CN116242796A - 一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，涉及燃气分析领域。该用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统包括含样气预处理系统、气体成分测量系统、标定系统和控制采集系统；样气预处理系统用于样气采集、输送、切换、反吹、排放，将阀门切换箱前置，位于取样器附近，可有效降低响应时间。该用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统。采用先进且成熟的全自动系统测量技术，通过上位机软件即可实现样气管路自动切换、样气压力/温度/流量的自动控制、测试仪器一键自动标定、系统远程自动反吹、测量结果计算显示输出等所有功能，测控系统高度开放。

Description

一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统

技术领域

本发明涉及燃气分析技术领域，具体为一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统。

背景技术

公开(公告)号：CN103649641B公开的用于涡轮发动机的燃烧室的检验系；公开了一种检验系统(10)，至少由检验系统壳体(12)形成，检验系统壳体包括至少一个内室(14)，至少一个内室支撑可伸长的相机支撑轴(16)，可伸长的相机支撑轴向远侧延伸穿过引导喷嘴口(18)，进入燃气涡轮发动机(22)的燃烧室(20)。检验系统(10)可包括能够捕捉高质量图像以及位置坐标的相机(24)。因此，检验系统(10)能够捕捉燃气涡轮发动机(22)的燃烧室(20)中的图像，并在随后停歇期间再次捕捉该图像，以便可分析和比较所述图像，以用于预防性的维护、故障排除等。检验系统(10)可包括用于安装在可伸长的相机支撑轴(16)上的相机(24)的三个自由度；

发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统存在的是系统不稳定，检测存在数据不稳定的情况；

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统包括含样气预处理系统、气体成分测量系统、标定系统和控制采集系统；

样气预处理系统用于样气采集、输送、切换、反吹、排放；由上游1-n通道进气输送电伴热管、1-n通道样气切换、1-n通道样气预处理系统组成，将阀门切换箱前置，位于取样器附近，可有效降低响应时间；

气体成分测量系统用于测试CO、CO2、O2、NO、NOx、UHC、H2O等样气组分，获得气态污染物和燃烧效率等性能参数，主要包括CO红外分析仪、CO2红外分析仪、顺磁氧分析仪、NOx分析仪、HC分析仪和水分析仪；

标定系统用于测试仪器标定，主要包括气瓶柜、阀门、管路、零空气发生器、气体切割器、气体探测器、气体报警主机；

数据采集控制系统由计算机、PLC控制子系统、数据采集与处理子系统、仪器仪表、测控软件组成。

优选的，所述燃气分析系统进气管路接口为取样耙出口接头。

优选的，所述燃气分析系统接口为试验器数采系统的接口和试验器PLC通讯模块的接口。

优选的，所述各用电设备电缆接口为公用工程供电端的接口。

优选的，所述气源进气管路接口为公用工程供气气源的接口。

优选的，所述排气总管接口为与大气相通处的接口。

优选的，所述性能计算所需数据传输线接口为与试验器数采系统的接口。

本发明公开了一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其具备的有益效果如下：

1、采用先进且成熟的全自动系统测量技术，全自动化控制，操作简便，系统中阀门、测试仪器及标气系统均可实现远程控制，通过上位机软件即可实现样气管路自动切换、样气压力/温度/流量的自动控制、测试仪器一键自动标定、系统远程自动反吹、测量结果计算显示输出等所有功能，测控系统高度开放；

2、设计的燃气分析系统能够处理(0～6)MPa、常温～500℃的样气，具备压力控制、过滤、除水干燥、伴热保温、流路切换、取样管路反吹等功能，使样气满足分析仪器的进口条件，同时整个系统响应时间小于10秒；

3、本方案中采用加热型无油真空泵抽取样气，自带加热功能，加热温度在(160～200)℃范围内，无油、水或其它污染样气的成分，泵对样气成分无污染。按现场实际情况及管道实际长度，为保证避免出现抽气能力不足的情况，经计算，在进口压力不低于35kPa(绝压)且管路长度不超过20m的条件下，样气流量不低于3NL/min；在入口为大气压下，出口抽气流量不小于30NL/min；当进气压力为高压时，采用管路放空、减压阀和背压阀组合进行压力调节，当进气压力为低压时，采用管路放空、真空泵组合进行压力调节，可来流为0～6MPa的样气压力稳定在1.7～2.7bar之间，采用的CAI分析仪器在分析仪表内部具有EPC自动压力调节装置，当样品压力在1.7～2.7bar(绝压)范围内的波动时，可确保进入检测器内样气稳定，从而保证了测量结果准确；

4、通过对管路附件的耐温耐压能力留有一定的裕度，确保了系统运行安全可靠；相对于样气温度控制在160±15℃的要求，整个系统所采用的阀门管件可使用的温度最低为204℃，留有较大的裕度，可确保系统免于超温风险；

5、本系统设置了两级过滤器，分别为15um和3um，完全满足测试仪器和系统中各元器件的过滤要求，并且针对烟气中含尘较多过滤器容易堵塞的问题，在过滤器前后分别设置了压力传感器用于监测过滤器前后压差的变化，以指示需要更换过滤器，过滤器为T型，无需拆除管路就可以方便更换，过滤面积大，比市面上常规过滤器使用寿命长3倍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃气分析系统原理图；

