CN201804012U - 确定燃气具燃烧特性的测试实验装置 - Google Patents

Abstract

一种确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，由原料气体供应装置Ⅰ、支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ、管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、混合燃气管路稳压装置Ⅴ、压力计量与反馈装置Ⅵ、阻火装置Ⅶ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ、烟气分析和数据处理装置Ⅸ、数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ组成。该系统可通过动态、高精度的自动配气装置和燃烧特性测试程序控制软件系统，随机的、按照既定要求或程序、配制合适组分的试验气或界限气；通过燃烧测试控制系统得到燃具的不同极限燃烧工况，根据测得的各极限工况所对应的各路燃气或原料气的具体组分，计算出混合燃气的燃烧特性参数，根据相应燃烧特性参数形成各种燃烧特性曲线及基准气点位，以此描述燃气具的燃烧性能。

Description

确定燃气具燃烧特性的测试实验装置

技术领域：

本实用新型属于城市燃气领域，涉及一种确定燃气具燃烧特性曲线的测试实验装置。

背景技术：

(1)燃气具的燃烧特性与特性曲线

目前，城市燃气气源大多采用天然气(NG)、液化石油气(LPG)或人工煤气。城镇中占绝大多数的民用燃气具是大气式燃气用具。每个燃气具都有一定的适应燃气组分变化的能力。

任何燃具都是按一定的燃气成分设计的。当燃气成分发生变化而导致其热值、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧器的热负荷、一次空气系数、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中CO含量等燃烧工况就会改变。表征燃具燃烧稳定性和气质适应性的主要参数是不同燃气在该燃具上燃烧所得的燃烧特性曲线，包括离焰(脱火)、回火、黄焰和燃烧产物中CO极限含量等四条曲线。

开发燃气具时，首先要确定使用某类燃气作为该燃气具的基准气，根据该基准气设计、定型或生产。出厂前还需按照燃气基准气及界限试验气的要求(包括压力)对其进行调整检验，保证燃气具正常工作。如果城市供应的燃气为该燃气具设计时的基准气，燃气具工作状态最佳。

城镇民用燃具多数为大气式燃气具。每个燃具都有一定的适应能力，为量化其适应能力，可以用燃具适应燃气成分变化的范围来表示。适应燃气成分变化的范围称其为燃具适应域。适应域的范围越宽，表示燃具的适应能力越强。衡量燃气具正常工作的重要指标是不发生离焰、回火、黄焰、烟气中CO不超标等。影响这些现象的燃气性质是华白数与燃烧速度等。为了确定燃具适应域，通常取一个以华白数W为纵坐标，以燃烧势CP为横坐标的坐标图。根据在坐标系中燃具的燃烧特性曲线和基准气位置，可以评价燃具的燃烧性能和设计质量水平。

通常描述燃具燃烧特性曲线的指标参数可以为燃气的华白数、热值、相对密度、火焰燃烧速度、燃烧势、黄焰指数、结碳指数、燃气中某一特定组分(如甲烷或丁烷及以上)含量等，根据出现不完全燃烧、回火、脱火等工况时的燃气所对应的燃烧特性指数，选取燃气具有代表性的某二个或三个燃烧特性指数，建立二维或三维坐标系；对应测试工况坐标点形成的曲线所围成的封闭区域，就构成燃气具的稳定燃烧适应域。

燃气具生产制造企业及供应商，生产的每种型式的燃气具，尤其是新设计的燃气具，在进行型式检验、性能测试、确定燃气具的燃烧工况时，可以通过测定该燃具的燃烧特性曲线所对应的适应域：确定其适应域，精确量化其燃烧特性；还可以扩展燃气具的适用范围，提高燃气具适用燃气组分变化的准确度；对燃气具的稳定性、燃气适应性进行量化评价。

(2)当前常用配气系统

根据燃气互换性原理，使用配气系统配制出和用户地区燃气相同华白数和燃烧势等燃烧特性指数的替代气源，可用于燃气用具的检测。配气系统是燃气用具生产企业和检验机构的必备设备。

