燃燒器檢測用標準氣體制取方法與控制過程

摘 要

摘要：探討了幾種單一組分氣體混合制取燃燒器檢測用標準氣體的方法和控制過程，分析了混氣精度的影響因素和采取的措施，分析了該方法的局限性。關鍵詞：燃氣燃燒器；標準氣體；檢測；隨動
摘要：探討了幾種單一組分氣體混合制取燃燒器檢測用標準氣體的方法和控制過程，分析了混氣精度的影響因素和采取的措施，分析了該方法的局限性。
關鍵詞：燃氣燃燒器；標準氣體；檢測；隨動流量混氣
Preparation Method and Control Process of Reference Gas for Testing Burner
MA Wen-xiang，F(xiàn)AN Xue-jun，XU Jun-xi
Abstract：The preparation method and control process of reference gas for testing burner through mixing various single-component gases are discussed. The factors influencing gas mixing precision and the taken measures are analyzed. The limitations of this method are also analyzed.
Key words：gas burner；reference gas；testing；servo flow gas mixing
1 概述
    燃氣燃燒器是使燃料和空氣以一定方式噴出混合(或混合噴出)燃燒的裝置，在鍋爐、熔爐、冶煉及熱處理等行業(yè)均有廣泛的應用[1]。目前，進口燃燒器比國產燃燒器競爭力強，故國內應用的燃氣燃燒器仍以進口為主。對于進口燃氣燃燒器，只有在符合其設計的標準氣源條件下檢測燃燒性能及排放參數(shù)等，才能準確反映其性能是否達到設計標準。因此，精確地混合出符合燃燒器設計的標準燃氣對于準確檢測燃氣燃燒器的性能至關重要。本文結合工程實際對燃氣燃燒器檢測用標準氣體的制取進行探討。
2 工程概況
    本文介紹的混氣系統(tǒng)是將丁烷、丙烯、丙烷、氫氣、氮氣及甲烷6種基本氣體中的2種或多種，按照一定比例混合，得到歐洲13種標準燃氣，用于檢測主要從歐洲進口的燃燒器[2]。混合器額定混氣能力為50～80m3/h，歐洲13種標準燃氣的組成見表1。
表1 歐洲13種標準燃氣的組成
標準氣編號
各組分的體積分數(shù)/%
CH4
C3H8
C4H10
C3H6
H2
N2
G20
100
—
—
—
—
—
G31
—
100
—
—
—
—
G30
—
—
100
—
—
—
G32
—
—
—
100
—
—
G21
87
13
—
—
—
—
G222
77
—
—
—
23
—
G23
92.5
—
—
—
—
7.5
G231
85
—
—
—
—
15
G25
86
—
—
—
—
14
G26
80
7
—
—
—
13
G27
82
—
—
—
—
18
G110
26
—
—
—
50
24
G112
17
—
—
—
59
24
由表1可見，編號為G20、G31、G30、G32的氣體為單一組分，其余編號的9種標準氣體由甲烷、丙烷、氫氣和氮氣4種基礎組分按比例混合而成。其中，甲烷用管道天然氣代替，雖然管道天然氣除甲烷外還有其他組分，但是在此僅用來檢測燃燒器的性能參數(shù)，管道天然氣即可滿足要求。
3 標準氣體的制取及控制
    燃燒器檢測用標準氣體的制取工藝見圖1(其中混氣系統(tǒng)見圖2)。
 
    圖1中，G30、G32和G31這3種標準氣體分別經氣化器和調壓穩(wěn)壓器組氣化、調壓穩(wěn)壓后，作為標準氣體直接使用；G20是由管道天然氣升壓、調壓穩(wěn)壓后作為標準氣體直接使用；其余9種標準氣體由氫氣、氮氣、管道天然氣和丙烷4種基礎氣源按比例在混合器中混合而成，其中的氫氣、氮氣經調壓后使用。
    下文詳細介紹G30、G32、G31和G20以外的9種標準氣體的制取方法。采用隨動流量的混氣方式，2種或多種待摻混氣體，1種作為主動氣源，其余作為隨動氣源，隨動氣源自動跟隨主動氣源流量的變化而變化，為了能將隨動氣源順利混入主動氣源中，通常要求隨動路的壓力略高于主動路的壓力。隨動流量混氣方式的優(yōu)點在于混合比例靈活，可實現(xiàn)多種氣體混合，混合氣體的流量可跟隨用氣量自動調節(jié)[3]。
    為了保證混氣質量和精度，需合理設計混氣調節(jié)及控制系統(tǒng)。混氣系統(tǒng)控制方案見圖2。
    按照表1中各種標準氣體的組成分別制取標準氣體。
 