图2为本发明阀门切换箱；

图3为本发明阀门切换系统；

图4为本发明混合器结构图；

图5为本发明样气预处理系统；

图6a为本发明加热模块主视图；

图6b为本发明加热模块俯视图；

图7为本发明电加热棒结构图；

图8为本发明本系统加热模块；

图9为本发明压力自动控制流程图；

图10无油真空泵流量特性曲线图；

图11为本发明过滤器实物图；

图12为本发明保温柜实物图；

图13为本发明阀门切换箱三维布局图；

图14为本发明红外气体分析仪和内部结构图；

图15为本发明红外传感器原理图；

图16为本发明磁氧传感器原理图；

图17为本发明700HFID仪器和内部气路图；

图18为本发明FID结构及原理图；

图19为本发明700CLD结构及原理图；

图20为本发明仪表柜集成图；

图21为本发明仪表柜集成实物图；

图22为本发明仪表柜内管路布局图；

图23为本发明标定系统；

图24为本发明气瓶柜示意；

图25为本发明测试仪器自动标定界面；

图26为本发明系统组成参考图；

图27为本发明控制软件主要功能；

图28为本发明控制流程图；

图29为本发明性能参数采集构成参考图；

图30为本发明采集软件主要功能图；

图31a为本发明基于组态王开发的燃气分析软件界面；图31b为本发明基于组态王开发的燃气分析软件界面；

图31c为本发明基于组态王开发的燃气分析软件界面；

图32a为本发明基于LABVIEW开发的燃气分析软件界面；图32b为本发明基于LABVIEW开发的燃气分析软件界面；图32c为本发明基于LABVIEW开发的燃气分析软件界面；

图32d为本发明基于LABVIEW开发的燃气分析软件界面；

图33为本发明燃气温度计算流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例公开一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统。

根据附图1所示，本燃气分析系统，包含阀门切换/样气预处理系统、成分分析系统、标气系统、测控系统，可实现对燃烧室出口的样气进行采集，获得一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃碳氢(UHC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、总氮化物(NOx)、氧气(O2)和水(H2O)等成分测试，通过物质守恒和能量守恒计算得到燃烧室燃烧效率、气态污染物排放指数和燃气温度参数。燃烧室出口高温高压的样气经取样器取出后，需进行预处理后才能进入气体成分分析仪获得相应燃气成分，预处理可实现对样气的进样切换、过滤、压力调节、保温、除湿、流量调节、反吹、超压保护、抽气、泄漏检查等功能，以满足下游气体成分分析仪对样气温度、压力、流量和颗粒物含量的要求。

系统原理图如图1所示，系统主要包括以下几部分：

阀门切换和样气预处理系统，集成于阀门切换箱内，其作用是对进样进行切换，通过减压阀和真空泵流路的切换、旁路放空流量调节等方式对样气进行压力、温度和流量的控制，以及实现对样气反吹、过滤、超压保护和密封性检查等功能；

气体成分分析仪系统，集成于仪表测试柜内，主要包括仪器前样气处理、分析仪器、控制标气接入的电磁阀组以及测控模块等；其功能是对进入各分析仪器的样气进行温度控制和除水，将满足分析仪器进口要求的样气接入分析仪器，分析仪器测量样气中被测组分的体积分数，通过采集模块送到计算机保存和显示；控制模块自动控制电磁阀组接入不同的标气完成对仪器的标定；

标定系统，包含零点发生器、气体切割器、气瓶组以及配套减压阀等；其功能是为仪器工作提供辅助用气，为仪器标定提供标准气体；

自动控制系统，通过流路切换、流量调节来实现对样气温度压力流量等状态参数的自动控制，实现分析仪器的远程控制和自动标定功能；压力、温度等信号具备双路4～20mA或0～5V输出能力；大气压力、温度和湿度由数据采集卡及PLC进行采集，并实时传输至燃气分析系统的上位机；

数据采集系统，实现燃气成分数据的自动和手动采集，根据采集数据计算各种燃烧参数，如燃烧效率、油气比、燃气温度及各种污染物排放指数，并对数据进行保存和显示；

系统内处理放空、仪表柜废气均通过固定管道直接排放至室外，不污染室内环境；

采用先进且成熟的全自动系统测量技术，全自动化控制，操作简便，系统中阀门、测试仪器及标气系统均可实现远程控制，通过上位机软件即可实现样气管路自动切换、样气压力/温度/流量的自动控制、测试仪器一键自动标定、系统远程自动反吹、测量结果计算显示输出等所有功能，测控系统高度开放；

设计的燃气分析系统能够处理(0～6)MPa、常温～500℃的样气，具备压力控制、过滤、除水干燥、伴热保温、流路切换、取样管路反吹等功能，使样气满足分析仪器的进口条件，同时整个系统响应时间小于10秒；

本方案中采用加热型无油真空泵抽取样气，自带加热功能，加热温度在(160～200)℃范围内，无油、水或其它污染样气的成分，泵对样气成分无污染。

按现场实际情况及管道实际长度，为保证避免出现抽气能力不足的情况，经计算，在进口压力不低于35kPa(绝压)且管路长度不超过20m的条件下，样气流量不低于3NL/min；在入口为大气压下，出口抽气流量不小于30NL/min；当进气压力为高压时，采用管路放空、减压阀和背压阀组合进行压力调节，当进气压力为低压时，采用管路放空、真空泵组合进行压力调节，可来流为0～6MPa的样气压力稳定在1.7～2.7bar之间，采用的CAI分析仪器在分析仪表内部具有EPC自动压力调节装置，当样品压力在1.7～2.7bar(绝压)范围内的波动时，可确保进入检测器内样气稳定，从而保证了测量结果准确；