常用的配气方法，都是向某一固定容器(高压或低压)分别注入各种单一配气，从而混合成符合要求的试验气，属间歇配气。当因生产需要连续使用试验气时，应考虑连续配气系统。当有两个容器时，也可以连续供应试验气，即第一容器供气，第二容器配气。当第一容器用尽后，切换成第二容器供气。这时要求配气系统与供气(试验气)系统分开，构成间歇配气一连续供气系统。

常用的配气系统包括以下内容：

①三组分手动配气系统

三组分手动配气系统相对简单，一般由煤气表、储气罐、燃气管路组成，储气罐的容积应满足检验要求。原料气源为氢气、甲烷(或丙烷或丁烷)、氮气。配气前需要计算出原料气源的比例。然后根据预先确定的配气量，计算出三种原料气源的需要量。配气时按照三种原料气源的需要量依次输入储气罐中，放置一段时间即可使用。

②三组分连续压力配气系统

三组分连续低压配气设备一般由控制柜、配气柜、储气罐等组成。

原料气源通常为氢气、甲烷(或丙烷或丁烷)、氮气。配气装置通过气动阀、压力传感器控制原料气源的比例，实现自动配气。原料气源在配气罐中混合后进入储气罐中储存，储气罐装有行程开关组件，通过行程开关组件的控制实现连续配气。

③三组分连续流量配气系统

三组分连续流量配气系统，一般由配气钢瓶、混气单元、阀门组、储气罐、控制装置等组成。通过配气机将三组分的原料气按比例混配后，流入系统后连接的储气罐中。一般一套配气系统后面可以连接一个或多个储气罐，根据生产用气计划，将配制的试验气，通过切换阀门组，流入各组储气罐中。并通过控制装置巡检配气机后连接的各组储气罐内的燃气体积，当某罐内燃气低于一定量时，自动开启配气机，进行补气。

常用配气系统，不论是间歇配气系统还是连续配气系统，一般采用三种原料气，进行三组分的配气计算和控制。虽然操作简单，换算方便，但体积庞大，配气罐或储气罐是必需的装置。配制的试验气也不能立即使用，必须进行静止放置，使罐内气体充分混合均匀后，才能输送使用。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种实现测定燃气具燃烧特性的实验装置，该装置可通过动态、高精度的自动配气装置和燃烧特性测试控制软件系统，随机的、按照既定要求或程序、配制合适组分的试验气或界限气；通过燃烧测试控制系统得到燃具的不同极限燃烧工况，根据测得的各极限工况所对应的各路燃气或原料气的具体组分，计算出混合燃气的燃烧特性参数，根据相应燃烧特性参数形成各种燃烧特性曲线及基准气点位，以此描述燃气具的燃烧性能。

如上构思，本实用新型的技术方案是：一种确定燃气具燃烧特性的测试实验系统，其特征在于：由原料气体供应装置Ⅰ、支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ、管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、混合燃气管路稳压装置Ⅴ、压力计量与反馈装置Ⅵ、阻火装置Ⅶ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ、烟气分析和数据处理装置Ⅸ、数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ组成；

其中，原料气体供应装置Ⅰ、支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ、管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、压力计量与反馈装置Ⅵ、混合燃气管路稳压装置Ⅴ、阻火装置Ⅶ、压力计量与反馈装置Ⅵ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ依次连接；压力计量与反馈装置Ⅵ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ和烟气分析、数据处理装置Ⅸ的输出端与数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ的输入端连接；支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ与数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ双向连接。

上述原料气体供应装置Ⅰ为多路单一气体组分或多路多气体组分构成的配气原料气输送支管路，各支管路上分别依次安装压力调节与计量装置、控制阀门。

上述支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ由兼具高精度流量计量与阀门动态控制功能的质量流量控制器或层流式流量计、数据传输线、数据转换装置组成；工控机通过A/D及D/A转换装置、数据线与质量流量控制器或层流式流量计连接，实现数据信号与控制指令的双向传输。

上述压力计量与反馈装置Ⅵ由压力变送器或压力计(或压力表)和阀门组成，传输的数字压力信号通过数据线和数据转换装置与工控机连接。

上述管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、阻火装置Ⅶ构成燃气管路安全保障系统；其中，管路切断装置Ⅲ为安装于支管路的球阀或电磁阀及混合管路的控制阀；其放散装置Ⅳ由放散阀、放散管路、放散燃烧器组成，放散压力≤10kPa；其阻火装置Ⅶ由两只阻火器和一只切断阀门依次连接组成。

