冷油流量，所述冷油储罐1与高压恒流泵2连接，所述高压恒流泵2与质量流量计3连接，所述质量流量计3连接于套管换热器4的管程入口401，所述套管换热器4的管程入口401还接有燃油口5，所述套管换热器4的管程出口402连接有主通道6，二者之间的连接管道上接有主通道阀门601，燃油通过主通道6流入废液桶15；

所述在线取样系统包括并联通道7、取样储罐8，所述并联通道7的一端与套管换热器4的管程出口402连接，二者之间的连接管道上接有并联通道阀门701，所述并联通道7的另一端与取样储罐8连接，所述取样储罐8内设有测量用溶解氧传感器9，取样储罐8内的燃油通过管道流入废液桶15；

所述第一除氧系统包括第一氮气钢瓶10，所述第一氮气钢瓶10与冷油储罐1连接，二者之间的连接管道上接有第一氮气阀门1001；

所述第二除氧系统包括第二氮气钢瓶11，所述第二氮气钢瓶11与取样储罐8连接，二者之间的连接管道上接有第二氮气阀门1101。

所有冷油储罐1底部设有搅拌器12，搅拌器12为磁力搅拌器；所述冷油储罐1内设有除氧用溶解氧传感器13。

所述套管换热器4的管程出口402设有燃油温度传感器14。

所述套管换热器4的壳程入口403接入冷却水。

所述测量用溶解氧传感器9为极谱型氧传感器，其采用电化学法测量燃油中的溶解氧。

工作原理：

利用套管换热器，通过水冷和直接混合油冷相结合的方法，对燃油进行快速冷却，从而控制降温过程中燃油中溶解氧的消耗率，使其小于在反应过程中消耗率的5％，则该误差可控制在可接受范围内。其中，水冷通过冷却水和热油在套管换热器内对流换热实现；油冷通过通入溶解氧浓度为0ppm的冷油实现。其次，在套管换热器4的管程出口402以并联方式接入在线取样系统，从而满足能够直接测量溶解氧沿程变化，以及溶解氧传感器测量时需要一定延迟时间的要求。

本发明可在加热后的燃油温度远远超过溶解氧传感器的最高测量温度、换热通道尺寸很小的情况下，准确测量燃油的溶解氧沿程变化；本发明提出的在线测量方法方便可行，减少了取样时间，同时消除了取样过程中人为操作可能对实验结果造成的误差。

实施例二：

如图1至图2所示，应用实施例一中的装置测量燃油中溶解氧浓度的方法，包括以下步骤：

S1：通过第一除氧系统对快速冷却系统进行除氧，通过第二除氧系统对在线取样系统进行除氧；

S2：通过快速冷却系统对燃油进行快速冷却；

S3：通过在线取样系统对冷却后的燃油进行取样和溶解氧浓度的测量。

在除氧操作之前，需检查并安装好各仪表，并利用气泡法检查储罐的密封性能。

所述步骤S1具体包括：

S101：向冷油储罐1中注入冷油，所述冷油为常温状态，需注意的是，为了预防注入的冷油在搅拌过程中溢出，冷油不能注入太满，需留出一定的余裕，另外，冷油实现对燃油口5注入的燃油的油冷功能，冷油可采用与燃油同材质的燃油，也可采用正癸烷或甲基环乙烷等单组分液体燃料。

S102：开启冷油储罐1底部的搅拌器12和除氧用溶解氧传感器13，调整搅拌器12的转速；

S103：打开第一氮气阀门1001，由第一氮气钢瓶10向冷油储罐1中通入高纯氮气，通过除氧用溶解氧传感器13实时观察冷油中的溶解氧浓度；

S104：待所观察到的冷油中溶解氧浓度从饱和状态下降到目标值时，关掉第一氮气阀门1001，停止向冷油储罐1中通入高纯氮气，同时关闭搅拌器12；

S105：关闭并联通道阀门701，打开第二氮气阀门1101，由第二氮气钢瓶11向在线取样系统中通入高纯氮气，以排除其中已存在的空气。

所述步骤S2具体包括：

S201：套管换热器4的壳程入口403接入冷却水，冷却水从壳程出口404流出，调节冷却水流量，待冷却水稳定后进行下一步骤，冷却水实现对燃油口5注入的燃油的水冷功能；

S202：开启质量流量计3和高压恒流泵2，将冷油流量设定为主流流体流量的1至10倍，使冷油与经燃油口5流入的燃油按一定比例流入套管换热器4的管程入口401，打开主通道阀门601，使冷油与燃油经管程出口402和主通道6流入废液桶15。

所述步骤S3具体包括：

S301：通过燃油温度传感器14检测套管换热器4的管程出口402处冷油和燃油的混合液体的温度；

S302：待套管换热器4的管程出口402处冷油和燃油的混合液体的温度达到稳定状态且在测量用溶解氧传感器9测量范围内后，关闭第二氮气阀门1101，停止向在线取样系统通入高纯氮气，同时打开并联通道阀门701，关闭主通道阀门601，使冷油和燃油的混合液体经并联通道7流入取样储罐8；