通过对管路附件的耐温耐压能力留有一定的裕度，确保了系统运行安全可靠；相对于样气温度控制在160±15℃的要求，整个系统所采用的阀门管件可使用的温度最低为204℃，留有较大的裕度，可确保系统免于超温风险；

本系统设置了两级过滤器，分别为15um和3um，完全满足测试仪器和系统中各元器件的过滤要求，并且针对烟气中含尘较多过滤器容易堵塞的问题，在过滤器前后分别设置了压力传感器用于监测过滤器前后压差的变化，以指示需要更换过滤器，过滤器为T型，无需拆除管路就可以方便更换，过滤面积大，比市面上常规过滤器使用寿命长3倍。

本燃气分析系统，包含阀门切换/样气预处理系统、成分分析系统、标气系统、测控系统，可实现对燃烧室出口的样气进行采集，获得一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、未燃碳氢(UHC)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、总氮化物(NOx)、氧气(O2)和水(H2O)等成分测试，通过物质守恒和能量守恒计算得到燃烧室燃烧效率、气态污染物排放指数和燃气温度参数。燃烧室出口高温高压的样气经取样器取出后，需进行预处理后才能进入气体成分分析仪获得相应燃气成分，预处理可实现对样气的进样切换、过滤、压力调节、保温、除湿、流量调节、反吹、超压保护、抽气、泄漏检查等功能，以满足下游气体成分分析仪对样气温度、压力、流量和颗粒物含量的要求。

系统原理图如图1所示，系统主要包括以下几部分：

阀门切换和样气预处理系统，集成于阀门切换箱内，其作用是对进样进行切换，通过减压阀和真空泵流路的切换、旁路放空流量调节等方式对样气进行压力、温度和流量的控制，以及实现对样气反吹、过滤、超压保护和密封性检查等功能；

气体成分分析仪系统，集成于仪表测试柜内，主要包括仪器前样气处理、分析仪器、控制标气接入的电磁阀组以及测控模块等；其功能是对进入各分析仪器的样气进行温度控制和除水，将满足分析仪器进口要求的样气接入分析仪器，分析仪器测量样气中被测组分的体积分数，通过采集模块送到计算机保存和显示；控制模块自动控制电磁阀组接入不同的标气完成对仪器的标定；

标定系统，包含零点发生器、气体切割器、气瓶组以及配套减压阀等；其功能是为仪器工作提供辅助用气，为仪器标定提供标准气体；

自动控制系统，通过流路切换、流量调节来实现对样气温度压力流量等状态参数的自动控制，实现分析仪器的远程控制和自动标定功能；压力、温度等信号具备双路4～20mA或0～5V输出能力；大气压力、温度和湿度由数据采集卡及PLC进行采集，并实时传输至燃气分析系统的上位机；

数据采集系统，实现燃气成分数据的自动和手动采集，根据采集数据计算各种燃烧参数，如燃烧效率、油气比、燃气温度及各种污染物排放指数，并对数据进行保存和显示；

系统内处理放空、仪表柜废气均通过固定管道直接排放至室外，不污染室内环境。

燃气分析测试系统可实现如下功能：

CO、CO2、UHC、NOx、NO、02和H2O的在线测试功能；

具备仪器一键全自动标定、系统状态自动控制、自动和手动采集数据、

与试验器的数据采集系统实时通讯、利用成分数据计算燃烧性能参数，并对数据进行保存、显示的功能；

可实现取样测点远程控制通断、取样管路正/反吹，样气的控压、控温、过滤、除水干燥、流路远程切换等功能；

系统可实现压力、温度的自动控制，实现一键全自动测量功能；

具备对进入分析仪器的气体的压力、温度、湿度等监测手段，并满足仪器进气条件；

具备对下游仪器的保护功能：样气管路切换阀门、系统总阀均采用

当仪表气失效时以上阀门处于关闭状态，可以有效地保护下游仪器。系统中设有卸荷阀，当减压阀失效时可通过卸荷阀迅速释放管道压力，软件自动判断压力状态并切断进气以保护下游仪器；

各分析仪的排气、放气路的排气都归集后排向室外，避免污染工作环境。

根据测试要求，试验器取样耙后共铺设1-n通道进样气输入管路，每通道管路配置两根等长的电伴热管，每根电伴热管温度独立控制，可加热保温至160±15℃，1-n通道进样气输送管路经加热保温后分别进入阀门切换箱。

样气管采用镜面无缝不锈钢内管的电加热保温管，表面耐磨，易于弯曲，采用卡套方式连接，在进样管靠近取样耙侧布置单点K型温度测量样气温度。采用优质316无缝不锈钢管，其尺寸为φ6，内径φ4，工作温度为500℃时其耐压10MPa，满足技术要求。