   ① G21的制取
   G21是管道天然氣和丙烷按87:13進行混合。在該種模式下，控制系統(tǒng)自動切斷氫氣和氮氣管路，管道天然氣為主動氣源，丙烷為隨動氣源。設定比例后，根據管道天然氣的瞬時流量調節(jié)丙烷的瞬時流量，使混合氣體達到要求的比例。
    ② G222的制取
    G222采用管道天然氣和氫氣混合，混合比例為77:23。控制系統(tǒng)自動切斷丙烷和氮氣管路，管道天然氣作為主動氣源，氫氣作為隨動氣源，根據管道天然氣的瞬時流量調節(jié)氫氣的瞬時流量，達到要求的混氣比例。
    ③ G23、G231、G25和G27的制取
    G23、G231、G25和G27均采用管道天然氣和氮氣混合而成，只是管道天然氣和氮氣的混合比例不同。管道天然氣作為主動氣源，氮氣作為隨動氣源，控制系統(tǒng)根據不同的設定比例，分別混合出不同的標準氣體。
    ④ G26的制取
    G26是由管道天然氣、丙烷和氮氣3種氣體混合而成，比例為80:7:13。控制系統(tǒng)切斷氫氣管路，將管道天然氣作為主動氣源，丙烷和氮氣作為隨動氣源，3種氣體在混合器內均勻混合后得到G26標準氣體。
    ⑤ G110、G112的制取
    G110和G112由管道天然氣、氫氣和氮氣按不同比例混合而成。均采用管道天然氣為主動氣源，氫氣和氮氣為隨動氣源，根據設定好的比例混合而成。
    圖2中，每路均設置2個調節(jié)閥和1個流量計，第1個調節(jié)閥起調節(jié)壓力的作用，每個調節(jié)閥后設置1個壓力變送器，采集到的壓力信號被傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據實際情況調節(jié)調節(jié)閥的開度，在此采用調節(jié)閥調節(jié)壓力是因為當該路作為主動路時，調節(jié)壓力使其略低于隨動路，以實現(xiàn)雙氣或多氣摻混，該系統(tǒng)中4種基礎氣源均有作主動氣源和隨動氣源的可能，調節(jié)閥便于遠程控制調整壓力，以適應不同的混氣需求[4]。第2個調節(jié)閥起限流的作用，混合氣體中各氣體的比例是由控制系統(tǒng)根據采集到的流量信號按照設定比例控制流量計右側調節(jié)閥的開度得以實現(xiàn)。當制取某一種標準氣體時，控制系統(tǒng)以采集到的主動氣源的瞬時流量為依據，根據設定比例，通過程序計算出隨動路所需的瞬時流量，在對比隨動氣源的實際瞬時流量后，控制系統(tǒng)相應地調節(jié)調節(jié)閥的開度。在此采用PID(比例-積分-微分)算法作為調節(jié)閥開度的控制算法，在控制系統(tǒng)中，PID算法以結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便成為工業(yè)控制的主要技術之一。首先將現(xiàn)場采集量和設定量做比較，比較得到的偏差值進行PID運算，然后將運算結果作為調節(jié)量直接用于調節(jié)調節(jié)閥的開度，達到精確控制混氣比例的目的。
4 混氣精度影響因素及采取的措施
    混氣精度的影響因素主要為硬件和軟件。就硬件而言，流量計和調節(jié)閥的選擇至關重要，因為控制系統(tǒng)通過流量計和調節(jié)閥實現(xiàn)對混氣比例的控制，所以流量計的結構是否合理、精度等級是否夠高，調節(jié)閥是否有合適的流量特性、是否有足夠的調節(jié)精度、是否有足夠的靈敏度等都會直接影響到調節(jié)精度。在上述工程實例中，流量計選擇美國羅斯蒙特的一體化孔板流量計，孔板流量計是一種節(jié)流式流量計，具有結構簡單、加工安裝方便、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價格低廉等優(yōu)點。羅斯蒙特的一體化孔板流量計具有較高的精度，同時將節(jié)流件、直管段、多參數(shù)變送器(測量溫度、壓力、差壓)和流量積算裝置集成在一起，多參數(shù)變送器測得的溫度、壓力、差壓信號與流量信號在流量積算裝置中作補償運算，運算后的流量信號作為最終的實測流量信號。采用一體化的結構形式可以保證合適的直管段長度，也可以使各個部件兼容性高、匹配合理，最大限度地降低元器件兼容性、選型及連接線纜造成的誤差。
