CN112268979A - 基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，包括掺氢模块、混合器性能测量模块、供气模块、燃烧性能测量模块及废气处理模块，所述掺氢模块用于混合H2与CNG气体，所述混合器性能测量模块用于测量混合器的混合效果，所述供气模块用于混合气体与外界空气的混合，所述燃烧性能测量模块用于测量燃具的燃烧性能，所述废气处理模块用于有毒气体处理。本发明的有益效果是：该试验系统通过对静态气体混合器结构优化，得到压降最小，混合效果最好的混合器，将天然气和氢气进行充分混合，使得混合气体燃烧充分，释放更少的有毒气体，提高热值，从而提高燃料的利用效率，降低对环境的污染，达到节能减排的效果。
Description
技术领域
本发明涉及天然气掺氢燃烧性能测试系统技术领域，具体涉及一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统。
背景技术
随着风能和太阳能的增长为电解水制造可再生氢提供越来越多 的剩余电力，以可再生氢作为提高天然气中可再生能源占比水平的一种新方式，已具备了一定的条件和技术能力。通过已有的天然气管道输送HCNG以用于燃气灶燃烧，不但较为便捷地解决了氢气输运的问题而且大幅提高了市场消纳氢气的能力。由于氢气特殊的燃烧特性，会使燃具燃烧器的一次空气系数、热负荷、燃烧稳定性、烟气中一氧化碳含量等燃烧工况发生变化，因此需要对天然气掺氢的燃烧性能进行测试。
一方面，由于氢气燃烧速度快，当混合气体流速小于火焰传播速度时，火焰可能逆流传播进火孔，使燃烧在燃烧器内部或在喷嘴处进行产生回火，回火可能造成燃气灶产生破坏，导致燃烧器烧毁，玻璃面板、陶瓷面板爆裂、不锈钢面板发黑，内部布线、控制器件损毁等事故，同时又由于是不完全燃烧，释放大量的有毒气体，既带来财产损失又危及用户的使用安全。
另一方面，H2与CNG混合程度会影响气体的燃烧性能，释放更少的CO，NOx等有毒气体，提高热值，从而提高燃气的利用效率，降低对环境的污染，达到节能减排的效果，因此为了能够达到更好的混合气（HCNG）燃烧利用性能，开发高效便捷的混合器结构十分关键。
国内外学者对于混合器结构也进行了大量研究，主要涉及混合器类型和混合器结构改进优化。一些学者利用稳压罐对于气体进行混合，形成稳定的混合气HCNG,既可以降低由于管路压力波动造成的系统控制不稳定,又有足够的稳压罐容积以满足试验要求。稳压罐虽然能够在大范围供应居民用气过程中具有管路供气稳定，不易回火爆燃等优点。但由于体积较大，占用一定空间，而且CNG和H2混合后形成的HCNG气体存储在容器内部，容易发生危险，不适合城市居民长期大范围使用。
进一步地，一些学者对于混合器改进优化做了大量的工作，研究了静态混合器内部单元数对聚合物混合效果的影响；也有一些学者研究了气-气快速喷射混合器，分析了动量比、开孔直径、壁面开孔数及混合器长径比等因素对混合效果的影响。
本发明设计一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测试系统，通过对气体静态混合器的结构优化，测量基于不同结构混合器下的不同组分HCNG下燃具的燃烧性能。并且根据燃具内置的防回火装置，将热电阻所测量的阻值与控制器的阈值相比较，判断燃具是否发生回火以及确定掺氢比的临界值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统方案，使得家用燃气灶产品设计相关技术指标测量更为合理、便捷、准确。
本发明的技术方案如下：
基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，包括掺氢模块、混合器性能测量模块、供气模块、燃烧性能测量模块及废气处理模块，所述混合器性能测量模块与燃烧性能测量模块分别与掺氢模块相连，所述供气模块分别与混合器性能测量模块及燃烧性能测量模块相连，所述燃烧性能测量模块与废气处理模块相连；所述掺氢模块用于混合H2与CNG气体，所述混合器性能测量模块用于测量混合器的混合效果，所述供气模块用于混合气体与外界空气的混合，所述燃烧性能测量模块用于测量燃具的燃烧性能，所述废气处理模块用于有毒气体处理。