管路长度按现场实际测量长度进行预订制，并且应仔细选取，确保加热段长度接近不锈钢管的长度，电加热管的加热功率为60W/m，在电加热管的前端、中端、末端均安装有PT100铂电阻测量不锈钢管外壁的温度。由于高压样气的密度很大，在质量流量相同的情况下，其流速很低，使得通过时间变长，因此此段电加热管的长度越短越好。燃气取样器样气管出口的热电偶信号可输送到测试系统来测量取样器出口样气的温度，热电偶和铂电阻的信号由预处理柜PLC采集，电加热管通过预处理柜中固态继电器供电，基于保证样气成分不变和保护柜内的管件安全的考虑，自动控制电加热管出口样气的温度在160±15℃，控温精度不低于±1℃，温度可通过上位机软件进行设定，并在上位机软件实时显示伴热管温度。

以上伴热管的热电阻测量值接入采集控制系统，可在系统软件界面上显示、调节和控制温度；管路电气连接为220VAC50Hz，绝缘性满足《自限温伴热带的技术要求》(GB/T198352015)要求。管路连接用阀门和管接头等附件，采用美国Swagelok公司产品，耐压不低于6MPa，工作温度不低于204℃，阀门泄漏量＜0.1cm3/min；阀门和管接头等附件均做保温处理，保证样气无过冷点、无泄漏点(连接处)、无节流点。

阀门切换组件如图3所示，由气动球阀、电磁阀、单向阀、混合器及其它管路附件组成，可实现如下功能

远程样气通断：通过控制气动球阀，实现1-n通道进样气的远程通断功能，

1-n通道进样气可同时进气，即混合测量模式，也可独立进气，即单点测量模式；

良好的混合效果：设置旋转进气的锥形混合器，实现良好的混合效果，

优化的结构设计，使样气混合时间缩短至1s，缩短响应时间，

良好的取样代表性：在混合器后设置一路旁路放空使混合测量模式时，

获得更好的取样代表性，而非每通道管路单独放空，因无法十分精准控制每路放空量而带来取样代表性差的问题；(注：可按技术要求对每路样气单独放空，并不影响投标报价)

独立放空或同时放空：在混合器后设置一路旁路放空时，按时序控制5

路进气气动球阀和放空电磁阀，实现5路样气的独立放空调节功能或同时放空功能；

独立反吹或同时反吹：在混合器后设置一路反吹，按时序控制5路进气气动球阀和反吹电磁阀，实现5路样气的独立反吹功能或同时反吹功能；

关键部件选型：

气动球阀

球阀可适应工况样气温度200℃，压力6MPa。

混合器

混合器应选择合适的体积大小以减小置换时间，采用环锥形混合器的设计方案，内部容积约为3.2cm3，如图4所示，样气从混合器底部进入，从顶端流出，最大程度减少了混合器内原有样气的置换时间；锥形混合器结构可保证样气掺混均匀，避免碳烟粒子的沉积，混合器采用机械加工保证锥面粗糙度。在燃气分析测试系统无放空排气时，为满足各成分测试仪器进样测试要求，样气的流量约为10L/min，压力约为2bar，流经混合器的样气为高压样气，按试验器的最高压力6MPa，对应的样气体积流量为9.52cm3/s，按照1倍体积流量完全置换的时间是0.34s，按照3倍的体积流量完全置换的时间为1.02s，可大大减少样气预处理系统的响应时间

本方案中样气预处理系统为全自动系统，可远程对样气进行进样自动切换以及样气的降压、控温、流量调节、系统正反吹扫、过滤、超压保护抽气等所有功能，可实现一键测量。满足下游气体成分分析仪对样气温度、压力、流量和颗粒物含量的要求，主要由管路、气动阀门、减压阀、背压阀、单向阀、过滤器、卸荷阀、温度/压力/流量测量仪表以及各种接头等组成。

预处理系统集成于阀门切换箱内；

注：技术要求中切换箱和预处理均为前置，按我方模块化设计，切换及预处理集成在一起更节省占地空间，现集成至一起的柜体尺寸为800*800*1850，如要求必须切换箱及预处理系统分别设置，我方可按要求执行。

样气预处理系统主要实现的功能如下：

模块化加热保温功能：

模块化加热概念：将阀门阀体、接头置于加热模块中，对模块进行加热，通过金属间热传导实现对核心气流加热，模块化加热概念图如下图所示，加热块上下壳体是由航空铝加工成型，各需要加热保温的部件位于壳体内部空腔中，壳体内插入与加热块等长的不锈钢加热棒，外部设置莫来石不锈钢保温隔热罩，如图7所示，可保证沿程无冷点。

加热模块加热功率每个约为200W-400W，模块表面温度达到160℃-175℃时即可保证内部达到设定温度，即160±15℃。按传统加热箱方式，总加热功率约为4KW，加热板表面温度约为500℃-700℃，由于传统加热箱方式加热，热量多数为无效热量，导致升温缓慢(约为1.5-2小时)，且温度分布不均匀，柜体温度过高，对各元器件使用寿命均有很大影响。而这种模块式加热方式，金属间的导热效率很高，经我方工厂实际验证，模块裸加热至160℃仅需30分钟，加热模块表面温度＜200℃，经保温隔热后，隔离罩表面温度只有50℃-60℃，不止节约了能源，提高了效率，节省了占地空间，也极大的延长了各元器件的使用寿命。