上述混合燃气管路稳压装置Ⅴ由混合气体电磁阀门组或阀门组、气体稳压器组成；在系统上为连接的四路并联稳压气体管路：其中三条并联燃气稳压支管路为工作管路，另一支管路为旁通管路。

上述终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ由燃气具燃烧器、火焰监测器和烟气取样器组成；其中燃气具燃烧器一般为大气式燃烧器。

上述烟气分析和数据处理装置Ⅸ由烟气分析仪、数据传输与转换装置组成。

本实用新型的优点是：该确定燃气具燃烧特性的测试系统，可将多种配气原料气以随机的体积或质量流量进行混配，由程序自动控制各路原料气的流量或质量，实现多路配气原料气支管路同时动态、高精度输出合适流量的配气原料气体，燃气组分随机可调，多种原料气输出混合后形成各种燃烧工况的试验气。配制的试验气在燃具上燃烧测试后，其燃烧烟气数据和火焰工况可以进行自动采集和处理。根据燃气具各种燃烧工况点时系统自动采集的各路配气原料气的流量、压力等数据，可以自动计算该燃烧工况点所对应的燃烧特性参数，并进行相应燃烧特性曲线的绘制和数据处理。

附图说明：

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型的系统流程图。

具体实施方式：

如图1所示：一种确定燃气具燃烧特性的测试实验装置。包括硬件系统和软件系统两部分。其硬件系统由原料气体供应装置Ⅰ、支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ、管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、混合燃气管路稳压装置Ⅴ、压力计量与反馈装置Ⅵ、阻火装置Ⅶ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ、烟气分析和数据处理装置Ⅸ、数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ组成；其软件系统为燃气具燃烧特性测试程序控制软件系统。

其中，原料气体供应装置Ⅰ、支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ、管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、压力计量与反馈装置Ⅵ、混合燃气管路稳压装置Ⅴ、阻火装置Ⅶ、压力计量与反馈装置Ⅵ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ依次连接；压力计量与反馈装置Ⅵ、终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ、烟气分析和数据处理装置Ⅸ的输出端与数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ的输入端连接；支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ与数据转换装置Ⅹ和工控机Ⅺ双向连接。

上述原料气体供应装置Ⅰ为多路单一气体组分或多路多气体组分构成的配气原料气输送支管路，各支管路上分别依次安装压力调节与计量装置、控制阀门。

上述支管路气体流量计量与控制装置Ⅱ由兼具高精度流量计量与阀门动态控制功能的质量流量控制器或层流式流量计、数据传输线、数据转换装置组成；工控机通过A/D及D/A转换装置、数据线与质量流量控制器或层流式流量计连接，实现数据信号与控制指令的双向传输。

上述压力计量与反馈装置Ⅵ由压力变送器或压力计(或压力表)和阀门组成，传输的数字压力信号通过数据线和数据转换装置与工控机连接。

上述管路切断装置Ⅲ、放散装置Ⅳ、阻火装置Ⅶ构成燃气管路安全保障系统；其中，管路切断装置Ⅲ为安装于支管路的球阀或电磁阀及混合管路的控制阀；其放散装置Ⅳ由放散阀、放散管路、放散燃烧器组成，放散压力≤10kPa，可将管路中的多余混合燃气放散掉，以保证总混合管路的压力和流量稳定；其阻火装置Ⅶ由两只阻火器和一只切断阀门依次连接组成，防止管路内燃烧速度较高的可燃气体回火燃烧。

上述混合燃气管路稳压装置Ⅴ由混合气体电磁阀门组或阀门组、气体稳压器组成；在系统上为连接的四路并联稳压气体管路：其中三条并联燃气稳压支管路为工作管路，另一支管路为旁通管路。

上述终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ由燃气具燃烧器、火焰监测器和烟气取样器组成；其中燃气具燃烧器一般为大气式燃烧器。其火焰监测器主要监测燃气具燃烧器上火焰的燃烧工况变化，并将其变化转换为数字信号传入工控机。其烟气取样器对燃烧烟气进行取样。

