Rossini法燃气热值测量装置中供气系统设计

1、Rossini法燃气热值测量装置中供气系统设计摘要：目前我国在燃气热值计量基准方面还比较落后，现有的热量计量系统还无法满足能源产业的交易要求。反观欧美国家在过去几十年内对Rossini燃烧法的相关理论和方法研究一直在进行，使其的测量不确定度进一步减小，并建立了高准确定度的Rossini型燃气热值测量的标准装置。现阶段的Rossini型燃气热值标准装置分为燃气质量测量系统、供气系统、燃气热值测量主体、烟气成分检测系统和操控软件等几个部分。本文介绍有关Rossini型燃气热值测量装置中的供气装置的相关技术，该供气装置是以Rossini型燃气热值测量技术为基础设计的。装置包含系统内各组分气体的流量调

2、节、混合以及通断控制，并配有相关压力测量装置对管路进行密封性检测，同时又能通过对气体的控制调节燃烧室温度以达到燃烧的充分性，对燃烧热值的测量提供保障。通过该装置样机的设计，将为Rossini型燃气热值测量装置系统提供稳定的供气，同时文中也会对此供气装置进行实验验证。关键词：供气系统；流量；通断；密封性中图分类号：TB941Design of Gas Supply System for Rossini Type Gas Calorific Value Measuring DeviceAbstract: At present, China is still relatively backward

3、in gas calorific value measurement datum，The existing heat metering system is unable to meet the energy industrys transaction requirements.In contrast, Europe and the United States in the past few decades theories and methods related to the study of Rossini combustion has been in, its measurement un

4、certainty is further reduced, and the establishment of a high accurate degree of Rossini gas calorific value measurement standard device.At present, the Rossini type gas calorific value standard device is divided into several parts, such as gas quality measurement system, gas supply system, gas calo

5、rific value measurement main body, flue gas composition detection system and control software.This paper introduces the relevant technology of gas supply device in the Rossini gas calorific value measuring device,The gas supply device is based on the Rossini gas calorific value measuring technology.

6、Device comprises a system within each group gas flow regulation, mixed and on-off control, and is equipped with a pressure measuring device for pipeline seal test, at the same time, through the control of gas regulating the combustion chamber temperature to achieve full combustion of, and provide se

7、curity for the measure of the heat of combustion.Through the design of the device, it will provide a stable gas supply for the Rossini gas calorific value measuring device, and also the experimental verification of the gas supply device in the paper.Keywords: supply system; rate of flow; on-off cont

8、rol; tightnessClassification:TB941目 次摘要目次1绪论11.1选题背景及意义11.2燃气热值的定义及热值测量方法21.3国内外研究现状31.4研究思路和技术路线方案41.4.1研究思路41.4.2技术路线42 设计要求和模型建立63.供气方案73.1管路设计83.1.1管道设计83.1.2管径设计93.2容器选型103.2.1容器选材103.2.2供气子系统103.3阀门控制设计和流量控制器选型103.3.1控制器选择依据114结论134.1本文核心观点134.2工作的局限134.3未来工作的意见和建议13参考文献14作者简介15学位论文数据集16V1. 绪

9、论1.1 选题背景及意义 在现代工业领域里，燃气是一种非常重要的能源介质，它不仅在铜铁企业中被广泛作为燃料使用，更在我们生活中出现，为我们的生活带来便捷。燃气在工艺上需要有大量的流量检测点，实现燃气流量的准确测量既是一个重点又是一个难点。随着大气污染加剧，环境压力不断增大以及城市化水平的逐渐提高，我国对气体燃料的消费量迅速增长。 由中国石油和化学工业联合会于2015年1月发布的一份题为我国天然气发展面临的不确定因素调究研报告（下简称“报告”）显示，2014年我国天然气的表观消费量达到1800亿立方米，同比增长了7.4%，其中进口天然气为580亿立方米，对外购天然气的依存度竟达到32.2%。而在

10、2015年，我国天然气需求也将稳定增长，预计天然气表观消费量可以达到2000亿立方米，在一次能源消费结构中占比将达66。根据国务院办公厅印发的能源发展战略行动计划（2014-2020年） 显示，到2020年，我国一次能源消费总量将控制在48亿吨标准煤左右，而天然气的消费比重在10%以上，相当于3600亿立方米；国产常规天然气、页岩气、煤层气总计目标为2450亿立方米。1由此天然气对外依存度控制在32%以内。因此未来十年我国天然气产业将持续快速发展。天然气从产地到用户需经过多道贸易交接过程，如此大的贸易交接量，其计量的准确性无疑是非常重要的。2在天然气贸易过程中，按能量（即热值）计量与计价是目前

