轻烃燃气在线热值分析方法及装置.pdf

本发明涉及轻烃燃气在线热值分析方法及装置，该方法是基于混合气体的密度等于该混合气体中各气体组分的密度与其在混合气体中所占百分含量的积的总和的数学模型，在测量出混合气体的密度前提下，根据已知气体的密度，计算出被测组分气体与混合气体中其它组分气体的混合比，以此推算出轻烃燃气热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混合比数值，通过气体密度变送单元可准确测出气体密度，该装置运行稳定，测量准确，操作简便，安全性好，可实现测量的智能化。该方法还可以应用于在轻烃燃气自动控制系统、轻烃燃气便携式离线热值分析装置中、也可以对某些其中一种组分参数为变量、其它组分参数为常量的混合燃气进行相关参数的在线分析。

1、  轻烃燃气在线热值分析方法，其特征在于该方法是基于混合气体的密度等于该混合气体中各气体组分的密度与其在混合气体中所占百分含量的积的总和的数学模型，在测量出混合气体的密度前提下，根据已知气体的密度，计算出被测组分气体与混合气体中其它组分气体的混合比，以此推算出轻烃燃气热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混合比数值，所述的数学模型公式为：
ρ_H＝ρ_xV_x+ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
若：ρ_y＝ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
V_y＝V₁+V₂+……V_n
则：ρ_H＝ρ_xV_x+ρ_yV_y
令：V_y＝1-V_x
如果：ρ_xρ₁ρ₂……ρ_n已知、ρ_H测得。
则：V_x＝(ρ_H-ρ_y)/(ρ_x-ρ_y)
式中：
ρ_H-------------------------混合气体的密度
ρ₁、ρ₂、ρ_n------掺混各组分气体的密度
V₁、V₂、V_n------------掺混各组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_y----------------------------掺混组分气体的密度
V_y--------------------掺混组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_x--------------------被测组分气体的密度
V_x--------------------被测组分气体的在混合气体中的百分含量(％)

2、  根据权利要求1所述的轻烃燃气在线热值分析方法，其特征在于，所述的混合气体密度的测量方法是基于特定频率和振幅的振动在气体中传导时单位距离所传送的力与该气体的密度相关，密度越高所传送的力越大，如果在相同条件下同时测量被检测过程气与空气传送的力，并将两者放大比较，其比值就是被测过程气的比重；将这一数值进行当量转换即可得到混合气体密度测量值。

3、  根据权利要求1所述的轻烃燃气在线热值分析方法，其特征在于，该方法还可以应用于在轻烃燃气自动控制系统、轻烃燃气便携式离线热值分析装置中、也可以对某些其中一种组分参数为变量、其它组分参数为常量的混合燃气进行相关参数的在线分析。

4、  根据权利要求1所述的轻烃燃气在线热值分析方法所采用的装置，其特征在于，该装置由过程气调理单元A、检测数据采集单元B、计算补正分析单元C组成，过程气调理单元A由入口电磁阀D1、D2连接气/液分离器Q、减压阀F2，减压阀F2再连接过滤器G，过滤器G连接稳压阀F3构成，在减压阀F2输出端设有PLC入口端压力变送器；检测数据采集单元B由气体密度变送单元M、分压阀F4、检测端差压变送器ΔP、温度变送器T、节流喷嘴J、AC/DC系统供电装置组成，在气体密度变送单元M的入口端和出口端设有分压阀F4和检测端差压变送器ΔP，温度变送器T连接在气体密度变送单元M的出口端，温度变送器T输出端还连接节流喷嘴J；计算补正分析单元C由PLC可编程控制系统和嵌入式计算机组成，入口压力信号(P)、过程气气体密度信号(M)、检测端差压信号(ΔP)、过程气温度信号(T)的测量参数由PLC可编程控制器A/D采集后进行运算分析，并由嵌入式计算机(PC)显示实时数据、历史记录、报警或统计。

