CN113406023A - 天然气可燃气体组分浓度在线测量装置 - Google Patents

天然气可燃气体组分浓度在线测量装置 Download PDF

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张钰钦
王迪
卢昌浩
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Abstract

本发明公开了一种天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，结构为：燃气管路的一端为进气口，另一端连接气体机；进气管分别与燃气管路和气体室封装子装置连接，气体室封装子装置与排气管连接，气体室封装子装置两端设有透明窗口，两个透明窗口均设置聚光透镜，进气管旁的第一聚光透镜外侧设有LED阵列，排气管旁的第二聚光透镜外侧设有光谱仪，压力、温度传感器的一端均设置在气体室封装子装置的内部，压力、温度传感器另一端与数据采集卡连接，PC机分别与数据采集卡、LED阵列和光谱仪连接，电子控制单元分别与气体机和PC机连接。该装置可实时在线测量天然气可燃气体组分浓度，进而解决因浓度快速变化引起的发动机熄火、不稳定运行等问题。

Description

天然气可燃气体组分浓度在线测量装置
技术领域
本发明涉及气体燃料发动机技术领域，特别涉及一种天然气可燃气体组分浓度在线测量装置。
背景技术
随着节约能源与环境保护的呼声越来越高，排放法规要求的日益严格，清洁低碳化石燃料—天然气，受到越来越多的关注，天然气发动机由于其良好的热效率以及低排放的特点受到广泛重视。天然气燃料主要是由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气等混合气体组成。首先，天然气的来源不同，地理位置的差异，天然气质量季节性的变化以及生产厂家和制备工艺的差异造成了天然气质量的原位差异性，其次，大型天然气管网切换阀门、调整流量，液化天然气罐较轻分子先于较重分子蒸发，液化天然气船螺旋桨扭矩的突然变化导致流向发动机燃气流量的改变，造成了天然气质量的使用过程差异性。
研究表明，奥托循环发动机对天然气的质量变化非常敏感，甲烷值与热值作为评价天然气质量的评价指标，受到国内外的广泛关注。无论是研究天然气的甲烷值还是研究天然气的热值，均离不开研究天然气可燃气体组分浓度这个核心问题，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷作为天然气中可燃气体组分，组分浓度的快速变化将会带来奥托循环发动机的不稳定运行，有些情况下可能导致发动机的熄火、发动机无法正常启动、甚至损坏。
因此，亟待一种能够对天然气可燃气体组分浓度进行实时在线测量装置，及时了解天然气可燃气体组成浓度的变化进而对发动机进行相应的调整。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出一种天然气可燃气体组分浓度在线测量装置。
为达到上述目的，本发明实施例提出了天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，包括：燃气管路、进气管、气体室封装子装置、透明窗口、LED阵列、第一聚光透镜、第二聚光透镜、压力传感器、温度传感器、数据采集卡、PC机、光谱仪、电子控制单元、气体发动机和排气管，其中，所述燃气管路的一端为天然气进气口，另一端连接所述气体发动机；所述进气管分别与所述燃气管路和所述气体室封装子装置连接，所述气体室封装子装置与所述排气管连接，所述气体室封装子装置两端分别设有透明窗口，两个透明窗口均设置一个聚光透镜，所述进气管附近的第一聚光透镜外侧设有所述LED阵列，所述排气管附近的第二聚光透镜外侧设有所述光谱仪，所述压力传感器和所述温度传感器的一端均设置在所述气体室封装子装置的内部，所述压力传感器和所述温度传感器的另一端与所述数据采集卡连接，所述PC机分别与所述数据采集卡、所述LED阵列和所述光谱仪连接，所述电子控制单元分别与所述气体发动机和所述PC机连接。
本发明实施例的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，克服了天然气可燃气体组成浓度的快速变化所引起的发动机熄火，无法正常运行，天然气热值以及天然气抗爆性能指标甲烷值的计算等问题，且装置具有在线、实时、精度高、低成本、结构紧凑、反应迅速、非接触测量等优点。
另外，根据本发明上述实施例的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述LED阵列包括m个不同中心波长的LED光源，由所述PC机依次点亮所述LED光源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述透明窗口用于将所述第一聚光透镜处理后的光射入至所述气体室封装子装置中，并将经过所述气体室封装子装置后的光射出至所述第二聚光透镜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光谱仪用于测量不同中心波长的光经所述第一聚光透镜和所述第二聚光透镜变为准直光的吸光度信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