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述掺氢模块包括减压站、长管拖车、电脑控制器、配气柜及减压阀；所述减压站与长管拖车分别提供甲烷、氢气，所述电脑控制器通过输入掺氢比例控制配气柜进行配气，并将配气后的混合气体通过减压阀调节压力。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述混合器性能测量模块包括压力计、静态气体混合器、旋转黏度计、气相色谱仪及流量计；所述压力计分别安装在静态气体混合器的两端，通过两个压力计的数值之差得出混合器压差，并通过压差数值评判混合器性能；所述旋转黏度计设置在静态气体混合器流出管路的旁路上，通过旋转黏度计的混合气体经过气相色谱仪测量其组分含量，并流入管道；流量计测量管道内气体流量；
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述供气模块包括第一防回气装置、第一消焰器、过滤器、U形管压力计及气泵；所述第一防回气装置内设有纯净水，混合气体通过第一防回气装置的进气管进入，在水中过滤后，经过第一防回气装置的出气管排出，并防止混合气体回流；混合气体流经第一防回气装置后进入第一消焰器，第一消焰器的作用是防止燃具燃烧发生回火时在管路中发生爆炸危险；外界空气进入首先经过空气过滤器，再经过U形管压力计测量进气管路与外界压差，起到平衡压差的作用，随后通过气体泵将外界气体送入，与通过消焰器的掺氢天然气进行混合。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述燃烧性能测量模块包括第二防回气装置、第二消焰器及燃具；将经过静态气体混合器和未经过混合器混合气体分别通入燃具进行燃烧；未经过混合器混合的气体流经第二防回气装置、第二消焰器与外界空气混合后，进入燃具燃烧；由于氢气燃烧速度快，因此在燃具内置防回火装置，通过比较热电阻值与控制器设置的阈值判断是否发生回火，从而测量出天然气掺氢对下游设备燃具燃烧性能的影响。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述废气处理模块包括通风橱，将燃具燃烧后产生的有毒气体通入到通风橱中进行处理，以此来降低对环境的污染，实现节能减排。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述静态气体混合器流出管路的上设有四个旁路管道，四个旁路管道上选取四个不同的取样点，分别测量四个取样点的黏度，求出该静态气体混合器的混合不均匀度，从而判断出混合器的混合效果。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述防回火装置包括控制器及热电阻，当燃具发生回火时，火焰回流至火孔内部，引起温度变化，热电阻阻值变大，当增大到阈值时，控制器会反馈给电脑控制器，电脑控制器通过控制配气柜中止配气过程，保证燃具安全。
所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述四个不同的取样点相邻之间互为90°。
本发明的有益效果是：
1）该试验系统通过对静态气体混合器结构优化，得到压降最小，混合效果最好的混合器，将天然气和氢气进行充分混合，使得混合气体燃烧充分，释放更少的有毒气体，提高热值，从而提高燃料的利用效率，降低对环境的污染，达到节能减排的效果；
2）为研究不同掺氢比下燃具的燃烧性能，防止掺氢比过大发生回火，该实验系统的燃气灶内置防回火装置，对燃具起到保护作用。
附图说明
图1为本发明的测量系统原理图；
图2为本发明的防回火装置示意图；
图3为本发明的混合器混合效果取样点；
图中：1-减压站、2-长管拖车、3-电脑控制器、4-配气柜、5-减压阀、6-压力计、7-气体混合器、801-阀门一、802-阀门二、803-阀门三、804-阀门四、805-阀门五、806-阀门六、807-阀门七、808-阀门八、9-旋转黏度计、10-色谱仪、11-流量计、12-第一防回气装置、13-第一消焰器、14-第二防回气装置、15-第二消焰器、16-过滤器、17-U形管压力计、18-气泵、19-燃具、191-控制器、192-热敏电阻、20-通风橱。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，由掺氢模块、混合器性能测量模块、供气模块、燃烧性能测量模块、废气处理模块构成，包括减压站1、长管拖车2、电脑控制器3、配气柜4、减压阀5、压力计6、气体混合器7、阀门一801、阀门二802、阀门三803、阀门四804、阀门五805、阀门六806、阀门七807、阀门八808、旋转黏度计9、色谱仪10、流量计11、第一防回气装置12、第一消焰器13、第二防回气装置14、第二消焰器15、过滤器16、U形管压力计17、气泵18、燃具19、通风橱20。
