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一种混氢天然气热值测量装置及方法

文献发布时间：2023-06-19 12:10:19

技术领域

本发明涉及一种基于燃烧法的燃气热值测量装置及方法，属于高准确度燃烧法燃气热值测量技术领域。

背景技术

氢能已成为世界上主要能源转型国家的战略选择，各国针对本国氢能发展提出了国家氢能发展战略。加快氢能利用是保证碳中和目标实现的重要途径。将氢以一定比例掺入天然气，组成混氢天然气(HCNG)，然后再利用现有的天然气管网进行输送是实现氢较低成本远距离输送的方法，混氢天然气管输可直接提高天然气清洁度的优点，是一种较为高效的氢气利用手段。

燃气贸易交接计量方式主要有能量计量和体积计量。由于燃气组成成分差异，相同体积的燃气所产生的能量是不同的，而能量计量可以消除交接不公平的现象，能量计量是通过计量单位燃气含有的热值，直接体现出燃气价值。燃气的热值计量方式可分为间接测量与直接测量两种方式，间接测量法是通过测量燃气的组成或者利用燃气燃烧过程中的某些物理、化学特征和热量的关系，间接的计算出燃气热值，此方法的稳定性不高，测量准确度有限。直接测量法是将燃气燃烧过程中释放的热量传递到某些吸热介质，通过测温元件测定吸收介质的温度差来确定燃气热值，此种方法能够直观地反映出燃气的实际发热量，测量准确度高。

因此，本发明设计一种基于燃烧法的燃气热值直接测量装置及方法，实现在不同混氢比下，混氢天然气热值高准确度测量，为贸易双方公平交具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混氢天然气热值测量装置及方法，从确保燃气高准确度计量的高度出发，综合分析燃气热值测量各影响因素，设计一种基于燃烧法的燃气热值测量装置，实现各掺氢比下，掺氢天然气热值高准确度测量，为燃气贸易交接和设备安全运行提供可靠的依据。

本发明主要解决以下问题：

(1)设计一种可为燃气提供安全、稳定的燃烧环境的燃气燃烧室，通过计算腔体内部火焰高度从而确定燃烧腔体高度，使燃气在腔体内燃烧时有一个充分燃烧环境，由于燃气出气速度快，导致火焰稳定性受到影响，在燃气出气口增设火道来稳焰，保证燃气稳定燃烧。

(2)在燃烧腔体周围设置热交换管，燃气在燃烧体内燃烧后的尾气通入热交换盘管，使燃烧腔体内尾气的热量被吸热介质充分吸收，通过计算重新设计热交换管长度与热交换管螺旋角度，减小热交换不充分对热值测量带来误差。

(3)燃气在燃烧室中的燃烧过程中与吸热介质伴随着热量传递，而热量在外界吸热介质无扰动的情况下是由高温向低温处缓慢传播的，在燃烧室旁边设置搅伴装置，使吸热介质有一个理想的温度场和流场，且在燃烧室四周设置四根铂电阻温度计用于测量吸热介质温度，减小吸热介质温度分布对热值计量的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种混氢天然气热值测量装置，包括生产管线1、取样器2、样气处理器3、样气质量测量系统4、燃气热值测量主体5、尾气成分检测6；

所述生产管线1上安装取样器2，所述取样器2左侧与样气处理器3通过管线连接，所述样气质量测量系统4与样气处理器3通过导管连接，所述燃气热值测量主体5与样气质量测量4通过导管连接，所述尾气成分检测系统6与燃气热值测量主体5导管连接。

进一步的，所述的取样器2包括取样口21、过滤网22、取样管23、护管24、过滤滤芯25、外简26、座体27；

所述的滤网22安装在取样口21内部，所述取样管23下部与取样口21上部相连，所述护管24套在取样管23外侧，所述取样管23，护管24与外简26连接，外简26内部安装过滤滤芯25，所述外简26安装在座体27上。

进一步的，所述的样气质量测量系统4包括天平41分别测量燃气燃烧前后被测球42和参考球43质量。

所述的燃气热值测量主体5包括搅拌电机51、搅拌轴52、搅拌叶轮53、搅拌外壳54、气体混合室55、燃烧室56、冷却棒57、第一铂电阻温度计581、第二铂温度计582、第三铂温度计583、第四铂温度计584、盖板59、平板510、热交换盘管511、双层容器512；

进一步的，所述的搅拌轴52直接与搅拌电机51相连，所述搅拌叶轮53固定在搅拌轴 52上，所述搅拌外壳54套在搅拌轴52外侧，所述搅拌外壳54焊接在盖板59上，所述气体混合室55通过锥形接头与燃烧室56连接，所述冷却棒57，第一铂电阻温度计581，第二铂温度计582，第三铂温度计583，第四铂温度计584分别固定在盖板59不同位置，所述双层容器511通过螺栓与盖板59进行固定。

