燃烧器检测用标准气体制取方法与控制过程_工程实践

摘要

摘要：探讨了几种单一组分气体混合制取燃烧器检测用标准气体的方法和控制过程，分析了混气精度的影响因素和采取的措施，分析了该方法的局限性。关键词：燃气燃烧器；标准气体；检测；随动

摘要：探讨了几种单一组分气体混合制取燃烧器检测用标准气体的方法和控制过程，分析了混气精度的影响因素和采取的措施，分析了该方法的局限性。

关键词：燃气燃烧器；标准气体；检测；随动流量混气

Preparation Method and Control Process of Reference Gas for Testing Burner

MA Wen-xiang，FAN 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

燃气燃烧器是使燃料和空气以一定方式喷出混合(或混合喷出)燃烧的装置，在锅炉、熔炉、冶炼及热处理等行业均有广泛的应用^[1]。目前，进口燃烧器比国产燃烧器竞争力强，故国内应用的燃气燃烧器仍以进口为主。对于进口燃气燃烧器，只有在符合其设计的标准气源条件下检测燃烧性能及排放参数等，才能准确反映其性能是否达到设计标准。因此，精确地混合出符合燃烧器设计的标准燃气对于准确检测燃气燃烧器的性能至关重要。本文结合工程实际对燃气燃烧器检测用标准气体的制取进行探讨。

2 工程概况

本文介绍的混气系统是将丁烷、丙烯、丙烷、氢气、氮气及甲烷6种基本气体中的2种或多种，按照一定比例混合，得到欧洲13种标准燃气，用于检测主要从欧洲进口的燃烧器^[2]。混合器额定混气能力为50～80m³/h，欧洲13种标准燃气的组成见表1。

表1 欧洲13种标准燃气的组成

标准气编号	各组分的体积分数/%
标准气编号	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可见，编号为G20、G31、G30、G32的气体为单一组分，其余编号的9种标准气体由甲烷、丙烷、氢气和氮气4种基础组分按比例混合而成。其中，甲烷用管道天然气代替，虽然管道天然气除甲烷外还有其他组分，但是在此仅用来检测燃烧器的性能参数，管道天然气即可满足要求。

3 标准气体的制取及控制

燃烧器检测用标准气体的制取工艺见图1(其中混气系统见图2)。

图1中，G30、G32和G31这3种标准气体分别经气化器和调压稳压器组气化、调压稳压后，作为标准气体直接使用；G20是由管道天然气升压、调压稳压后作为标准气体直接使用；其余9种标准气体由氢气、氮气、管道天然气和丙烷4种基础气源按比例在混合器中混合而成，其中的氢气、氮气经调压后使用。

下文详细介绍G30、G32、G31和G20以外的9种标准气体的制取方法。采用随动流量的混气方式，2种或多种待掺混气体，1种作为主动气源，其余作为随动气源，随动气源自动跟随主动气源流量的变化而变化，为了能将随动气源顺利混入主动气源中，通常要求随动路的压力略高于主动路的压力。随动流量混气方式的优点在于混合比例灵活，可实现多种气体混合，混合气体的流量可跟随用气量自动调节^[3]。

为了保证混气质量和精度，需合理设计混气调节及控制系统。混气系统控制方案见图2。

按照表1中各种标准气体的组成分别制取标准气体。

① G21的制取

G21是管道天然气和丙烷按87:13进行混合。在该种模式下，控制系统自动切断氢气和氮气管路，管道天然气为主动气源，丙烷为随动气源。设定比例后，根据管道天然气的瞬时流量调节丙烷的瞬时流量，使混合气体达到要求的比例。

② G222的制取

G222采用管道天然气和氢气混合，混合比例为77:23。控制系统自动切断丙烷和氮气管路，管道天然气作为主动气源，氢气作为随动气源，根据管道天然气的瞬时流量调节氢气的瞬时流量，达到要求的混气比例。

③ G23、G231、G25和G27的制取

G23、G231、G25和G27均采用管道天然气和氮气混合而成，只是管道天然气和氮气的混合比例不同。管道天然气作为主动气源，氮气作为随动气源，控制系统根据不同的设定比例，分别混合出不同的标准气体。

④ G26的制取

G26是由管道天然气、丙烷和氮气3种气体混合而成，比例为80:7:13。控制系统切断氢气管路，将管道天然气作为主动气源，丙烷和氮气作为随动气源，3种气体在混合器内均匀混合后得到G26标准气体。