11、国际通行的贸易结算方式，我国也将逐步实行。我国各级计量机构和能源企业在线测量中使用的大多是气体成分分析法，也有基于燃烧法的燃气热值测量仪器和装置，但一般是基于连续工作的水流法，这些方法测量不确定度在1%左右。而无论对成分分析法还是燃烧法，其仪器的检定和校准我国目前的技术和装置能力还不具备也有基于燃烧法的燃气热值测量仪器和装置，在GB/T 12206-20063中规定采用的“容克式水流热量计”是燃烧法连续工作式热值测量装置，但测量不确定度只能达到1%，而按照国际标准ISO 15971-2008规定的天然气热值测量不确定度为0.1%。3目前我国在燃气热值计量基准上面还比较落后，现有的热量计量系统还

12、无法满足能源产业的交易要求；反观欧美国家在过去几十年内对Rossini燃烧法的相关理论和方法研究一直在进行，使其的测量不确定度进一步减小，并建立了高准确定度的Rossini型燃气热值测量的标准装置。所以开展高准确度燃气热值测量技术研究，以此为基础建立我国新一代燃气热值计量标准迫在眉睫。而形成与国际接轨的计量标准体系，可以完善我国燃气热值测量的溯源和量值传递体系，为国内、国际的天然气贸易计量和当前快速发展的非常规天然气热值计量提供有效的技术支持。现阶段的Rossini型燃气热值标准装置分为燃气质量测量系统、供气系统、燃气热值测量主体、烟气成分检测系统和操控软件等几个部分。本文将对供气系统的相关理

13、论和关键技术进行研究，并解决相关技术难题。1.2 燃气热值的定义及热值测量方法根据国际标准ISO6976定义，燃气热值是指一定量的燃气完全燃烧所释放出的热量。燃烧过程中压力保持不变，燃烧产物需要冷却到燃烧之前的温度，所生成的水蒸汽冷凝并且冷却到到燃烧之前的温度。对于参考压力和温度的规定一般定义为0,101.3KPa，而燃烧环境温度一般取25。在实际应用过程中，当燃烧热量不包括烟气中水蒸气冷凝时放出的热量时，称为低位发热值，反之为高位发热值。4我国GB/T 12206-20062中采用的“容克式水流热量计”，就是基于连续工作的直接燃烧法，国内的很多研究工作也是针对这种方法。 根据工作原理不同，燃

14、气热值测量仪可分为三类：（1）氧弹测量法，即燃气样品在恒温环境下定容燃烧；（2）开放火焰燃烧法，即燃气样品在等温环境下定压燃烧；（3）催化氧化反应法，即燃气在催化作用下与氧气反应的定容无火焰燃烧。氧弹仪法测定燃料的发热量是利用在过氧的条件下，通过借助外部设备点燃测定物质，使燃料中所有能够燃烧的物质都能完全燃烧，放出热量，继而通过测量量热系统吸收的测定物质放出热量后产生的温升系数来计算物质的发热量。此方法针对气体燃料的使用不多。5开放火焰燃烧法在燃气热值测量方面的应用最为广泛。早在1882年，就有了第一台这种类型的燃气热值测量仪。这种方法又分为两类，一类是连续工作方式的，另一类是非连续工作方式的

15、。连续工作方式的工作原理是：燃气在燃烧室内持续稳定燃烧，燃烧释放的热量通过换热器传递给吸收介质，当整个系统达到稳定状态时，分别测量燃气和吸热介质的流量以及吸热介质的进出口温升，即可根据吸热介质的比热容、温升、流量等多个参数计算得出燃气的热值。为了保证反应物和燃烧产物处于同样的温度，整个装置可以放置于一个较大的水浴池中，同时采取专门设计的同轴装置来保证燃气和助燃空气的比例恒定。对于装置的标定可以采用燃烧标准燃气来实现。吸收介质一般采用空气或者水，当采用水为吸热介质时一般称为“水流吸热法”。水流吸热法的装置比较紧凑，可以便携移动，测量不确定度可以接受，因此在燃气供应商中使用较多。不过，限于燃气和吸