系统设有放空路，采用减压阀和背压阀组合自动控制来流样气的压力，采用电磁阀和调节阀组合主动控制放空流量，由于放空流量远大于测量用样气流量，采用了DN6的调节阀门，阀门使用温度都不低于200℃，调节放空流量的目的有三，一是通过调节放空流量实现取样器出口样气的温度，确保取样器出口的样气温度在145～500℃之间，二是通过增加放空流量使之前的样气管路流量增加，减少高压样气在管路内的通过时间，这对降低高压状态下系统的响应时间是至关重要的，三是随着样气流量的增加，也增加了压力损失，使得背压阀控制的来流样气压力波动减少，更有利于被仪器检测的压力流量更稳定。

当来流样气压力P≥3bar时，通过减压阀、背压阀和旁路放空阀对样气压力进行控制，使仪器进气压力在2.0～2.7bar之间，可确保测试仪器处于安全的工作条件下。当来流样气压力P＜3bar时，通过旁路放空阀、无油真空泵、背压阀和背压阀后放空阀对样气压力进行控制，使仪器进气压力在2.0～2.7bar之间，可确保测试仪器处于安全的工作条件下。而后样气分成3路进入仪表柜，1路采用电加热管使样气温度保持在160±15℃，进入总碳氢分析仪；2路采用电加热管使样气温度保持在65±15℃，进入NOx分析仪；3路流经冷凝器，使样气温度冷却到4℃，然后在环境中自然升温进入CO/CO2/O2分析仪，其中C0、CO2和O2集成于1台测试仪器中。同时在样气除水前，采用电容式露点仪对样气中含水量进行测试，选择在NOx测试路进行测试，在样气除水后，在冷凝器的出口采用冷镜式露点仪测量样气的露点，进而计算出样气的含湿量，用于对红外气体分析仪测量的CO、CO2和O2体积分数进行修正。

流量调节：

整个系统进入测试仪器的流量约为5L/min，CAI仪器以进气压力作为控制目标，在系统管路确定的情况下，系统流阻特性就已确定，因此在不同进气压力下，通过预处理系统压力调节实现测试仪器进气压力在2.0～2.7bar之间，即可实现仪器进气流量为5L/min。

过滤功能：

测量路的样气首先经过15um的粗过滤器，可以过滤掉较大粒径的固态颗粒物，可以保护后面阀门内由于积存大量的固态粒子后产生故障，同时还延长了后面的3um细过滤器的使用寿命。在两个过滤器的前后各设置了压力测点，用于监控样气的压力以确认样气压力是否满足测试仪器的要求，同时还可以从过滤器前后压差的变化判断过滤器的性能，软件可通过压力自动判断过滤器的流通面积情况以判断是否需要更换过滤器的滤芯。

过压保护功能：

该系统中设置了比例卸荷阀，对预处理系统的超压具有保护作用，比例卸荷阀的设定压力为2.7bar，当管内样气压力超过2.7bar时，比例卸荷阀打开，样气从比例卸荷阀流出，管内的样气压力降低，当管内压力样气降低到1.35bar以下时，比例卸荷阀关闭，确保进入分析仪器的样气压力满足要求。确保了进入仪器的样气压力不超过规定值，保护分析仪器的安全。最高使用温度为148℃。由于样气的温度为160±15℃，为保证比例卸荷阀的安全，在其前面应预留出一定长度的散热管路，确保通过比例卸荷阀的样气温度不超过148℃。

系统泄露检查功能：

系统的气密性检查，用户直接在阀门切换箱的触屏上实现，也可在软件界面上实现。

气密性检查流程：将燃气分析测试系统进口气动球阀关闭，切断系统进气，将测试仪器进气口进行封堵，关闭反吹路电磁阀，关闭放空路电磁阀，启动真空泵，浮子流量计读数应小于0.4L/min，则管路系统具有良好的气密性，否则需要对管路进行检查排除漏气的位置。

洁净度检查功能：

洁净度检查流程：将燃气分析测试系统进口气动球阀关闭，切断系统进气，打开反吹路电磁阀，用无油空压机向系统供干净空气，样气经预处理系统处理后进入总碳氢分析仪，若总碳氢分析仪读数小于5ppm，则系统洁净，否则系统被污染，需排查污染位置。

远程手动测试功能：

燃气分析系统可处理样气压力为0～6MPa，系统压力可实现远程手动控制或自动控制测试，手动控制模式下，可以通过屏幕上的按钮控制气动球阀、高温电磁阀的开关，通过按钮启动或停止无油真空泵，通过这些阀门的组合调节，可使不同进气压力下，仪器进气压力调节至2.0～2.7bar。

全自动测试功能：

自动控制模式下，放空调节阀开度可设置为20～40％间某值，最优开度推荐设置为35％，压力控制流程如下：a，压力控制流程1，当进气压力P0≥5bar时(P0为燃烧室压力)，打开气动球阀，打开高温电磁阀，调节阀阀门开度为35％，样气在高压下，经过放空管路可增加预处理系统相应时间，然后通过减压阀和背压阀，将样气压力控制在2.0～2.7bar，满足测试仪器进气要求。b，压力控制流程2，当进气压力3<P0<5bar，关闭高温电磁阀，打开气动球阀，然后通过减压阀和背压阀，将样气压力控制在2.0～2.7bar，满足测试仪器进气要求。c，压力控制流程3，当进气压力1.2≤P0≤3bar，打开高温电磁阀，调节阀阀门开度为35％，气动三通球阀切换至真空泵路，打开真空泵后放空电磁阀，启动真空泵，泵后压力为2.5bar，满足测试仪器进气要求。d，压力控制流程4，当进气压力P0＜1.2bar，关闭高温电磁阀，气动三通球阀切换至真空泵路，启动真空泵，泵后压力为2.5bar，满足测试仪器进气要求。压力自动控制流程如图9所示。