5、  根据权利要求4所述的轻烃燃气在线热值分析方法所采用的装置，其特征在于，所述的气体密度变送单元由密闭腔体、平衡膜片、高频压电陶瓷振荡器、微压力应变片、导流支架、振荡与激励电路、放大与保护电路、当量转换与输出模块组成，在密闭腔体的中心设有高频压电陶瓷振荡器，高频压电陶瓷振荡器四周设有导流支架，在密闭腔体中部高频压电陶瓷振荡器的四周密闭设置有平衡膜片将密闭腔体分隔为两个体积相同的部分，分别为测量室和参考室，导流支架上设有气体通过的入口和出口；振动与激励电路与高频压电陶瓷振荡器相连接；在导流支架形成的空间内与测量室和参考室壳体接触的部分均设有微压力应变片，两个微压力应变片分别与放大与比较电路相连接，放大与比较电路输出端连接当量转换与输出模块；在测量室的壳体上设有过程气入口和过程气出口。

6、  根据权利要求5所述的所述的轻烃燃气在线热值分析方法所采用的装置，其特征在于，所述的气体密度变送单元的密闭腔体的壁体内部设有恒温加热器，恒温加热器外部设有保温装置。

轻烃燃气在线热值分析方法及装置
技术领域
本发明涉及一种燃气的在线热值分析方法及装置，特别是一种轻烃燃气在线热值分析装置，应用于轻烃管道燃气的热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混空比的在线分析。应用该发明原理，也可以对某些其中一种组分参数为变量、其它组分参数为常量的混合燃气(如：LPG+AIR、沼气、煤成气等)进行相关参数的在线分析。
背景技术
燃气热值在线分析装置通常称之为热值仪，是各种燃气在生产、储配、使用过程中。动态评估燃气质量、能源计量核算、混合配比控制、自动化过程控制必不可少的装置。一般热值仪均采用燃烧被测量过程气的方法进行检测分析，也有用在线气体分析设备进行定量分析的。它们共同的缺点是：1)造价高，备品备件价格高，由国外进口和引进居多。2)系统安装、调试、操作、维护复杂、对技术人员和使用人员要求高。3)对应用环境要求苛刻，隔爆防爆措施复杂、安全保障有困难。4)应用电化学、氧化锆等方法分析含有烃类的混合燃气，虽然价格较低，但精度低、适应性差、运行不稳定、传感器探头易中毒损坏。
目前，城市煤气中最有发展前途的气种是天然气、轻烃管道燃气和液化石油气等轻石油族燃气。轻烃管道燃气属轻质油制气范畴。稳定轻烃来源于天然气、石油二次加工的副产品，数量较大。因其主要成分为戊烷(C₄)，沸点36.1℃，在常温常压下为液态，气态时标准状态的密度为3.4537Kg/Nm³、与空气的相对比重为2.6709、高位热值169.377MJ/Nm³、低位热值156.733MJ/Nm³人们称之为轻汽油。详见GB9053-1998《稳定轻烃》。将轻烃应用在民用管道燃气和替代部分工业能源的方法正在我国广泛推广。
在生产、储配、使用轻烃燃气过程中必需对最终产品轻烃管道燃气的品质和控制参数(热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混空比)进行必要的分析监测和控制。这不仅可以使原料得到充分合理地利用，也能按照规定向用户供应热值在一定范围内恒定的稳定轻烃燃料。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻烃燃气在线热值分析方法及装置，该装置运行稳定，测量准确，操作简便，安全性好，可实现测量的智能化。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