上述烟气分析和数据处理装置Ⅸ由烟气分析仪、数据传输与转换装置组成。

如图2所示：0为原料气瓶或气源；1-1～1-4为气体减压阀；2-1～2-5为体积或质量流量控制器或层流式流量计；3-1～3-12为切断球阀；4为混气汇流管；5为放散阀；6-1～6-4为电磁阀或球阀；7为放散燃烧器；8-1～8-3为稳压阀；9-1～9-2为压力表；10-1～10-2为阻火器；11为压力传感器；12为火焰监测器；13为燃气灶具；14为烟气取样器；15为烟气分析仪；16为数据转换器；17为工控机；18为液化石油气类原料气加热器。

各支管路气体经调压、流量(质量)计量后，通过支管路控制阀门出口与汇流管连接。汇流管出口连接有三通，一路连接放散阀及放散燃烧器，放散压力不大于10kPa，将总管路中的多余混合燃气放散；另一路与压力变送器或压力计连接，压力变送器或压力计连接工控机，同时该路通过切断球阀连接四路并联稳压气体管路；并联燃气稳压管路三条支管路为工作管路，依次安装电磁阀或球阀和稳压阀；将配制的混合燃气调压，使压力稳定在1kPa～5kPa之间，另一支管路为旁通管路，安装有电磁阀或球阀。并联稳压管路末端出口汇为一总管路，分别安装阻火器、管路切断阀、压力计、燃气具燃烧器。燃气具连接有烟气取样器和烟气分析仪，对燃烧烟气进行取样、测量和数据传输；燃气具的燃烧工况通过火焰监测器进行监控。

本实验系统的燃气具燃烧特性测试控制软件系统，包括流程控制软件、管路气体体积(质量)流量或压力数据传输与转换软件、数据自动处理与燃气燃烧特性曲线绘制软件等。该软件程序是在工控机内，按照一定运行规则编译的，可以实现燃烧特性气体配制、实时流程控制、数据自动处理、保存和打印的软件系统。通过程序控制各管路的气体流量和阀门开度，保证合适的燃气流量，实现燃气具的各种燃烧工况；并接收测试实验系统中的流量、压力和温度等燃气数据，及烟气中的CO、O₂、CO₂、NOx含量等数据，与燃具的燃烧火焰工况信号；实现燃烧流程控制、数据接收与处理、燃烧特性分析、燃烧特性曲线绘制、计算结果存储、打印等功能的综合软件控制系统。

本实验装置可以实现：

①全组分燃气的配气或基于互换性原理的燃气试验气的配制；可以进行不同城市燃气组分的模拟配制，根据具体城市燃气的气质要求，可精确配制不同的城市基准气，供各种燃具使用。

②基于开发的动态、高精度的自动配气装置，可以进行实时(响应时间在6s以内)、配气组分可调可控、配气精度在1％以内的自动化配气。

③通过多路气体管路的实时流量控制，可以自由、随机的配制燃气具的各种试验气和界限气，进行燃具燃烧特性的测试，得到燃具的离焰(脱火)、回火、CO超标及黄焰等不同极限特征工况，根据极限工况对应的燃气的流量或组分，进行燃具各燃烧特性曲线图形的绘制。

控制操作步骤如下：

开始前状态，测试系统中所有原料气瓶及管道气全部关闭，相应管路的阀门处于常闭状态。按照测试系统要求，安装好燃气具，开启工控机电源及相应电源。之后，

1、燃气具基准气燃烧工况与燃烧模式确定

(1)燃气具基准气类别已知时，

①如基准气为外接的管道燃气，则：打开基准气管道阀门3-1、3-2、3-9、3-11，打开混合气体并联管路中电磁阀6-2，点燃燃气具13的燃烧器，将供气压力稳定至额定灶前压力p₀后，调整燃气具工况至最佳燃烧状况，使燃烧器火孔的内外焰清晰、火焰高度稳定。

②进行燃烧火焰数据特征采集或确定及气体参数采集(压力、温度、流量)。根据色谱分析或基准气管路上流量计2-1的反馈数据，计算出基准气的燃烧特性参数，如热值Hs、华白数W、燃烧势CP、黄焰指数Ij等。

③当基准气不是外接的管道气时，根据燃气具铭牌上标注的燃气类别，按照预先设定或手工输入的试验气各组分的体积比例，打开各原料气瓶开关及减压阀1-1～1-4，开启相应原料气管路的流量控制器2-2至2-5等至合适的流量开度，使符合该基准气组分比例的各原料气输出，形成基准混合燃气。完成上面的燃气具基准气工况调整。