S303：待取样储罐8中填满混合液体后，观察测量用溶解氧传感器9的测量结果并进行记录；

S304：所测得的结果乘以燃油经冷油冷却时的稀释倍数，即为燃油中的溶解氧浓度。

实施例三：

如图1至图2所示，实施例三具有实施例一的全部技术特征，其区别在于：

为了方便对冷油储罐内部以及安装于冷油储罐内的装置进行清洗和装卸，将冷油储罐的罐盖处设计为可拆卸的法兰式连接，并使用螺栓紧固。罐盖上分别设计有注油口、安全阀接口、氧压力表接口和氮气钢瓶接口各一个。为保证除氧以及存放过程中储罐均能完全密封，在注油口处配有可密封的油盖一个，接口处均以螺纹连接。罐盖上分别安装有安全阀和氧压力表。为了方便观察储罐内燃油储量以及除氧过程中燃油的状况，在储罐前后两侧同一位置处分别安装了可视玻璃视窗。在罐体右侧离底部约三分之一处设置了一个斜开口，用于安装氧传感器，保留一定的斜度可保证氧传感器的末端能接近储罐底部。罐体靠近罐底处开有小孔两处分别用于连接高压恒流泵供油，以及实验结束后泄油。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃油中溶解氧浓度的在线测量装置，其特征在于：包括第一除氧系统、第二除氧系统、快速冷却系统和在线取样系统，所述第一除氧系统与快速冷却系统连接，所述第二除氧系统与在线取样系统连接，所述快速冷却系统与在线取样系统连接。

2.根据权利要求1所述的在线测量装置，其特征在于：所述快速冷却系统包括冷油储罐、高压恒流泵、质量流量计及套管换热器，所述冷油储罐与高压恒流泵连接，所述高压恒流泵与质量流量计连接，所述质量流量计连接于套管换热器的管程入口，所述套管换热器的管程入口还接有燃油口，所述套管换热器的管程出口连接有主通道；

所述在线取样系统包括并联通道、取样储罐，所述并联通道的一端与套管换热器的管程出口连接，所述并联通道的另一端与取样储罐连接，所述取样储罐内设有测量用溶解氧传感器；

所述第一除氧系统包括第一氮气钢瓶，所述第一氮气钢瓶与冷油储罐连接；

所述第二除氧系统包括第二氮气钢瓶，所述第二氮气钢瓶与在线取样系统连接。

3.根据权利要求2所述的在线测量装置，其特征在于：所有冷油储罐底部设有搅拌器；所述冷油储罐内设有除氧用溶解氧传感器。

4.根据权利要求2所述的在线测量装置，其特征在于：所述套管换热器的管程出口设有燃油温度传感器。

5.根据权利要求2所述的在线测量装置，其特征在于：所述套管换热器的壳程入口接入冷却水。

6.应用于权利要求1至5中任一项所述燃油中溶解氧浓度的在线测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过第一除氧系统对快速冷却系统进行除氧，通过第二除氧系统对在线取样系统进行除氧；

S2：通过快速冷却系统对燃油进行快速冷却；

S3：通过在线取样系统对冷却后的燃油进行取样和溶解氧浓度的测量。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：

S101：向冷油储罐中注入冷油；

S102：开启冷油储罐底部的搅拌器和除氧用溶解氧传感器，调整搅拌器的转速；

S103：由第一氮气钢瓶向冷油储罐中通入高纯氮气，通过除氧用溶解氧传感器实时观察冷油中的溶解氧浓度；

S104：待所观察到的冷油中溶解氧浓度从饱和状态下降到目标值时，停止向冷油储罐中通入高纯氮气，同时关闭搅拌器；

S105：关闭在线取样系统与快速冷却系统之间的连接，由第二氮气钢瓶向在线取样系统中通入高纯氮气。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：

S201：套管换热器的壳程入口接入冷却水，调节冷却水流量，待冷却水稳定后进行下一步骤；

S202：开启质量流量计和高压恒流泵，使冷油与燃油按一定比例流入套管换热器的管程入口。

9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：

S301：通过燃油温度传感器检测套管换热器管程出口处冷油和燃油的混合液体的温度；

S302：待套管换热器出口处冷油和燃油的混合液体的温度达到稳定状态且在测量用溶解氧传感器测量范围内后，停止向在线取样系统通入高纯氮气，同时打开在线取样系统与快速冷却系统之间的连接，使冷油和燃油的混合液体流入取样储罐；

S303：待取样储罐中填满混合液体后，观察测量用溶解氧传感器的测量结果并进行记录；

S304：所测得的结果乘以燃油经冷油冷却时的稀释倍数，即为燃油中的溶解氧浓度。

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