系统设计原则

可靠性原则：

系统设计保证可靠性，确保质保期内系统每累计使用100小时，期间出现的故障不超过2次。

结构设计按实际工作载荷与可能出现的结构使用载荷的最大复合载荷进行设计，且不产生妨碍其执行预定功能的变形或损坏。

设备在设计工作条件下，寿命期内工作可靠，可以频繁启动和连续操作，性能稳定。

长期性原则：单次连续工作≮72小时，系统的设计寿命≮25年。

便于维护性原则：

系统采用模块化设计结构，便于拆装、维护及局部故障处理，比如气体分析子系统包括气体分析仪模块，高温箱模块，标定模块等；

系统采用标准化、通用化设计原则，所选用的部件尽可能采用同一品牌同一型号同一系列的部件，保证通用性和互换性，减少整个系统的备件存储。系统的管道接口位置预留足够的操作空间，气体分析机柜上的标气，辅助气体接口均为快速插拔接头，便于安装、拆卸、检查和维护；仪器仪表布置合理，方便装拆和检查；所有的部件及接头尽量选用标准件及标准接头，无需采用专用工具，便于维修时更换；

管线及电器布线规范、整齐和美观；各阀门、信号电缆、操作面板等有完善的识别标志和防错措施。所有的接线端带有不易损坏的不锈钢标牌，具有不易被污染的清晰明确的永久性标识，可以同相应插头快速对应连接，并具有足够的防错插措施，插头性能可靠，不锈蚀。所有接插件、接头处用优质自粘型热缩管进行进一步塑封，热缩后长度不小于20cm，以保证线缆在拖拽使用过程中不会造成折断或脱落。快插的接线采用冷压方式接线，压接牢固，以免在拖拉过程中造成脱落。

系统需要使用无油真空泵抽取样气，采用优质耐高温无油真空隔膜泵，铝合金壳体，不锈钢泵头，自带加热控温功能，进口PTFE阀板、钛合金膜片(PTFE膜片在高温下密封性能会减弱)，耐温260℃，极限真空度160毫巴，对样气成分没有任何影响。真空泵抽气能力不足会极大的延长系统响应时间，经计算，选择的泵真空度20kPa，在35kPa时的抽气流量达3.5L/min，常温常压下全流量为30L/min，泵头自动加热保持160-180℃，其流量特性如图10所示；

为防止碳烟粒子污染测试仪器，同时保证管路中样气流量满足CO/CO2/02、NOx、UHC等测试仪器要求，选择15um和3um的两级过滤方式，可极大的延长滤芯更换时间。过滤器采用TF型过滤器，316不锈钢材质，金属烧结滤芯，无需拆除管路就可方便更换滤芯。过滤器前后设有压力传感器，可软件自行判断是否需要更换滤芯。

该过滤器属于自主研发，卡套接头，不锈钢主体，在保证过滤精度的同时，增大过滤芯面积(过滤面积是普通过滤器过滤面积的3倍)，增加过滤器的使用寿命，最高使用温度为300℃；

开关阀主要用于控制气路通断，本系统中的开关阀有四类，一是气动球阀，用于气态污染物系统中样气的切断，可靠性较高，使用温度不低于200℃，使用压力不低于3.5MP；二是用于控制气动球阀气路的两位三通电磁阀，使用温度为常温，使用压力不低于1MPa；三是用于标气系统的球阀，使用温度为常温，使用压力不低于1MPa。四是高温电磁阀，使用温度200℃，使用压力不低于3.5MP，在压力0.5MPa，温度180℃下，阀门无泄漏。

放空流量调节阀

本系统中放空管路对提高取样器出口样气温度及减少预处理系统的响应时间有重要作用。当取样器出口的样气温度低于145℃时，通过增大放空量来使取样器出口样气温度升高，当取样器出口的样气温度高于500℃时，减小放空流量来降低取样器出口样气的温度。这是比调节通过取样器的冷却水流量更为有效地控制样气温度的方法。此外预处理系统进气压力很高时，保持被检测样气流量不变的情况下，增加放空流量可减少系统响应时间。旁路放空调节阀采用调节阀，，最高使用温度为500℃，放气路并联安全阀，以保护系统不被意外高压损坏。

减压阀

减压阀可将进气0～6.0MPa的样气减压至1.7～2.7bar，满足高压进气使用要求，高温减压阀，316不锈钢材质，减压阀自带粗滤，使用温度为200℃。

背压阀

系统中使用了背压阀位于在细过滤器后，设置了可调压力的背压阀来稳定出口样气的压力，使样气压力稳定在1.7～2.7bar之间，确保测试仪器前的进气压力更加稳定，使用温度为200℃。

冷凝器

选用带压缩机制冷器，U型最低点蠕动泵排水，可有效避免存水，流量不小于4L/min，出口温度小于4℃，对样气无污染。

阀门切换箱集成

燃气分析系统要求，用于测试的样气需全程严格保温，为了使系统加热性能更好、集成度更高，对阀门切换箱的研究经历了三个阶段，经过实践应用，第三个阶段的加热效果更好、集成度更高，三个阶段如下：