⑤ G110、G112的制取

G110和G112由管道天然气、氢气和氮气按不同比例混合而成。均采用管道天然气为主动气源，氢气和氮气为随动气源，根据设定好的比例混合而成。

图2中，每路均设置2个调节阀和1个流量计，第1个调节阀起调节压力的作用，每个调节阀后设置1个压力变送器，采集到的压力信号被传送到控制系统，控制系统根据实际情况调节调节阀的开度，在此采用调节阀调节压力是因为当该路作为主动路时，调节压力使其略低于随动路，以实现双气或多气掺混，该系统中4种基础气源均有作主动气源和随动气源的可能，调节阀便于远程控制调整压力，以适应不同的混气需求^[4]。第2个调节阀起限流的作用，混合气体中各气体的比例是由控制系统根据采集到的流量信号按照设定比例控制流量计右侧调节阀的开度得以实现。当制取某一种标准气体时，控制系统以采集到的主动气源的瞬时流量为依据，根据设定比例，通过程序计算出随动路所需的瞬时流量，在对比随动气源的实际瞬时流量后，控制系统相应地调节调节阀的开度。在此采用PID(比例-积分-微分)算法作为调节阀开度的控制算法，在控制系统中，PID算法以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。首先将现场采集量和设定量做比较，比较得到的偏差值进行PID运算，然后将运算结果作为调节量直接用于调节调节阀的开度，达到精确控制混气比例的目的。

4 混气精度影响因素及采取的措施

混气精度的影响因素主要为硬件和软件。就硬件而言，流量计和调节阀的选择至关重要，因为控制系统通过流量计和调节阀实现对混气比例的控制，所以流量计的结构是否合理、精度等级是否够高，调节阀是否有合适的流量特性、是否有足够的调节精度、是否有足够的灵敏度等都会直接影响到调节精度。在上述工程实例中，流量计选择美国罗斯蒙特的一体化孔板流量计，孔板流量计是一种节流式流量计，具有结构简单、加工安装方便、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉等优点。罗斯蒙特的一体化孔板流量计具有较高的精度，同时将节流件、直管段、多参数变送器(测量温度、压力、差压)和流量积算装置集成在一起，多参数变送器测得的温度、压力、差压信号与流量信号在流量积算装置中作补偿运算，运算后的流量信号作为最终的实测流量信号。采用一体化的结构形式可以保证合适的直管段长度，也可以使各个部件兼容性高、匹配合理，最大限度地降低元器件兼容性、选型及连接线缆造成的误差。

调节阀选用美国FISHER产品，该调节阀有较高的调节精度和灵敏度，除阀体外配备定位器、执行机构和调压过滤装置，整个结构采用模块化的设计，保证了可靠性。选用等百分比流量特性，其优点是流量小时，流量变化小；流量大时，流量变化大，即在不同的开度上具有相同的调节精度。在进行阀门调节时，阀门的开度反馈给定位器，定位器将阀门的实际开度和控制系统要求的阀门开度进行对比，并不断调节，使阀门的实际开度趋于控制系统要求的开度，定位器与阀门构成闭环环节。

软件部分是指整个控制系统的软件设计，而不是指某一设备的软件。比如：流量计包括流量积算部分，这部分除硬件外还包括作积算的软件，该软件由厂家设计后固化在硬件中。由整套设备的工艺流程可知此系统为时滞系统，控制对象主要为调节阀，采用PID算法作为调节阀的控制算法。PID参数的整定是否合理很大程度上影响混气系统的精度，首先在计算机上对控制系统建模，对于不同的PID参数进行在线仿真并找出合理的参数范围，然后通过现场的实际调试最终确定出合适的参数。

对于上述标准气体，除组成外，更关心的是热值，故在混合器出口设置热值仪来检测制取的标准气体的热值^[5]。同时将检测到的热值反馈至控制系统，对混气比例进行微调，使整个控制系统成为闭环系统。

5 局限性

采用本设备和工艺虽然可以很好地混合出各种标准气体，但是也有其固有的缺陷：①同一时间内只能混合得到1种标准气体，这是因为只配置了1台混合器，工艺流程及控制全部按1台混合器的情况设计。②当混合得到1种标准气体后，再混合制取其他标准气体时需将管道中的气体置换出来。实际混气时，在混合得到1种标准气体后会将管道中的气体引至火炬点燃，但仍然会在管道中残余一定量的气体，这将对计划制取的下一种标准气体造成污染，影响混气精度。

参考文献：

[1] 同济大学，重庆建筑工程学院，哈尔滨建筑工程学院，等.燃气燃烧与应用(第2版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2] 罗东晓.多气源混配的成本优化控制[J].煤气与热力，2003，23(8)：470-472.

[3] 刘新哲，章崎平.天然气应用中的问题及解决方案[J].煤气与热力，2005，25(7)：26-29.

[4] 王军玲，李兴泉，田贯三，等.燃气系统中调节阀相对开度变化时流量的计算[J].煤气与热力，2010，30(4)：A34-A42.

[5] 黄祖培，邵山.液化石油气混空气热值的波动及控制[J].煤气与热力，2001，21(5)：432-434.

(本文作者：马文香¹ 范学军² 徐俊西³ 1.天津市公用事业设计研究所天津 300100；2.中国市政工程华北设计研究总院天津 300074；3.天津力冠能源科技有限公司天津 300384)