求液化石油氣混空氣的新技術(shù)？

【專家解說】：摘要：介紹新型液化石油氣--空氣混合器（AFC混合器）的原理及優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：LPG混合器；AFC混合器；信號處理技術(shù)；前饋控制；后饋控制
中圖分類號：TU996 .7 文獻標(biāo)識碼：B

1 引 言

　　我國目前正大力發(fā)展天然氣，有人認(rèn)為，既然天然氣快到了，今后就不再需要液化石油氣混空氣系統(tǒng)。其實不然，液化石油氣混空氣正是天然氣最好的過渡氣源，能在一個城市從一種燃氣轉(zhuǎn)換至天然氣過程中擔(dān)當(dāng)重要角色。由于先進國家早已過渡至以天然氣為主要燃料，對液化石油氣混空氣的設(shè)備需求大減，在缺乏市場動力下混氣的技術(shù)在近十多年來都沒有多大改進。本文介紹的是一種突破傳統(tǒng)的新技術(shù)，充分利用現(xiàn)代先進計算機控制技術(shù)和信號處理技術(shù)發(fā)展而成的新型LPG混合器。

2 使用液化石油氣混空氣的主要原因

　?。?） 通過靈活改變混合比，混氣幾乎可與任何燃氣互換，因而可取代這些燃氣，作為2調(diào)峰，備用氣源或在預(yù)期某種燃氣（如天然氣）即將到來前作過渡氣使用。
　?。?） 混氣系統(tǒng)建設(shè)投資及運行成本低，規(guī)模彈性極大，建設(shè)周期短。
　　（3） 當(dāng)工廠購進的設(shè)備需要用某種特定燃氣，或者對氣質(zhì)有嚴(yán)格要求，但當(dāng)?shù)貨]有符合條件的燃氣供應(yīng)時，可建造一套混氣系統(tǒng)使用。
　?。?） 當(dāng)另一種燃氣（如天然氣）可大量供應(yīng)時，已建成的混氣系統(tǒng)可留作調(diào)峰或備用氣源，或把整套設(shè)備移裝到下一階段要發(fā)展的地區(qū)。
　　（5） 在寒冷地區(qū)，使用純液化石油氣在管道內(nèi)很容易結(jié)露，混入空氣可大大降低露點。將要使用天然氣的城市中，有些尚無城市燃氣供應(yīng)，可先建設(shè)一些混氣系統(tǒng)，暫時以代天然氣供應(yīng)，待天然氣一到就可立即通向千家萬戶。有些城市已有人工煤氣或管 道液化石油氣供應(yīng)，將來要轉(zhuǎn)些工作如果等天然氣到來才開始做，初期就不可能充分利用天然氣的資源，造成大量浪費。如果在天然氣大量到來以前，先分階段分區(qū)將原來的燃氣改造，使之與天然氣能互換，那么在等候天然氣到來的時間內(nèi)可從容進行轉(zhuǎn)換工作，到天然氣大量到來時，已轉(zhuǎn)換的用戶就可馬上使用。

