CN113820246A - 基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其包括恒压燃烧室、与恒压燃烧室通过排气管道依次连接的干燥管、流量计、微型气泵以及储气容器；所述储气容器通过采样管道连接气体分析仪，所述储气容器通过抽气管道连接真空泵；所述排气管道位于微型气泵和储气容器之间设置有第一截止阀；所述采样管道上连通有放空管，所述放空管上设置有第四截止阀。本发明可保持燃烧室的恒压，实现天然气在燃烧室内持续稳定的燃烧，还可检测燃烧尾气中残留的天然气，对计算出的燃烧过程中放出的热量以及测得的天然气质量进行修正。

Description

基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统

技术领域

本发明涉及天然气发热量直接测量技术领域，具体涉及一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统。

背景技术

天然气在全球能源供应中发挥着重要作用。发热量是天然气的重要技术指标之一，发热量的准确测量对于全球的天然气贸易至关重要。

直接测量法可实现高准确度的发热量测量，最早实现高准确度发热量测量的是Frederick D.Rossini，其在1931年提出的基于直接测量法的量热计，测得了1atm、25℃时CH₄的发热量为890.56kJ/mol，不确定度为0.15％。该量热计基本原理是：一定质量的天然气在燃烧室内定压燃烧，燃烧过程中放出的热量被吸热介质所吸收，通过测量燃烧过程中吸热介质的温升、参与燃烧的天然气质量、量热容器的当量热容，并进行一定的修正，可计算出天然气的发热量。

由于在燃烧过程中，不能保证释放的天然气全部参与燃烧，需要对燃烧后的尾气进行取样分析，从而对计算出的释放出的天然气质量进行修正。另外，由于所测的天然气发热量是高位发热量，而燃烧生成的水不能够全部冷凝为液态水，总会残留一部分的水蒸气，因此还需要计算这部分水蒸气的凝结热，从而对计算出的天然气燃烧过程中的放热量进行修正。

中国专利CN206321595U公开了一种基于燃烧室恒压控制的尾气自动收集装置，该装置可以根据燃烧室两端的气压差值，采用控制算法实时调整伺服电机的抽气速度，以保证燃烧室内的充分稳定燃烧。但其装置体积较大，且需编程，实现过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便的基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，保持燃烧室的恒压，实现天然气在燃烧室内持续稳定的燃烧，还可检测燃烧尾气中残留的天然气，对计算出的燃烧过程中放出的热量以及测得的天然气质量进行修正。

本发明采用如下技术方案：

一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其包括恒压燃烧室、与恒压燃烧室通过排气管道依次连接的干燥管、流量计、微型气泵以及储气容器；所述储气容器通过采样管道连接气体分析仪，所述储气容器通过抽气管道连接真空泵；所述排气管道位于微型气泵和储气容器之间设置有第一截止阀；所述采样管道上连通有放空管，所述放空管上设置有第四截止阀。

进一步的，所述采样管道位于储气容器与放空管之间设置有第三截止阀。

进一步的，所述抽气管道上设置有第二截止阀。

进一步的，所述储气容器上设置有压力表。

一种利用上述尾气收集与分析系统计算参与燃烧的天然气质量及其放出热量的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

(a)对未吸收水蒸气的干燥管进行称重；称重结束后，将各设备在关闭的状态下进行连接，连接完成后，向管道内通入氩气，以排出管道内的残余空气；

(b)工作前，设定微型气泵的抽气量，该抽气量与通入燃烧室的气体总流量一致，燃烧过程中，微型气泵从抽气口抽取气体，从出气口排出，从而维持燃烧室内的恒压；经过微型气泵后的尾气不断积聚在储气容器中；

(c)燃烧后的尾气首先流经干燥管，以吸收燃烧过程中生成的水蒸气，通过计算这部分水蒸气的凝结热，以修正计算出的天然气燃烧过程中放出的热量，从而获得天然气高位发热量；

(d)燃烧结束后，继续通入氩气，以吹扫管道内残留的天然气，吹扫结束后，待所有气体混合均匀后，开启气体分析仪，将储气容器中的气体取一部分送入气体分析仪中进行检测，可测得甲烷的体积分数；通过流量计与气体分析仪的测量数据，计算出燃烧尾气中残留的天然气质量，从而计算参与燃烧的天然气质量。