16、收介质的流量测量准确度不高，以及燃烧过程持续稳定性的保持比较困难，这种型式的热值测量仪测量准确度做不到很高，一般可以达到1%。非连续工作式的定压燃烧热值测量技术最早由Rossini提出。1931年，参考用于固体和液体燃料热值测量的氧弹热量计，Rossini发明了用于气体燃料热值测量的定压燃烧热值测量技术，也就是所谓的非连续式工作的开放火焰燃气热值测量方法。这种方法中，燃烧室和热交换器都置于水浴容器中，一定量的燃气在燃烧室内燃烧产生的热量传递到燃烧室周围的水中，使得水的温度升高。通过测量水的温升可以获得燃气的热值。为了尽量使水浴容器处于绝热环境中，在其外侧应还有一个充满水的夹套。而在水浴容器和夹

17、套之间用的是绝热材料或空气夹层。这种燃气热值测量装置工作前必须进行校准，一般采用标准燃气燃烧法或者电加热功率测量法来校准。Rossini燃气热值测量法中所需测量的量包括燃气的质量和各测点的温度。由于质量和温度测量都可以达到很高的准确度，因此，其热值测量的准确度也可以达到比较高的水平，所以一般用于国家燃气热值计量标准装置和实验室精确测量燃气热值的场合。1.3 国内外研究现状大约10年以前，欧洲燃气研究小组（GERG）启动了一项开发新一代参考级燃烧法天然气热值测量技术的项目，其测量不确定度目标为0.05%。参加这项研究的有法国、德国、西班牙和意大利等多个国家。这项研究工作在几年前获得成功。所开发的

18、基准热量计在德国PTB进行装配和测试。通过九种重复性测量，给出了甲烷的测量结果，高位摩尔发热量的测量值为890.578 kJmol1，与ISO6976给出的数据890.63 kJmol1相当吻合。测量值的两倍标准误差为0.023%。两次独立性不确定分析表明总不确定性达到0.05%（95%置信度）。6从上述情况来看，基于Rossini法的燃气热值测量技术，在国外对于单一气体最高水平已经达到0.05%的测量不确定度，对于非常规天然气的混合气体热值测量装置也在研究开发中，其测量不确定应在0.1%的水平。我国这方面的研究还相当欠缺，还没有自主开发的高准确度的燃气测量装置。尽管我们对这种方法的基本原理已

19、经很清楚，但是为了进行高准确度的装置开发，还必须进行具体的设计理论与方法研究，解决绝热温升的计算、燃气的准确称重、烟气量及其成分准确度检测和高准确度温控等等技术难题。我国目前对燃气的热值采用直接法或间接法得到，在GB/T 12206-2006（城镇燃气热值和相对密度测定方法）中采用“容克式水流热量计”为直接燃烧法，热值测量不确定度在1%以上。在各级计量机构和在线测量中使用的更多的是通过气相色谱分析，得到天然气的组分和含量，之后采用理论计算的方法得到被测燃气的热值，但是燃气是多组分的复杂的混合气体，难以准确得到所有的组分和含量，而且气相色谱分析属于化学计量应执行的标准气混合物(RGM)的溯源，使

20、得计量变得复杂，准确度降低。71.4 研究思路和技术路线方案1.4.1 研究思路：图1.1 Rossini型高准确度燃气热值测量系统示意图Fig.1.1 Schematic of the Rossini-type high precision gas calorific value measurement system 如图1.1所示，Rossini型燃气热值标准装置分为配气系统、燃气热值测量主体、燃气质量测量系统、操控软件和烟气成分检测系统等几个部分。Rossini燃烧法的基本工作原理是将一定质量的燃气（大约1g）送入燃烧室中进行缓慢定压燃烧，释放的热量全部由容器内的吸热介质（纯水）吸收，通

21、过测量吸热介质的温升，可得到总发热量，燃气热值可由下式计算得到： （1.1）式中，Ccal为容器内吸热介质的当量比热容（含燃烧室、搅拌器等），Tad，comb为吸热介质的温升，mgas为燃气质量，K为考虑由于系统散热等引起的热量修正。21.4.2 技术路线：1. 燃烧法燃气热值测定标准装置研发：(1) 燃气热值测量主体容器及温控系统；(2) 燃气质量测量方法和装置；(3) 供气系统；(4) 烟气成分检测系统；(5) 系统操控软件开发；2. 热值测量系统中燃气质量高准确度测量技术使用梅特勒XP2U超微量天平对一定质量（约1g）的燃气进行准确的质量测量，在消除温度、湿度、空气浮力等因素对测量结果的