    調節(jié)閥選用美國FISHER產品，該調節(jié)閥有較高的調節(jié)精度和靈敏度，除閥體外配備定位器、執(zhí)行機構和調壓過濾裝置，整個結構采用模塊化的設計，保證了可靠性。選用等百分比流量特性，其優(yōu)點是流量小時，流量變化?。涣髁看髸r，流量變化大，即在不同的開度上具有相同的調節(jié)精度。在進行閥門調節(jié)時，閥門的開度反饋給定位器，定位器將閥門的實際開度和控制系統(tǒng)要求的閥門開度進行對比，并不斷調節(jié)，使閥門的實際開度趨于控制系統(tǒng)要求的開度，定位器與閥門構成閉環(huán)環(huán)節(jié)。
    軟件部分是指整個控制系統(tǒng)的軟件設計，而不是指某一設備的軟件。比如：流量計包括流量積算部分，這部分除硬件外還包括作積算的軟件，該軟件由廠家設計后固化在硬件中。由整套設備的工藝流程可知此系統(tǒng)為時滯系統(tǒng)，控制對象主要為調節(jié)閥，采用PID算法作為調節(jié)閥的控制算法。PID參數(shù)的整定是否合理很大程度上影響混氣系統(tǒng)的精度，首先在計算機上對控制系統(tǒng)建模，對于不同的PID參數(shù)進行在線仿真并找出合理的參數(shù)范圍，然后通過現(xiàn)場的實際調試最終確定出合適的參數(shù)。
   對于上述標準氣體，除組成外，更關心的是熱值，故在混合器出口設置熱值儀來檢測制取的標準氣體的熱值[5]。同時將檢測到的熱值反饋至控制系統(tǒng)，對混氣比例進行微調，使整個控制系統(tǒng)成為閉環(huán)系統(tǒng)。
5 局限性
    采用本設備和工藝雖然可以很好地混合出各種標準氣體，但是也有其固有的缺陷：①同一時間內只能混合得到1種標準氣體，這是因為只配置了1臺混合器，工藝流程及控制全部按1臺混合器的情況設計。②當混合得到1種標準氣體后，再混合制取其他標準氣體時需將管道中的氣體置換出來。實際混氣時，在混合得到1種標準氣體后會將管道中的氣體引至火炬點燃，但仍然會在管道中殘余一定量的氣體，這將對計劃制取的下一種標準氣體造成污染，影響混氣精度。
參考文獻：
[1] 同濟大學，重慶建筑工程學院，哈爾濱建筑工程學院，等.燃氣燃燒與應用(第2版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.
[2] 羅東曉.多氣源混配的成本優(yōu)化控制[J].煤氣與熱力，2003，23(8)：470-472.
[3] 劉新哲，章崎平.天然氣應用中的問題及解決方案[J].煤氣與熱力，2005，25(7)：26-29.
[4] 王軍玲，李興泉，田貫三，等.燃氣系統(tǒng)中調節(jié)閥相對開度變化時流量的計算[J].煤氣與熱力，2010，30(4)：A34-A42.
[5] 黃祖培，邵山.液化石油氣混空氣熱值的波動及控制[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：432-434.
 
(本文作者：馬文香1 范學軍2 徐俊西3 1.天津市公用事業(yè)設計研究所 天津 300100；2.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074；3.天津力冠能源科技有限公司 天津 300384)