３ 傳統(tǒng)的混合器的工作原理和缺點

　　目前在國內(nèi)使用的混合器幾乎全是機械式的，即利用一個可變孔口的三通閥，先把兩種氣體的壓力調(diào)節(jié)至相等，使通過三通閥的流量與對應(yīng)孔口的面積成比例。這種設(shè)計在工作原理上就存在下列基本上無法解決的問題：
　?。ǎ保?控制兩種氣體等壓的方法是使用兩個調(diào)壓器，一個為主，另一為從，利用主調(diào)壓器指揮器的出口壓力作為從調(diào)壓器指揮器的壓力，進而調(diào)節(jié)從調(diào)壓器的出口壓力，這樣主調(diào)壓器和從調(diào)壓器的出口壓力都應(yīng)該相等。這在平衡狀態(tài)即流量不變動的情況下是對的，但主調(diào)壓器的壓力不是永遠不變的，它會隨著流量變化而變化。在系統(tǒng)發(fā)動時壓力變化既大而急促；在小流量時，閥門只打開一小縫隙，界乎開和合之間，壓力波動更大。當(dāng)從調(diào)壓器感應(yīng)到這種變化而作出相應(yīng)調(diào)整時，已滯后了一段時間，使兩種氣體壓力產(chǎn)生相位不一致的波動，破壞了等壓混合的理想狀況。這說明了傳統(tǒng)混合器在起動和流量極小時熱值有較大波動的原因。
　　（２） 傳統(tǒng)的混合系統(tǒng)采用后饋式控制手段，即在混氣出口取樣送到熱值儀加以分析，如發(fā)現(xiàn)熱值有偏差，就發(fā)出指令去改變混合閥的位置來作出修正。從混合氣熱值８出現(xiàn)偏差，到混合閥修正至正確位置，在最理想的情況下也要幾分鐘，而且由于相位的差異，修正的過程中也起波動，需要較長時間才能穩(wěn)定下來。與此同時，會有大量不合格的混合氣進入管網(wǎng)。
　?。ǎ常?混合閥一般上下浮動以改變流量，左右轉(zhuǎn)動以改變混合比，即流量和混合比都要靠精確改變混合閥的位置來達到。如果氣體中帶有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會積聚在活動部件之間，需要經(jīng)常清理才能保持正常動作，否則隨時可能因活動部件被黏住而影響流量和混合比的控制。
　?。ǎ矗?為了保證兩種氣體能等壓混合，閥的進口都要配調(diào)壓器，而且兩種氣體都要通過一個阻力很大的可變孔口，因此兩種氣體的進口壓力要比混氣壓力高出很多。為了提高液化石油氣的進口壓力，就要提高氣化器的出口壓力，如液化石油氣的壓力不夠就要加穩(wěn)壓泵，增加了系統(tǒng)的初投資和運行成本。另外，提高了液化石油氣的液相壓力還有兩個不良效果：１ 液化石油氣氣化時壓力越高，沸點就越高，導(dǎo)致熱媒與液化石油氣的換熱溫差減小，氣化器的換熱面積增大；２ 在較高壓力（亦即較高溫度下氣化，更易使液化石油氣中的不飽和烴聚合，使上述活動部件被粘住的問題更加惡化。
　?。ǎ担?混合閥都是專用產(chǎn)品，需要很精密和復(fù)雜加工，稍有誤差就嚴(yán)重影響其性能。在生產(chǎn)和調(diào)試過程中需要反復(fù)試驗，生產(chǎn)數(shù)量又少，所以價格昂貴而供貨周期長，替換部件亦如此。
　　（６） 混合閥只適用于接近１:１的混合。近來越來越多的煤氣公司希望把液化石油氣混入原來沒有或只有極少經(jīng)濟效用的工業(yè)伴生氣中以提高其熱值供城市使用，混入的比例通常小于１:１０，所以不能使用混合閥。