所述方法中，步骤(c)中水蒸气的凝结热E_w通过下式进行计算：

式中：

——燃烧过程中产生的水蒸气质量，g；

——燃烧前干燥管的质量，g；

——燃烧后干燥管的质量，g；

——水蒸气的液化潜热，J/g。

所述方法中，步骤(d)中参与燃烧的天然气质量m_gas通过下式进行计算：

m_gas＝m_M,before-m_M,after-δ_m

式中：δ_m——未参与燃烧的天然气质量，g；

V_total——通过流量计的燃烧尾气与氩气的累计流量，L；

——储气容器中天然气的体积分数；

ρ_gas——标况下天然气的密度，g/L；

m_M,before——燃烧前储气小球的质量，g；

m_M,after——燃烧后储气小球的质量，g。

本发明的有益效果在于：本发明采用微型气泵与储气容器，实现燃烧室内的恒压与燃烧尾气的收集，保证燃烧室内天然气的持续稳定燃烧，大大减小了设备体积，节省了空间。另外，使用流量计与气体分析仪，通过流量计可测出燃烧后尾气与清扫用氩气的体积流量，气体分析仪可测得储存在储气容器中天然气的体积分数，从而对测得的天然气质量与计算出的燃烧过程中释放的热量进行修正，尽可能准确计算天然气的高位发热量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1恒压燃烧室、2干燥管、3流量计、4微型气泵、5第一截止阀、6压力表、7第二截止阀、8储气容器、9真空泵、10第三截止阀、11第四截止阀、12气体分析仪、13排气管道、14采样管道、15抽气管道、16放空管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其包括恒压燃烧室1、与恒压燃烧室1通过排气管道13依次连接的干燥管2、流量计3、微型气泵4以及储气容器8；所述储气容器8通过采样管道14连接气体分析仪12，所述储气容器8通过抽气管道15连接真空泵9；所述排气管道13位于微型气泵4和储气容器8之间设置有第一截止阀5；所述采样管道14上连通有放空管16，所述放空管16上设置有第四截止阀11。

所述采样管道14位于储气容器8与放空管16之间设置有第三截止阀10。所述抽气管道15上设置有第二截止阀7。所述储气容器8上设置有压力表6。

本发明中，燃烧后的尾气首先流经干燥管，以吸收燃烧过程中生成的水蒸气，通过计算这部分水蒸气的凝结热，对计算出的燃烧过程中放出的热量进行修正；随后流经流量计，以显示并实时记录管道内燃烧尾气的流量；紧接着流经微型气泵，在系统工作前，需设定好微型气泵的抽气量，该抽气量与通入燃烧室的气体总流量一致即可，燃烧过程中，微型气泵将从抽气口抽取气体，从出气口排出，从而维持燃烧室内的恒压；经过气泵后的尾气不断积聚在储气容器中。燃烧结束后，管道内继续通入氩气，以吹扫管道内残留的天然气等，吹扫结束后，关闭储气容器前的截止阀，待所有气体混合均匀后，开启储气容器后的截止阀、气体分析仪，将储气容器中的气体取出一部分送入气体分析仪中进行检测，可测得天然气的体积分数。通过流量计与气体分析仪的测量数据，即可计算出燃烧尾气中残留的天然气质量，从而对测得的天然气质量进行修正。

本发明具体工作和操作过程为：

在工作前，首先对未吸收水蒸气的干燥管进行称重，测得的质量记为

称重结束后，将各设备在关闭的状态下进行连接，连接完成后，打开流量计3、微型气泵4、第一截止阀5、第二截止阀7、第三截止阀10、第四截止阀11，向管道内通入氩气，以排出管道内的残余空气。排气结束后，停止氩气的供气，关闭第四截止阀11、流量计3、微型气泵4。随后打开真空泵9，对储气容器及两边的管道抽真空，结束后，关闭第二截止阀7、真空泵9、第一截止阀5、第三截止阀10。

在尾气收集阶段时，开启微型气泵4，打开流量计3、第一截止阀5，设定好抽气量，天然气在恒压燃烧室燃烧后的尾气依次经过干燥管2、流量计3、微型气泵4、第一截止阀5、储气容器8。尾气首先流经干燥管2，其中的水蒸气被干燥剂吸收，后流经流量计3，可实时测量所流经尾气的流量，经过第一截止阀5后，燃烧尾气均积聚在储气容器8中。燃烧结束后，管道内继续通入氩气，以吹扫管道中的残留气体，该部分气体最终同样积聚在储气容器8中，且其流量同样可由流量计3测得。燃烧尾气与氩气收集完毕后，读取这一段时间内流经流量计3的累计流量，记为V_total，随后关闭流量计3、微型气泵4与第一截止阀5，卸下干燥管2，再次进行称重，其质量记为