(2)燃气具基准气类别未知时，

①打开控制系统，进行燃气具燃气类别确定。首先使用CH₄支管路气，点燃燃气具，调整燃具的风门开度，看是否为最佳燃烧工况。

②如果是，则该灶具为天然气类12T燃气具。

③如果不是最佳工况，则根据GB/T13611-2006标准《城镇燃气分类和基本特性》中表2对应基准0#气的组分比例，开启测试系统中相应支管路的流量控制器至相应开度，分别进行天然气类(10T、6T、4T、3T)和人工气类(7R、6R、5R、4R、3R)0#气的基准气测定，直至确定出该燃气具的基准气类别。

④当以上步骤完成后，仍未检出最佳燃烧工况，则该燃气具的适用燃气为液化石油气，此时关闭上面的CH₄、H₂、N₂等各支管路流量控制器。

⑤开启C₃H₈、C₄H₁₀等管路，按照19Y、20Y、22Y基准0#气的组分要求，判定燃气具对应的基准燃气类别。

2、燃气具燃烧特性测定

燃气具燃烧特性测定，主要是进行燃气具极限燃烧工况的测试，一般分别测试离焰(脱火)、回火、CO超标、黄焰等燃烧工况，进行一系列极限工况状态点时对应界限燃气组分的数据采集和处理。根据采集的各支管路的流量控制器的体积流量或组分比例，计算对应的燃烧特性参数，绘制各燃烧特性曲线。

Claims (8)

1.一种确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：由原料气体供应装置I、支管路气体流量计量与控制装置II、管路切断装置III、放散装置IV、混合燃气管路稳压装置V、压力计量与反馈装置VI、阻火装置VII、终端燃气具燃烧器及测试装置VIII、烟气分析和数据处理装置IX、数据转换装置X和工控机XI组成；

其中，原料气体供应装置I、支管路气体流量计量与控制装置II、管路切断装置III、放散装置IV、压力计量与反馈装置VI、混合燃气管路稳压装置V、阻火装置VII、压力计量与反馈装置VI、终端燃气具燃烧器及测试装置VIII依次连接；压力计量与反馈装置VI、终端燃气具燃烧器及测试装置VIII和烟气分析、数据处理装置IX的输出端与数据转换装置X和工控机XI的输入端连接；支管路气体流量计量与控制装置II与数据转换装置X和工控机XI双向连接。

2.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述原料气体供应装置I为多路单一气体组分或多路多气体组分构成的配气原料气输送支管路，各支管路上分别依次安装压力调节与计量装置、控制阀门。

3.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述支管路气体流量计量与控制装置II由兼具高精度流量计量与阀门动态控制功能的质量流量控制器或层流式流量计、数据传输线、数据转换装置组成；工控机通过A/D及D/A转换装置、数据线与质量流量控制器或层流式流量计连接，实现数据信号与控制指令的双向传输。

4.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述压力计量与反馈装置VI由压力变送器或压力计或压力表和阀门组成，传输的数字压力信号通过数据线和数据转换装置与工控机连接。

5.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述管路切断装置III、放散装置IV、阻火装置VII构成燃气管路安全保障系统；其中，管路切断装置III为安装于支管路的球阀或电磁阀及混合管路的控制阀；其放散装置IV由放散阀、放散管路、放散燃烧器组成，放散压力≤10kPa；其阻火装置VII由两只阻火器和一只切断阀门依次连接组成。

6.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述混合燃气管路稳压装置V由混合气体电磁阀门组或阀门组、气体稳压器组成；在系统上为连接的四路并联稳压气体管路：其中三条并联燃气稳压支管路为工作管路，另一支管路为旁通管路。

7.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述终端燃气具燃烧器及测试装置Ⅷ由燃气具燃烧器、火焰监测器和烟气取样器组成；其中燃气具燃烧器为大气式燃烧器。

8.根据权利要求1所述的确定燃气具燃烧特性的测试实验装置，其特征在于：上述烟气分析和数据处理装置Ⅸ由烟气分析仪、数据传输与转换装置组成。 

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