进一步的，所述的燃烧室56底部设有第一助燃气体入口561、第二助燃气体入口562、燃气入口563、尾气出口564，所述燃烧室56顶部设有一对点火电极565。

进一步的，所述的点火电极565之间间距在有效点火距离。

进一步的，所述的尾气成分检测系统6由气体干燥装置61，分析仪62组成。

一种混氢天然气热值测量方法，包括以下步骤：

(1)热值计量前燃气热值测量主体预处理

S1、将纯水作为吸热介质倒入双层容器(512)内层；

S2、燃气热值测量主体(5)与双层容器(512)进行组装，通过螺栓将盖板(59)与双层容器(511)进行固定，保证盖板以下完全浸没在水中；

S3热值测量开始前需将吸热介质温度降低至比外界恒温水浴的温度(25℃)低3℃，在初始阶段吸热介质的温度为T

(2)将取样器(2)通过法兰结构安装在生产管线(1)上，取样口(21)开启，管内燃气向上流动，经过滤网(22)过滤杂质后进入取样管(23)，通过过滤滤芯(25)去除水蒸气进行干燥；

(3)经管路燃气进入样气处理器(3)调节气体压力、流速、温度进入样气质量测量系统(4)进行燃烧前质量称量测得燃烧实验前的储气小球质量m

(4)燃气由燃气入口(563)进入，氧气与氩气混合气由第一助燃气入口(561)、第二助燃气入口(562)进入，在气体混合室(55)燃气与氧气氩气混合进入燃烧室(56)，经点火混合气体进行稳定燃烧；

(5)点火同时搅拌电机(51)开启，搅拌轴(52)带动搅拌叶轮(53)转动，使吸热介质进行强制换热，第一铂电阻温度计(581)、第二铂电阻温度计(582)第三铂电阻温度计(583)、第四铂电阻温度计(584)分别监测各点温度；

(6)燃烧后的尾气由尾气出口(564)流出，尾气经干燥后进入分析仪检测出甲烷与氢气质量m

(7)吸热介质温升

燃烧反应结束后，分别读取四支温度计的稳定读数计算平均值得T

ΔT＝T

(8)不同混氢比下，混氢天然气热值可通过下式计算得

其中：H为燃气热值J/K；C

该发明的有益效果在于：

((1)本发明主要针对混氢天然气热值计量作业，通过设计混氢天然气热值测量装置及方法，可测量不同混氢比下掺氢天然气热值高准确度测量，为生活、生产提供重要参考指标。

(2)设计样气质量测量系统，可准确的测量燃烧前后小球质量，设计的双天球称重法可消除空气浮力，环境温度与湿度等因素变化的影响，可提高测量精度。

(3)设计燃气垫付测量主体对燃气燃烧室、换热盘管、火道、腔体高度和双层容器等进行了重新设计，可实现燃气的稳定燃烧、充分换热、准确测量。

附图说明

图1是本发明实施中混氢天然气热值测量装置的结构示意图。

图2是本发明实施中取样器的结构示意图

图3是本发明实施中质量测量系统双球称重法示意图

图4是本发明实施中燃气热值测量主体结构示意图

图5是本发明实施中燃烧室结构示意图

图6是本发明实施中双层容器结构示意图

图7是本发明实施中燃气热值测量主体与双层容器组装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中，图1为混氢天然气热值测量装置的结构示意图，混氢天然气热值测量装置包括生产管线1、取样器2、样气处理器3、样气质量测量系统4、燃气热值测量主体5、尾气成分检测6、操作系统7；

所述生产管线1上安装取样器2，所述取样器2左侧与样气处理器3通过管线连接，所述样气质量测量系统4与样气处理器3通过导管连接，所述燃气热值测量主体5与样气质量测量4通过导管连接，所述尾气成分检测系统6与燃气热值测量主体与导管连接；

图2是本发明实施中取样器的结构示意图，取样器2包括取样口21、过滤网22、取样管 23、护管24、过滤滤芯25、外简26、底座27；

图3是本发明实施中质量测量系统双球称重法示意图，样气质量测量系统4包括天平41、被测球42、参考球43；

图4是本发明实施中燃气热值测量主体结构示意图，燃气热值测量主体5包括搅拌电机 51、搅拌轴52、搅拌叶轮53、搅拌外壳54、气体混合室55、燃烧室56、冷却棒57、第一铂电阻温度计581、第二铂温度计582、第三铂温度计583、第四铂温度计584、盖板59、平板510、热交换盘管511、双层容器512；

图5是本发明实施中燃烧室56结构示意图，所述的燃烧室56底部设有第一助燃气体入口561、第二助燃气体入口562、燃气入口563、尾气出口564，所述燃烧室56顶部设有一对点火电极565。

图6是本发明实施中双层容器512结构示意图，双层容器内层与外层之间填充聚氯乙烯保温材料进行隔热、保温，图7是燃气热值测量主体与双层容器组装后示意图。

一种混氢天然气热值测量方法，其包括以下步骤：