轻烃燃气在线热值分析方法，该方法是基于混合气体的密度等于该混合气体中各气体组分的密度与其在混合气体中所占百分含量的积的总和的数学模型，在测量出混合气体的密度前提下，根据已知气体的密度，计算出被测组分气体与混合气体中其它组分气体的混合比，以此推算出轻烃燃气热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混合比数值，所述的数学模型公式为：
ρ_H＝ρ_xV_x+ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
若：ρ_y＝ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
    V_y＝V₁+V₂+……V_n
则：ρ_H＝ρ_xV_x+ρ_yV_y
令：V_y＝1-V_x
如果：ρ_xρ₁ρ₂……ρ_n已知、ρ_H测得。
则：V_x＝(ρ_H-ρ_y)/(ρ_x-ρ_y)
式中：
ρ_H----------------混合气体的密度
ρ₁、ρ₂、ρ_n------掺混各组分气体的密度
V₁、V₂、V_n---------掺混各组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_y----------------掺混组分气体的密度
V_y-----------------掺混组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_x----------------被测组分气体的密度
V_x----------------被测组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
所述的混合气体密度的测量方法是基于特定频率和振幅的振动在气体中传导时单位距离所传送的力与该气体的密度相关，密度越高所传送的力越大，如果在相同条件下同时测量被检测过程气与空气传送的力，并将两者放大比较，其比值就是被测过程气的比重；将这一数值进行当量转换即可得到混合气体密度测量值。
该方法还可以应用于在轻烃燃气自动控制系统、轻烃燃气便携式离线热值分析装置中、也可以对某些其中一种组分参数为变量、其它组分参数为常量的混合燃气进行相关参数的在线分析。
所述的轻烃燃气在线热值分析方法所采用的装置，该装置由过程气调理单元A、检测数据采集单元B、计算补正分析单元C组成，过程气调理单元A由入口电磁阀D1、D2连接气/液分离器Q、减压阀F2，减压阀F2再连接过滤器G，过滤器G连接稳压阀F3构成，在减压阀F2输出端设有PLC入口端压力变送器；检测数据采集单元B由气体密度变送单元M、分压阀F4、检测端差压变送器ΔP、温度变送器T、节流喷嘴J、AC/DC系统供电装置组成，在气体密度变送单元M的入口端和出口端设有分压阀F4和检测端差压变送器ΔP，温度变送器T连接在气体密度变送单元M的出口端，温度变送器T输出端还连接节流喷嘴J；计算补正分析单元C由PLC可编程控制系统和嵌入式计算机组成，入口压力信号(P)、过程气气体密度信号(M)、检测端差压信号(ΔP)、过程气温度信号(T)的测量参数由PLC可编程控制器A/D采集后进行运算分析，并由嵌入式计算机(PC)显示实时数据、历史记录、报警或统计。
所述的气体密度变送单元由密闭腔体、平衡膜片、高频压电陶瓷振荡器、微压力应变片、导流支架、振荡与激励电路、放大与保护电路、当量转换与输出模块组成，在密闭腔体的中心设有高频压电陶瓷振荡器，高频压电陶瓷振荡器四周设有导流支架，在密闭腔体中部高频压电陶瓷振荡器的四周密闭设置有平衡膜片将密闭腔体分隔为两个体积相同的部分，分别为测量室和参考室，导流支架上设有气体通过的入口和出口；振动与激励电路与高频压电陶瓷振荡器相连接；在导流支架形成的空间内与测量室和参考室壳体接触的部分均设有微压力应变片，两个微压力应变片分别与放大与比较电路相连接，放大与比较电路输出端连接当量转换与输出模块；在测量室的壳体上设有过程气入口和过程气出口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)装置在非燃烧状态下工作，能在线连续测量混合气体的密度，并以此为主参数，进行轻烃燃气热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混合比数值的测定，可保证分析系统综合精度：