第一阶段，对阀门切换和样气预处理系统管路采用电伴热管和电伴热带组合的形式加热，此种加热方式简单易实现，但对阀门或接头等连接部件的加热效果差，易出现冷点，另外，电伴热管外形尺寸大，系统集成后导致柜体外形大而粗笨，因此此种方式不建议继续采用；

第二阶段，采用电伴热管和保温柜组合的加热形式，进入阀门切换箱前的进样管路采用电伴热管，其余的阀门、接头和其它管件均集成于保温柜内，此种方式，整体加热效果较好，可使系统沿程全部保温，但要求所有的阀门整体耐高温，如气动球阀的阀体和气动执行机构都耐高温，电磁阀的阀体和电动头都耐高温，使阀门性能指标整体偏高，使用寿命降低。另外保温柜也存在外形尺寸大的问题，由于尺寸较大，有时还会带来柜内温度分布不均匀的问题，保温柜结构如图所示。

第三阶段，采用电伴热管和模块化加热的组合形式，进入阀门切换箱前的进样管路采用电伴热管，其余的阀门、接头和其它管件均集成于加热模块内，加热块性能在样气预处理部分有详细介绍，此种方式，经工厂实验，整体加热效果很好，同时集成后阀门切换箱尺寸较小，因为是加热模块，产生故障时，直接更换加热模块即可，方便维修，本项目计划采用此种方式，若用户倾向第二种方式，我方可按用户选择实施。

采用第三阶段加热方式设计的仪表柜集成示意如图14所示，阀门切换箱尺寸初步设计为1850(H)×800(W)×800(D)mm，防护等级IP54，柜体尺寸较小，机柜主体材料为优质冷轧板，柜门及侧板壁厚不少于1.5mm，立柱厚不少于1.5mm，带有加强筋，配备可移动式万向轮毂(直径不小于4寸，单轮承重不小于200kg，并具有卡紧装置)和4个起重吊钩。

阀门切换箱集成特点如下：

标准化、通用性：阀门切换箱内是通过加热模块串联，加热模块已标准化设置，某部分加热模块出现故障，可直接更换，维修方便；

配置触摸屏：阀门切换箱配置触摸屏，可在本地实现对柜内阀门控制、温度设定和控制、压力监控等；

柜内部件及管路维护维修便宜性：系统的管道接口位置预留足够的操作空间，进出阀门切换箱的样气管接头为快速插拔接头，便于安装、拆卸、检查和维护；仪表布置合理，方便装拆和检查；所有的部件及接头尽量选用标准件及标准接头，无需采用专用工具，便于维修时更换；

管线标识清晰：管线及电器布线规范、整齐和美观；各阀门、信号电缆、操作面板等有完善的识别标志和防错措施。所有的接线端带有不易损坏的不锈钢标牌，具有不易被污染的清晰明确的永久性标识，可以同相应插头快速对应连接，并具有足够的防错插措施，插头性能可靠，不锈蚀。所有接插件、接头处用优质自粘型热缩管进行进一步塑封，热缩后长度不小于20cm，以保证线缆在拖拽使用过程中不会造成折断或脱落。快插的接线采用冷压方式接线，压接牢固，以免在拖拉过程中造成脱落

机柜：机柜四面可以方便打开，便于查找故障和维修设备。

成分分析系统

仪器前样气处理

样气流经阀门切换箱至仪器前，还需对样气进行保温、除水等处理，主要控制如下：

温度控制：

供入UHC分析仪的样气温度控制在(160±15)℃，采用电加热管控温；

供入NOx分析仪的样气温度控制在(65±15)℃，采用电加热管控温；

供入CO/CO2/O2分析仪的样气经冷凝器后，控制至4℃；

供入电容式H2O分析仪的样气温度控制在(160±15)℃；

每根电伴热管独立控温，其内核为Φ6×1mm的不锈钢管，500℃时耐压10MPa。

a.压力控制及过压保护：

样气经阀门切换箱的预处理系统后，压力调节至1.7～2.7bar，此压力是仪器最优使用压力要求，若超过2.7bar，预处理系统配有比例卸荷阀，作为安全阀将高压卸掉，保护仪器安全，系统不仅在样气预处理设置压力测点，同时CAI仪器内部也设置了进口压力监测点，方便用户监测。

系统配置1台CO/CO2/O2分析仪，仪器内有3个检测模块，一个用来检测CO的体积分数，另外一个用来检测CO2的体积分数，最后1个采用磁氧原理检测O2的体积分数；1台化学发光分析仪，采用化学发光原理检测燃气中的NO和NOx；1台总碳氢分析仪，采用火焰离子检测器测量燃气中未燃碳氢的体积分数，样气进口温度控制在160±15℃，推荐使用H2/He气作为燃料气的分析仪器，其测试结果对样气中的O2浓度不敏感，可以获得更高的检测精度。

仪器采用双通道NDIR非分光红外检测器和磁力机械式氧传感器，703气体分析仪集成NDIR红外，和磁氧检测技术，可测CO，CO2气体和O2。配置了EPC流量控制系统图，环境适应能力强，响应速度快，动态范围宽。

大部分气体能吸收不同波长的红外光并有独特的红外光谱吸收特性，吸收引起的光衰变满足朗伯比尔定律，根据该定律，气体的浓度和特定波长红外光的强度衰减成正比。

当仪器的红外光源产生的红外光穿过测量气室，气室内的被测气体将吸收特定波长的红外光而导致其衰减，通过另一侧的检测器检测该频率红外光强度，比照参比检测器的强度，可知该波长红外光的衰减系数，根据朗伯比尔定律，可计算出气体浓度。