22、影响下，建立相应的测试系统。以上是整个系统的技术设计路线，而本文将针对“（3）供气系统”展开研究：根据上式可知，能够准确获得当量比热容、吸热介质的温升、主要修正数据和燃气质量等，是获得高准确度燃气热值的前提。然而基于该方法的燃值测量装置仍存在许多的缺陷：（1） 供气系统的流量调节系统部件及操作较为繁琐，多数需要手动调节；（2） 并未安装管道密封性检测的装置；（3） 储气装置附属连接件质量较大，会影响称重实验的精度。所以本文针对解决以上问题展开设计，旨在提高燃气热值的测量精度。2.设计要求和模型建立本实验设计了一种用于高准确度燃烧法燃气热值测量的供气装置，该装置主要包括储气小球充气管路及燃气燃烧

23、供气管路，充气时储气小球用快速接头与充气管道，先用真空泵对小球及整个管路抽真空。将储气小球与充气管路断开并连接到燃气管路。燃烧测量时，先用氩气冲洗输气管路，温度传感器根据燃烧吸热模块中吸热介质温度控制管路中电磁阀的开闭；燃烧结束时，先关闭燃气支路的电磁阀，随后关闭氧气-氩气混合气体支路的电磁阀，保证燃烧室内的燃气尽可能都参加燃烧。本实用新型实现了对燃气管路内压力的实时测量及密封性检测，提高了燃气-氧气-氩气比例和流量的调节精度。参照图2.1所示的温升曲线为设计要求，我们利用电磁阀的开关来实现对供气管路通断的精确控制，快速控制燃气，氧气-氩气混合气体运输管路的通断。运用气体质量流量控制器实现燃气

24、、氧气和氩气流量的控制及比例调节，并实现对整个管路密封性的检测。2图2.1 恒温环境下的吸热介质温升曲线Fig. 2.1 temperature rise curve of heat absorbing medium in constant temperature environment3. 供气方案 整个供气装置主要分为两个子系统：储气小球燃气充气子系统和燃烧测量供气子系统。燃气充气子系统（参见图3.1）包括：燃气气瓶-（1）、截止阀-（18）、截止阀-（17）、真空泵-（19）、真空压力表-（16）、快速接头-（15）、储气小球-（14）。 实验系统配有高压软管以及防爆真空泵，大大提高了实

25、验的安全性；同时系统也配有较高精度的真空压力表，能较好的显示管道内的真空度并检验其是否可以达到实验的要求。对管道密封性进行检查，能够在一定程度上提高管道性能及测量精度。储气小球用快速接头与管道连接，可以使实验的操作过程变的更加简单快捷，并且减小了整个储气装置的质量，便于接下来一步的质量测量。燃气燃烧供气子系统（参见图3.2）包括：氩气气瓶-（2）、氧气气瓶-（3）、截止阀-（4）、截止阀-（5）、截止阀-（6）、气体质量流量控制器-（7）、气体质量流量控制器-（8）、气体质量流量控制器-（9）、压力表-（10）、电磁阀-（11）、电磁阀-（12）、压力传感器-（13）。 该系统同样配有高压软管

26、，很好的提高了实验的安全性；使用较高精度的气体质量流量控制器，能够使流量调节及气体按比例混合更加准确；压力表及压力传感器可以实时显示管道内的压力并用于管道密封性的检测，同样在一定程度上提高了管道性能及测量精度；电磁阀与温度传感器相连接，根据吸热介质的温度来自动控制管道的通断，从很大程度上减小了系统因人为造成的误差。图3.1储气小球充气子系统管路示意图Fig. 3.1 Schematic diagram of pneumatic system pipeline route for gas storage ball 当吸热介质达到26.5时，测量将进入结束阶段，首先要关闭燃气电磁阀-（11），让氧

27、气（O2）和惰性气体（Ar）继续供应，这样就可以把管路中的混合气体继续推送向燃烧室，等到可燃气体燃尽后火焰就会自动熄灭，此时再关闭电磁阀-（12）。这样的配气流程能够保证从储气小球出来的燃气尽可能的都参与燃烧，能够有效的减小测量的误差。图3.2燃气供气子系统管路示意图Fig. 3.2 Piping diagram of gas supply subsystem由于管道内原先就有的空气会影响实验结果，我们在往储气小球里面充气之前，需要先使用真空泵对整个充气管道抽气而使其保持真空。实验考虑到天然气管道安全性和燃气燃烧时的安全，参照图5所示，将燃烧供气系统分为两个支路组成，一个支路是氧气与惰性气体的