◆密度的测量精度应优于FS±0.5％
◆检测过程应有良好的线性度和复现性。
◆在5～40℃工作环境内温漂为FS±0.25％
◆24小时零点漂移应小于FS±0.25％
2)系统能在线测量压力、温度、并具有压力自动温度压力补正功能。
3)以嵌入式计算机和PLC可变成控制系统为工作平台，以在线热值分析数学模型为分析方法，以触摸屏和工业网络为交互界面，进行在线分析。
4)安装简便、维护容易、操作方便、分析准确、响应迅速、运行稳定、安全可靠、制作成本低。
5)装置设计为本安防爆型，适用于易燃易爆的工作环境。
附图说明
图1是轻烃燃气在线热值分析装置的原理框图；
图2是气体密度变送单元的结构示意图。
具体实施方式
轻烃燃气在线热值分析方法，该方法是基于混合气体的密度等于该混合气体中各气体组分的密度与其在混合气体中所占百分含量的积的总和的数学模型，在检测出混合气体的密度前提下，根据已知气体的密度，计算出被测组分气体与混合气体中其它组分气体的混合比，以此推算出轻烃燃气热值、华白指数、比重、密度、含氧量、混合比数值，所述的数学模型公式为：
ρ_H＝ρ_xV_x+ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
若：ρ_y＝ρ₁V₁+ρ₂V₂+……ρ_nV_n
     V_y＝V₁+V₂+……V_n
则：ρ_H＝ρ_xV_x+ρ_yV_y
令：V_y＝1-V_x
如果：ρ_xρ₁ρ₂……ρ_n已知、ρ_H测得。
则：V_x＝(ρ_H-ρ_y)/(ρ_x-ρ_y)
式中：
ρ_H----------------混合气体的密度
ρ₁、ρ₂、ρ_n------掺混各组分气体的密度
V₁、V₂、V_n---------掺混各组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_y----------------掺混组分气体的密度
V_y-----------------掺混组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
ρ_x----------------被测组分气体的密度
V_x-----------------被测组分气体的在混合气体中的百分含量(％)
以上所计算的数据均为标准状态下的结果，在实际应用中要进行温度压力的补正才能获得准确的分析结果。
见图1，所述的轻烃燃气在线热值分析方法所采用的装置，该装置由过程气调理单元A、检测数据采集单元B、计算补正分析单元C组成，过程气调理单元A由入口电磁阀D1、D2连接气/液分离器Q、减压阀F2，减压阀F2再连接过滤器G，过滤器G连接稳压阀F3构成，在减压阀F2输出端设有PLC入口端压力变送器；被测过程气经系统入口的电磁阀(D1、D2)选通后通过气/液分离器Q进行气液分离，并通过减压阀F2稳压，然后通过过滤器G过滤后，再次经二次稳压阀F3稳压后，获得符合测量要求的稳定洁净的被测气体；检测数据采集单元B由气体密度变送单元M、分压阀F4、检测端差压变送器ΔP、温度变送器T、节流喷嘴J、AC/DC系统供电装置组成，在气体密度变送单元M的入口端和出口端设有分压阀F4和检测端差压变送器ΔP，气体经分压阀F4两端形成压差使流入气体密度变送单元M的，被测过程气与参照气的压力相等，温度变送器T连接在气体密度变送单元M的出口端，温度变送器T输出端还连接节流喷嘴J，节流喷嘴J限制了尾气排量；计算补正分析单元C由PLC可编程控制系统和嵌入式计算机组成，入口压力信号(P)、过程气气体密度信号(M)、检测端差压信号(ΔP)、过程气温度信号(T)的测量参数由PLC可编程控制器A/D采集后进行运算分析，并由嵌入式计算机(PC)显示实时数据、历史记录、报警或统计。也可由PLC通过D/A或通讯接口直接传送到控制系统参与过程控制。系统的标定可以在自动/手动间选择。人机交互界面从嵌入式计算机(PC)的触摸屏上完成。