而氧气的测量则是基于氧气的顺磁特性，即气体分子在磁场中的磁化系数不同。本仪器采用磁力机械式顺磁氧检测技术，将灌有氮气的球体(哑铃球)悬挂在非均匀的强磁场中。在工厂以氮气标定，哑铃球最终停止位置设为平衡零点。样气中所含的氧气会受磁场吸引而对哑铃结构造成转动效应。此转动效应可由光学反馈系统侦测出。将电流通过哑铃周围的反馈线圈，可产生一个恰可抵抗哑铃旋转的力量。这个力量可将哑铃结构回归原平衡零点。反馈电流的大小和样气中的氧浓度呈完全线性相关；

系统的操作和维护维修符合人机工程学要求；

机柜四面可以方便打开，便于查找故障和维修设备。

质量控制原则：

所有的原材料、元器件采购到生产过程中均有质量记录、检验、试验、验收报告等文件，应符合相应的IS09001质量管理体系，并建立相应资料档案，交付时一起提供。核心部件委托第三方进行检测，并提供检测报告；

设备制造与合同、图纸资料相符，满足现场安装、操作、试运、考核及维护的要求。全部过程按照相应质量管理体系流程操作，非标部件提供设计加工图纸，应符合相应的质量管理体系，一并建立相应文字档案；

系统中所有气体管路采用316镜面无缝管进行连接，不锈钢管采用锯片切割，切面光滑，内外修整，避免因截面变小，造成截流；

高温区同常温区穿板处均采用高温密封垫进行密封。

安全性原则：

系统设计时充分考虑安全性问题，系统工作开始前进行巡检，在确保各部件正常工作的前提下方可开始工作。所有管道接口密封安全可靠，不允许漏气。对于气态成分测量子系统，在预处理系统将样气压力调节控制在0.17～0.27MPa(绝压)以下，保证进入分析仪的样气压力能够满足分析仪的要求。燃气分析系统设有报警和手动急停功能，如遇到温度、压力超出安全范围出现重大异常(如取样耙出口样气温度高于500℃、样气减压失效等)等极端情况时，自动启动紧急报警功能，并可以直接自动或远程手动关闭取样进口，并通过紧急泄压阀释放气体；

结构布局合理，所有的设备应符合人机工程设计，保证操作及检修人员可以以健康舒适的姿势观察及操作，避免因用力过大或重心不稳产生危险；

如有危险部位，应按国家相应标准、规范做出醒目标识、安全提示并设有相应的安全防护设施。

可测试性设计与计量：

设备具有直观、便利的可测试性，在使用前可通过上位机或现场温控仪显示屏直观的观测到设备内各部件工作状态，当确认系统正常工作后方可进行正式试验测试；

系统开始工作后，如出现故障，系统能够自诊断判断故障，并有清晰明确的故障提示，以便快速的确定故障部位，并解决故障。当出现故障时，有报警信息提示，并对报警信息进行记录、存储，可以方便的查询报警信息，输出报警信息；

系统中所有传感器(包括压力、温度等)、仪表(包括气体分析仪)等在省级或以上的法定计量检测机构(优先军工计量检测机构)进行检定，并提供检定证书或具有CNAS资质的校准机构出具的校准数据与校准报告，合格后方可进行安装调试。针对提及的技术指标，可提供原厂的检查报告以证明设备符合要求。

设备(系统)保证在一个检定周期内其各项性能指标保持稳定、无衰减。

设备使用的长期保障性原则：

系统尽量选用标准部件，并且提供清晰明确的系统部件清单、备件、维护工具、检测仪器清单；

提供系统检查维护的通用工具一套；

提供不低于1年内的标准附件及易损件作为备件；

长期按市场价格提供易损件及其它部件的供应。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：包括含样气预处理系统、气体成分测量系统、标定系统和控制采集系统；

样气预处理系统用于样气采集、输送、切换、反吹、排放，由上游1-n通道进气输送电伴热管、1-n通道样气切换、1-n通道样气预处理系统组成；将阀门切换箱前置，位于取样器附近，可有效降低响应时间；

气体成分测量系统用于测试CO、CO2、O2、NO、NOx、UHC、CH4、SO2、H2O等样气组分，获得气态污染物和燃烧效率等性能参数，主要包括CO红外分析仪、CO2红外分析仪、顺磁氧分析仪、NOx分析仪、HC分析仪和水分析仪；

标定系统用于测试仪器标定，主要包括气瓶柜、阀门、管路、零空气发生器、气体切割器、气体探测器、气体报警主机；

数据采集控制系统由计算机、PLC控制子系统、数据采集与处理子系统、仪器仪表、测控软件组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述燃气分析系统进气管路接口为取样耙出口接头。

3.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述燃气分析系统接口为试验器数采系统的接口和试验器PLC通讯模块的接口。

4.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述各用电设备电缆接口为公用工程供电端的接口。

5.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述气源进气管路接口为公用工程供气气源的接口。

6.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述排气总管接口为与大气相通处的接口。

7.根据权利要求1所述的一种用于发动机燃烧室出口用全自动燃气分析系统，其特征在于：所述性能计算所需数据传输线接口为与试验器数采系统的接口。

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