述压力传感器用于测量所述气体室封装子装置内的天然气压强值，所述温度传感器测量所述气体室封装子装置内的天然气温度值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据采集卡用于采集所述压力传感器的压强值和所述温度传感器的温度值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述PC机根据比尔-朗伯定律处理压强值、温度值和吸光度信号求解混合气体组分浓度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电子控制单元根据所述PC机计算获得混合气体组分浓度调节所述气体发动机。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置中LED阵列的结构示意图。
附图标记说明：100-天然气可燃气体组分浓度在线测量装置、1-燃气管路、2-气体发动机、3-进气管、4-气体室封装子装置、5-排气管、6-透明窗口、7-第一聚光透镜、8-第二聚光透镜、9-LED阵列、91-LED光源、10-光谱仪、11-压力传感器、12-温度传感器、13-数据采集卡、14-PC机和15-电子控制单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置。
图1是本发明一个实施例的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置的结构示意图。
如图1所示，该装置100包括：燃气管路1、气体发动机2、进气管3、气体室封装子装置4、排气管5、透明窗口6、第一聚光透镜7、第二聚光透镜8、LED阵列9、光谱仪10、压力传感器11、温度传感器12、数据采集卡13、PC机14和电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)15。
其中，燃气管路1的一端为天然气进气口，另一端连接气体发动机2；进气管3分别与燃气管路1和气体室封装子装置4连接，气体室封装子装置4与排气管5连接，气体室封装子装置4两端分别设有透明窗口6，两个透明窗口6均设置一个聚光透镜，进气管3附近的第一聚光透镜7外侧设有LED阵列9，排气管5附近的第二聚光透镜8外侧设有光谱仪10，压力传感器11和温度传感器12的一端均设置气体室封装子装置4的内部，压力传感器11和温度传感器12的另一端与数据采集卡13连接，PC机14分别与数据采集卡13、LED阵列9和光谱仪10连接，ECU15分别与气体发动机2和PC机14连接。
进一步地，本发明实施例中的燃气管路1、进气管3、气体室封装子装置4、透明窗口6和排气管5构成燃气组分流通及密封部分，不会出现漏气现象；LED阵列9、聚光透镜、入射光线、PC机14和光谱仪10构成燃气组分检测部分；压力传感器11、温度传感器12、数据采集卡13、PC机14、光谱仪10、ECU15和气体发动机2构成信号采集与传输部分。
进一步地，如图2所示，LED阵列9包括m个不同中心波长的LED光源(91等)，由PC机14依次点亮LED光源，具体地，LED阵列9中每个LED光源的中心波长均不相同，LED阵列9中LED光源的数量取决于运算方程矩阵中m的大小，且PC机14控制LED光源依次点亮，不同波长的光，进而依次被光谱仪10探测其吸光度信号。该LED光源的光线稳定、可靠性高、小型化容易集成、寿命长、对恶劣环境的适应能力强且价格便宜。
其中，运算方程矩阵为：
[Z]＝lge·L·[X][Y] (1)
Figure BDA0003080280670000041
其中，温度、压力条件下的矩阵方程[X]，通过对矩阵[Z]的测量，即可求解出矩阵[Y]，需要说明的是，[X]后面的λ1Lλm是代表解释矩阵X的意思，仅为标注，表示第一行代表λ1测出来的数据，不是方程的一部分。
进一步地，透明窗口6用于将第一聚光透镜7处理后的光射入至气体室封装子装置4中，并将经过气体室封装子装置4后的光射出至第二聚光透镜8。
进一步地，光谱仪10用于测量不同中心波长的光经第一聚光透镜7和第二聚光透镜8变为准直光的吸光度信号。
进一步地，压力传感器11用于测量气体室封装子装置4内的天然气压强值，温度传感器12测量气体室封装子装置4内的天然气温度值。
进一步地，数据采集卡13用于采集压力传感器11的压强值和温度传感器12的温度值。
进一步地，PC机14根据比尔-朗伯定律处理压强值、温度值和吸光度信号求解混合气体组分浓度。
具体地，该部分涉及到吸光度计算，吸光度的线性叠加性，吸收光谱，比尔-朗伯定律，矩阵方程运算，多波长拟合等。
吸光度的定义如下：
Figure BDA0003080280670000042
其中，A吸光度，I0初始光强，It透射光强；
比尔-朗伯定义如下：
Figure BDA0003080280670000051
其中，
Figure BDA0003080280670000052
气体吸收截面，L光程，C气体浓度；
整理公式(4)可得：
Figure BDA0003080280670000053
由吸光度的线性叠加性可知：
A＝A1+A2+…+Am (6)