掺氢模块包括减压站1、长管拖车2、电脑控制器3、配气柜4、减压阀5；减压站1与长管拖车2分别提供甲烷（CH4）、氢气（H2）；电脑控制器3通过输入掺氢比例控制配气柜4进行配气，并将配气后的混合气体通过减压阀5调节压力。
混合器性能测量模块主要包括压力计6、静态气体混合器7、旋转黏度计9、气相色谱仪10、流量计11；压力计6分别安装在静态气体混合器7的两端，通过两个压力计6的数值之差得出混合器压差，进一步地通过压差数值评判混合器性能；旋转黏度计9设置在混合器流出管路的旁路上，在管道上选取四个不同的取样点，分别测量四个取样点的黏度，求出该混合器的混合不均匀度，从而判断出混合器的混合效果；通过旋转黏度计9的混合气体经过气相色谱仪10测量其组分含量，并流入管道；流量计11测量管道内气体流量。
供气模块包括第一防回气装置12、第一消焰器13、过滤器16、U形管压力计17、气泵18；混合气体经过流量计11进入第一防回气装置12，第一防回气装置12内有一定容量的纯净水，混合气体通过第一防回气装置12的进气管进入，在水中过滤后，经过第一防回气装置12的出气管排出，并防止混合气体回流；混合气体流经第一防回气装置12后进入第一消焰器13，第一消焰器13的作用是防止燃具19燃烧发生回火时在管路中发生爆炸危险；进一步地，外界空气进入首先经过空气过滤器16，再经过U形管压力计17测量进气管路与外界压差，起到平衡压差的作用，随后通过气体泵18将外界气体送入，与通过消焰器13的掺氢天然气进行混合。
燃烧性能测量模块包括第二防回气装置14、第二消焰器15、燃具19；将经过静态气体混合器7和未经过混合器混合气体分别通入燃具进行燃烧；进一步地，未经过混合器混合的气体流经第二防回气装置14、第二消焰器15与外界空气混合后，进入燃具燃烧；由于氢气燃烧速度快，因此在燃具内置防回火装置，通过比较热电阻值与控制器设置的阈值判断是否发生回火，从而测量出天然气掺氢对下游设备燃具燃烧性能的影响。
废气处理模块包括通风橱20，将燃具燃烧后产生的CO,NOx等有毒气体通入到通风橱20中进行处理，以此来降低对环境的污染，实现节能减排。
如图2所示，是“一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统”的防回火装置示意图，燃具内置防回火装置，该回火装置由控制器191、热电阻192组成。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的；控制器内部设置温度阈值；
进一步地，当燃具19发生回火时，火焰回流至火孔内部，引起温度变化，热电阻阻值变大，当增大到阈值时，控制器191会反馈给电脑控制器3，电脑控制器3通过控制配气柜4中止配气过程，保证燃具19安全。
如图3所示，是“一种基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统”的混合器混合效果测量试验取样点示意图，为保证管道的密闭性，因此在静态气体混合器7出口管道处选取四个不同截面进行取样（四个不同的取样点相邻之间互为90°），为测定混合器的混合效果，在每个截面上选取一个点，每个点的曲率半径
和角度θ各不同；
进一步地，将四个不同截面的取样点通入到旋转黏度计9中，进行单点测量，测量不同取样点的黏度，即
；
进一步地，平均黏度
计算表达式为：
式中：μ为平均黏度，mPa∙s；μ 1~μ 4为单个样品黏度，mPa∙s。
标准差S计算表达式为：
混合不均匀度
计算表达式为：
同样地，若混合不均匀度均小于5%，则可以证明静态混合器混合效果良好。
Claims (9)