则水蒸气的质量可由式(1)计算得出，这部分水蒸气的凝结热E_w可由式(2)计算得出。

式中：

——燃烧过程中产生的水蒸气质量，g；

——燃烧前干燥管的质量，g；

——燃烧后干燥管的质量，g；

——水蒸气的液化潜热，J/g。

在尾气分析阶段时，打开第三截止阀10，气体分析仪12，将储气容器8中的气体取出一部分送入气体分析仪12中进行检测，可测得天然气的体积分数，记为

运用式(3)可计算出未参与燃烧的天然气质量，则参与燃烧的天然气质量可由式(4)计算得出。

m_gas＝m_M,before-m_M,after-δ_m (4)

式中：δ_m——未参与燃烧的天然气质量，g；

——储气容器中天然气的体积分数；

ρ_gas——标况下天然气的密度，g/L；

V_total——通过流量计的燃烧尾气与氩气的累计流量，L；

m_M,before——燃烧前储气小球的质量，g；

m_M,after——燃烧后储气小球的质量，g。

Claims (7)

1.一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其特征在于，其包括恒压燃烧室(1)、与恒压燃烧室(1)通过排气管道(13)依次连接的干燥管(2)、流量计(3)、微型气泵(4)以及储气容器(8)；所述储气容器(8)通过采样管道(14)连接气体分析仪(12)，所述储气容器(8)通过抽气管道(15)连接真空泵(9)；所述排气管道(13)位于微型气泵(4)和储气容器(8)之间设置有第一截止阀(5)；所述采样管道(14)上连通有放空管(16)，所述放空管(16)上设置有第四截止阀(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其特征在于，所述采样管道(14)位于储气容器(8)与放空管(16)之间设置有第三截止阀(10)。

3.根据权利要求1所述的一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其特征在于，所述抽气管道(15)上设置有第二截止阀(7)。

4.根据权利要求1所述的一种基于恒压燃烧室与天然气质量修正的尾气收集与分析系统，其特征在于，所述储气容器(8)上设置有压力表(6)。

5.一种利用权利要求1～4任一项所述的尾气收集与分析系统计算参与燃烧的天然气质量及其放出热量的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

(a)对未吸收水蒸气的干燥管进行称重；称重结束后，将各设备在关闭的状态下进行连接，连接完成后，向管道内通入氩气，以排出管道内的残余空气；

(b)工作前，设定微型气泵的抽气量，该抽气量与通入燃烧室的气体总流量一致，燃烧过程中，微型气泵从抽气口抽取气体，从出气口排出，从而维持燃烧室内的恒压；经过微型气泵后的尾气不断积聚在储气容器中；

(c)燃烧后的尾气首先流经干燥管，以吸收燃烧过程中生成的水蒸气，通过计算这部分水蒸气的凝结热，以修正计算出的天然气燃烧过程中放出的热量，从而获得天然气高位发热量；

(d)燃烧结束后，继续通入氩气，以吹扫管道内残留的天然气，吹扫结束后，待所有气体混合均匀后，开启气体分析仪，将储气容器中的气体取一部分送入气体分析仪中进行检测，可测得甲烷的体积分数；通过流量计与气体分析仪的测量数据，计算出燃烧尾气中残留的天然气质量，从而计算参与燃烧的天然气质量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(c)中水蒸气的凝结热E_w通过下式进行计算：

式中：

——燃烧过程中产生的水蒸气质量，g；

——燃烧前干燥管的质量，g；

——燃烧后干燥管的质量，g；

——水蒸气的液化潜热，J/g。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(d)中参与燃烧的天然气质量m_gas通过下式进行计算：

m_gas＝m_M,before-m_M,after-δ_m

式中：δ_m——未参与燃烧的天然气质量，g；

V_total——通过流量计的燃烧尾气与氩气的累计流量，L；

——储气容器中天然气的体积分数；

ρ_gas——标况下天然气的密度，g/L；

m_M,before——燃烧前储气小球的质量，g；

m_M,after——燃烧后储气小球的质量，g。

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