28、混合气体的供气管路，另一支路则是天然气的供气管路，这样将助燃气体（O2)与燃气（CH4）通道分开可以有效避免燃气在燃烧室外燃烧并影响实验精度的情况。在燃烧实验前，可用压力表测量管道内的压力并根据压力表的显示来检测判断整个管道是否已经密封，如有地方密封性有问题可根据压力表显示的位置来修正。在燃烧测量时，需要按照温升曲线（图2.1）来控制供气系统的通断，当传感器测量的温度达到23.5时打开电磁阀开始供气燃烧，当测量温度达到26.5时则立即关闭供气系统。 整个燃烧过程中支路内气体的流量由气体质量流量控制器调节，使三种气体按一定比例精确的通入燃烧室混合燃烧。燃气、氧气和稳燃惰性气体比例控制方案如下：

29、CH4+4.529O2+0.995ArCO2+2H2O+2.529O2+0.995Ar （3.1）根据上式可知，燃气、氧气和惰性气体的混合比为1:4.529:0.995，其中氧气为过量。23.1管路设计3.1.1管道设计 图3.3高准确度燃气热值测量供气装置示意图Fig. 3 Schematic diagram of the high accuracy measurement of gas calorific value gas supply device 整个供气装置模型如图3.3所示：包括燃气气瓶-（1）、氩气气瓶-（2）、氧气气瓶-（3）、截止阀-（4）、截止阀-（5）、截止阀-（6）、

30、气体质量流量控制器-（7）、气体质量流量控制器-（8）、气体质量流量控制器-（9）、压力表-（10）、常闭电磁阀-（11）、常通电磁阀-（12）、压力传感器-（13）、储气小球-（14）、快速接头-（15）、真空压力表-（16）、截止阀-（17）、截止阀-（18）、防爆真空泵-（19）。该系统包含了储气罐、抽真空系统、燃气称重系统、截止阀、调节阀、压力传感器和连接管路等装置。23.1.2管径设计在整个燃烧实验过程中，关于燃气燃烧的速度控制，从节约时间提高测量效率的角度考虑应当是越快越好，但又考虑到如果燃烧的速度过快，燃烧过程所释放的热量将无法完全被吸热介质吸收，而造成误差。因此，在本文中选择的

31、燃烧速度为1g天然气燃烧20min。 （3.2） （3.3） 上述式中，Qm为燃气的质量流量，Qv为燃气的体积流量，为燃气的密度，A为管道的流动面积，v为燃气的流速。跟据此式可以确定燃气在供气管道中所需的流量大小，从而设计管道的尺寸，本文选择的供气系统管道管径为6mm。3.2 容器选型3.2.1 容器选材： 本实验装置使用的储气容器需要有较强的抗压性，且耐腐蚀，而304不锈钢（也称18/8不锈钢）就是一种非常符合标准的材料。304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐腐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，且无热处理硬化现象（使用温度范围在-196800）。

32、83.2.2 供气子系统： 如上图3.1所示，供气装置配有高压软管、防爆真空泵和较高精度的真空压力表，能在保证安全性的前提下较好的显示管道内的真空度。对管道密封性进行检查，能够在一定程度上提高管道性能及测量精度。储气小球用快速接头与管道连接，可以使实验的操作过程变的更加简单快捷，并且减小了整个储气装置的质量，便于接下来一步的质量测量。3.3阀门控制器和流量控制器选型 图6为燃气燃烧过程中恒温环境下的水浴温升曲线图（与图2.1稍有不同，但实际意义一致）。如图3.4所示，在通常情况下，实验开始前整个量热器的温度是低于T0的。通过水浴容器与恒温水套进行的热传递，水浴温度会略微有一些上升，这个过程称为

33、初始段。此刻，燃烧开始并且导致水浴温度的大幅度提升。在整个主升段，供气装置将停止供气，燃烧室也已关闭，但由于热交换的影响，水浴温度仍会有细微的上升，而当热量完全释放并保持稳定时，末尾段开始。 图3.4恒温环境下的水浴温升曲线图Fig. 3.4 temperature rise curve of heat absorbing medium in constant temperature environment从上述温升曲线可知，实验开始前，水浴温度为23而外界环境温度为26.85，当初始阶段开始后，这个过程将进行30min，此时供气系统是关闭的。当水浴温度正好达到23.5时，供气系统将自动打开，燃气进入到燃烧室中开始燃烧，燃烧过程将持续20min，随后水浴温度将会达到26.5，此时需要立刻关闭供气系统。因此我们需要设计一个响应快速，且性能稳定的控制系统来为整个供气系统提供所需要的通断要求。本文设计使用电磁阀和温度开关来实现管路的通断控制。温度测量采用的是DS18B20型温度传感器，而开关控制系统会采用AT89S51为微处理单元，通过继电系统来对阀门开关进行控制，同时还要采用4*4键盘把温度设定的最高值和最低值键入到单片机的数据存储器中，再通过温度传感器把