1.基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，包括掺氢模块、混合器性能测量模块、供气模块、燃烧性能测量模块及废气处理模块，所述混合器性能测量模块与燃烧性能测量模块分别与掺氢模块相连，所述供气模块分别与混合器性能测量模块及燃烧性能测量模块相连，所述燃烧性能测量模块与废气处理模块相连；所述掺氢模块用于混合H2与CNG气体，所述混合器性能测量模块用于测量混合器的混合效果，所述供气模块用于混合气体与外界空气的混合，所述燃烧性能测量模块用于测量燃具的燃烧性能，所述废气处理模块用于有毒气体处理。
2.根据权利要求1所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述掺氢模块包括减压站（1）、长管拖车(2)、电脑控制器（3）、配气柜（4）及减压阀（5）；所述减压站（1）与长管拖车（2）分别提供甲烷、氢气，所述电脑控制器（3）通过输入掺氢比例控制配气柜（4）进行配气，并将配气后的混合气体通过减压阀（5）调节压力。
3.根据权利要求1所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述混合器性能测量模块包括压力计（6）、静态气体混合器（7）、旋转黏度计（9）、气相色谱仪（10）及流量计（11）；所述压力计（6）分别安装在静态气体混合器（7）的两端，通过两个压力计（6）的数值之差得出混合器压差，并通过压差数值评判混合器性能；所述旋转黏度计（9）设置在静态气体混合器（7）流出管路的旁路上，通过旋转黏度计（9）的混合气体经过气相色谱仪（10）测量其组分含量，并流入管道；流量计（11）测量管道内气体流量。
4.根据权利要求1所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述供气模块包括第一防回气装置（12）、第一消焰器（13）、过滤器（16）、U形管压力计（17）及气泵（18）；所述第一防回气装置（12）内设有纯净水，混合气体通过第一防回气装置（12）的进气管进入，在水中过滤后，经过第一防回气装置（12）的出气管排出，并防止混合气体回流；混合气体流经第一防回气装置（12）后进入第一消焰器（13），第一消焰器（13）的作用是防止燃具（19）燃烧发生回火时在管路中发生爆炸危险；外界空气进入首先经过空气过滤器（16），再经过U形管压力计（17）测量进气管路与外界压差，起到平衡压差的作用，随后通过气体泵（18）将外界气体送入，与通过消焰器（13）的掺氢天然气进行混合。
5.根据权利要求1所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述燃烧性能测量模块包括第二防回气装置（14）、第二消焰器（15）及燃具（19）；将经过静态气体混合器（7）和未经过混合器混合气体分别通入燃具进行燃烧；未经过混合器混合的气体流经第二防回气装置（14）、第二消焰器（15）与外界空气混合后，进入燃具燃烧；由于氢气燃烧速度快，因此在燃具内置防回火装置，通过比较热电阻值与控制器设置的阈值判断是否发生回火，从而测量出天然气掺氢对下游设备燃具燃烧性能的影响。
6.根据权利要求1所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述废气处理模块包括通风橱（20），将燃具燃烧后产生的有毒气体通入到通风橱（20）中进行处理，以此来降低对环境的污染，实现节能减排。
7.根据权利要求3所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述静态气体混合器（7）流出管路的上设有四个旁路管道，四个旁路管道接在静态气体混合器（7）流出管路的四个不同位置，从而获得四个不同的取样点，分别测量四个取样点的黏度，求出该静态气体混合器的混合不均匀度，从而判断出混合器的混合效果。
8.根据权利要求5所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述防回火装置包括控制器（191）及热电阻（192），当燃具（19）发生回火时，火焰回流至火孔内部，引起温度变化，热电阻阻值变大，当增大到阈值时，控制器（191)会反馈给电脑控制器（3），电脑控制器（3）通过控制配气柜（4）中止配气过程，保证燃具（19）安全。
9.根据权利要求7所述的基于气体混合器结构优化的天然气掺氢燃烧性能测量系统，其特征在于，所述四个不同的取样点相邻之间互为90°。
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