吸光度由波长，温度，压力，光程所决定，需要在测量系统中事先测量出不同波长，温度，压力条件下的吸收截面，即公式(2)中的[X]矩阵，[X]矩阵是m×n阶矩阵，m代表不同LED光源个数，n代表待测混合气体组分个数，且满足m≥n，当m＝n时，代表未知浓度数等于求解方程数，直接可以得到矩阵[Y]，当m＞n时，代表方程个数大于未知浓度数，故存在矩阵方程无确定解，设置信度为ε(例如ε＝0.05)，当矩阵[X][Y解]的结果[Z解]满足，|Am解-Am|≤ε，即可认为矩阵[Y解]满足此矩阵方程，当m＞n时，可以提高浓度求解的精确度。
Figure BDA0003080280670000054
代表在一定温度和压力条件下，第m个波长的第n种组分的吸收截面。矩阵[Z]为m×1阶矩阵，代表测量的m个吸光度结果，其中初始光强I0在未通入燃气组分时测量。矩阵[Y]是n×1阶矩阵，代表n个混合气组分的各自浓度。
通过对公式(5)与公式(6)的整理，结合多波长求解，即可得到公式(1)矩阵方程及混合气组分浓度[Y]，其中，L是光程，测量系统的已知参数。
进一步地，电子控制单元ECU15根据PC机14计算获得混合气体组分浓度预先调节气体发动机。
因此，本发明实施例的具体工作过程为：燃气管路1中的天然气经进气管流入气体室封装子装置4中，充入气体室后经排气管5流回燃气管路1，LED阵列9由LED电源供电，PC机14控制LED阵列9依次点亮阵列中的LED光源，使LED阵列9中的不同波长LED光源发出不同波长的光，发射出的不同波长且发散的光经过第一聚光透镜7变为准直光后，在经过透明窗口6，入射到气体室封装子装置4中，不同波长的光被天然气吸收能量后，光强衰减，初始光强与被天然气吸收后的光强(透射光强)满足比尔-朗伯定律，光线经过气体室，通过另一端的透明窗口6，经第二聚光透镜8聚光后，光谱仪10探测其吸光度信号，光谱仪10将探测到的吸光度信号传输到PC端，数据采集卡13将采集到的压力信号、温度信号，传输到PC机14，经过多波长拟合，矩阵方程运算，得到天然气可燃气体组分浓度，最后15ECU根据PC机14计算获得混合气体组分浓度调节气体发动机。
根据本发明实施例提出的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，通过对天然气发动机燃气管路通往燃烧室中天然气的采集，实现在线实时测量天然气可燃气体组分浓度的变化，克服由于可燃气体组分浓度的快速变化引起的发动机无法正常运行，天然气燃料甲烷值及热值的计算问题，整个系统操作简单、成本低、恶劣环境适应能力强、维护成本低、安全无污染、实时测量、可靠性高等优点。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，包括：燃气管路、进气管、气体室封装子装置、透明窗口、LED阵列、第一聚光透镜、第二聚光透镜、压力传感器、温度传感器、数据采集卡、PC机、光谱仪、电子控制单元、气体发动机和排气管，其中，
所述燃气管路的一端为天然气进气口，另一端连接所述气体发动机；所述进气管分别与所述燃气管路和所述气体室封装子装置连接，所述气体室封装子装置与所述排气管连接，所述气体室封装子装置两端分别设有透明窗口，两个透明窗口均设置一个聚光透镜，所述进气管附近的第一聚光透镜外侧设有所述LED阵列，所述排气管附近的第二聚光透镜外侧设有所述光谱仪，所述压力传感器和所述温度传感器的一端均设置在所述气体室封装子装置的内部，所述压力传感器和所述温度传感器的另一端与所述数据采集卡连接，所述PC机分别与所述数据采集卡、所述LED阵列和所述光谱仪连接，所述电子控制单元分别与所述气体发动机和所述PC机连接。
2.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述LED阵列包括m个不同中心波长的LED光源，由所述PC机依次点亮所述LED光源。
3.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述透明窗口用于将所述第一聚光透镜处理后的光射入至所述气体室封装子装置中，并将经过所述气体室封装子装置后的光射出至所述第二聚光透镜。
4.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述光谱仪用于测量不同中心波长的光经所述第一聚光透镜和所述第二聚光透镜变为准直光的吸光度信号。
5.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述压力传感器用于测量所述气体室封装子装置内的天然气压强值，所述温度传感器测量所述气体室封装子装置内的天然气温度值。
6.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述数据采集卡用于采集所述压力传感器的压强值和所述温度传感器的温度值。
7.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述PC机根据比尔-朗伯定律处理压强值、温度值和吸光度信号求解混合气体组分浓度。
8.根据权利要求1所述的天然气可燃气体组分浓度在线测量装置，其特征在于，所述电子控制单元根据所述PC机计算获得混合气体组分浓度调节所述气体发动机。
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