混合气体密度的测量是通过气体密度变送单元来完成的，该方法基于特定频率和振幅的振动在气体中传导时单位距离所传送的力与该气体的密度相关，密度越高所传送的力越大，如果在相同条件下同时测量被检测过程气与空气传送的力，并将两者放大比较，其比值就是被测过程气的比重；将这一数值进行当量转换即可得到混合气体密度测量值。利用这一原理构建的气体密度变送单元，具有测量范围宽，涵盖了90％气态物质，测量数据稳定准确，操作简便，抗干扰能力强，制造成本低的优点。
见图2，所述的气体密度变送单元由密闭腔体9、平衡膜片4、高频压电陶瓷振荡器10、微压力应变片5、导流支架6、振荡与激励电路、放大与保护电路、当量转换与输出模块组成，在密闭腔体9的中心设有高频压电陶瓷振荡器10，高频压电陶瓷振荡器10四周设有导流支架6，在密闭腔体中部高频压电陶瓷振荡器10的四周密闭设置有平衡膜片4将密闭腔体分隔为两个体积相同的部分，分别为测量室11和参考室12，导流支架6上设有气体通过的入口和出口，在密闭腔体9的壁体内部设有恒温加热器2，恒温加热器2外部设有保温装置1。振动与激励电路与高频压电陶瓷振荡器10相连接；在导流支架6形成的空间内与测量室11和参考室12壳体接触的部分均设有微压力应变片5，两个微压力应变片5分别与放大与比较电路相连接，放大与比较电路输出端连接当量转换与输出模块；在测量室11的壳体上设有过程气入口3和过程气出口7。
测量室与参考室需要相同的物理条件，恒温加热器2使两室内温度恒定，平衡膜片4使测量室和参考室压力相等，测量室通过被检测过程气，参考室通入空气，高频压电陶瓷振荡器10产生的高频振荡分别使两室内分别通过体积相等的过程气与空气，因两种气体密度不同，两室内的微压力应变片5受力不同，输出的测量电压VP1和VP2也不同，放大与比较电路将测量电压VP1和VP2进行放大比较(VP1∶VP2)，其比值就是被测过程气对应于空气的比重。将比重乘空气的密度并进行当量转换和温度压力补正，就可以实现过程气的密度测量。气体密度变送单元输出直流4-20mA信号。
应用程序与数学模型
将获得的检测数据计算分析，分析结果与被分析对象的实际值吻合，取决于相关数学模型的准确性和普适性。为该系统设计的数学模型能准确的分析所需数据，在各种极端的状况下均能正确反映和描述被分析对象的实际值。例如：轻烃与空气混合，按如下计算：
混空比：pro＝V_x∶V_y
含氧量：oxy＝21*V_y％
比重：S.G＝ρ_H/1.293
高位热值：C.Vs＝169.377*V_x MJ/Nm³、
低位热值：C.V i＝156.733*V_x MJ/Nm³
高位华白指数：W.Is＝C.Vs/(S.G)² MJ/Nm³、
低位华白指数：W.I i＝C.Vi/(S.G)² MJ/Nm³
上述计算均为标准状态实际应用还应考虑进行温度、压力补正，以及设备运行所在地的海拔高度等因素。
系统应用程序中有实时数据显示、历史记录追溯、各参数的报警或统计功能，系统操作人机界面友好，通过触摸屏提示和操作可以很快了解、应用该装置。
装置安全与防爆措施
在组成系统时考虑到该装置大多应用于易燃易爆区域内，控制机柜采用涡旋管冷却、密封正压防爆结构。数据和通讯接口采用本安防爆措施。
轻烃燃气在线热值分析装置的标定与校准
该装置采用比较法进行校准，装置可以选择自动和手动两种方式进行标定，在应用状态下预热三十分钟向装置加载标准气，按屏幕提示操作即可完成标定。标准气应来源于，能达到GB10628-89<气体分析标准混合气体组成的测定比较法>标准的制气单位。
该方法还可以应用于在轻烃燃气自动控制系统、轻烃燃气便携式离线热值分析装置中、也可以对某些其中一种组分参数为变量、其它组分参数为常量的混合燃气(如：LPG+AIR、沼气、煤成气等)进行相关参数的在线分析。