４ 新型混合器工作原理

　　新型混合器名為流量主導(dǎo)控制混合器（Active Flow Control 混合器，簡稱ＡＦＣ）。它充分利用了先進的控制和信號處理技術(shù)，把兩個普通的流量表和一個流量控制閥組合成為一套反應(yīng)快捷，控制準(zhǔn)確和用途廣泛的混合器，不僅消除了傳統(tǒng)混合器的缺點，而且加進了很多獨有的優(yōu)點，其中安全聯(lián)鎖的保護，安全可靠性更高。
　　如圖１所示，主要硬件有兩個流量計和一個流量控制閥。液化石油氣和空氣經(jīng)正常調(diào)壓后進入混合器，液化石油氣通過流量計就直接進入混合室，其流量，溫度和壓力數(shù)據(jù)輸送到控制系統(tǒng)的可編程序控制器ＰＬＧ，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)流量，然后按設(shè)定的混合比計算出空氣的流量，由ＰＬＧ發(fā)出指令設(shè)定流量控制閥的開啟位置，讓空氣以適當(dāng)?shù)牧髁客ㄟ^。當(dāng)液化石油氣的流量增加或減少時，其變化亦通過同樣程序調(diào)節(jié)空氣的流量以維持原來的混合比不變。由于信號的傳送，計算和控制閥的反應(yīng)都在兩種氣體混合前進行，故稱為前饋式控制，而且電子信號的傳送，ＰＬＣ的運算速度極快，所以對任何變化的反應(yīng)都是實時的。唯一機械活動部分只有流量控制閥，實際測試的結(jié)果顯示，流量控制閥由全關(guān)至全開只需數(shù)秒鐘，所以即使是在系統(tǒng)起動時也可快速地反應(yīng)到正確的位置。

　　

除了上述的前饋式控制外，ＡＦＣ混合器也同時采用了后饋式控制，使ＡＦＣ混合器在反應(yīng)快捷的同時，精度也很高。在ＡＦＣ混合器出口，同樣設(shè)置了熱值儀，提供反饋信號?；旌媳鹊脑O(shè)定一般是按液化石油氣的已知熱值計算出來的，但這樣計算出來的混合比不一定準(zhǔn)確，因為液化石油氣的熱值會隨著每一批進貨成份不一樣而改變。傳統(tǒng)的混合器為了補償這些誤差，必須另外付額外可觀的費用來配上自動比例控制的選擇，而ＡＦＣ混合器就具備了這一功能，而且ＡＦＣ混合器的反饋控制不只補償了因液化石油氣組份變化對混氣熱值的影響，并同時補償了所有儀表，包括流量計，流量控制閥，溫度和壓力傳感器等可能存在的誤差，因為反饋信號所反映的是全部影響熱值因素的凈值，其中有些可能使熱值偏高，另一些則可能使熱值偏低，ＰＬＣ會用所有這些因素的凈值來調(diào)整熱值的偏差，一次性把它消除。由于液化石油氣的熱值和儀表誤差的因素都不會不停變動，所以在反饋控制中稍有滯后也沒有關(guān)系。經(jīng)過這一修正，熱值的控制就更為準(zhǔn)確，通常誤差都不超過１％。

５ 新型混合器的優(yōu)點

　　傳統(tǒng)的混合器采用后饋式控制，只會當(dāng)誤差出現(xiàn)及被發(fā)現(xiàn)后才會設(shè)法去加以糾正，由于從出現(xiàn)到發(fā)現(xiàn)而至糾正之間都有一段時間滯后，這滯后會導(dǎo)致熱值不準(zhǔn)確及發(fā)生波動。ＡＦＣ混合器利用前饋控制，免除了這些波動；ＡＦＣ混合器也同時采用后饋控制，一次性補償了液化石油氣熱值變化和所有儀表誤差所帶來的影響，所以ＡＦＣ混合器既反應(yīng)迅速，又能長期保持極高的精度。
　?。ǎ保?全部硬件采用成熟產(chǎn)品，性能和可靠性都已經(jīng)過長期考驗和獲得證實。
　?。ǎ玻?由于采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，交貨期較快，互換性強，使儲存零部件變得簡單。
　　（３） 結(jié)構(gòu)簡單，出現(xiàn)機械故障的機會大大減少。
　?。ǎ矗?由于采用前饋式控制，反應(yīng)快速，由起動至穩(wěn)定只需約10秒（傳統(tǒng)的至少要數(shù)分鐘）。
　?。ǎ担?由于在啟動后能自動快速穩(wěn)定下來，可按混氣的流量及出口壓力自動控制混氣出口氣動閥的開關(guān)，不會出現(xiàn)低流量時混氣不準(zhǔn)確和熱值波動的現(xiàn)象。
　　（６） 由于同時采用反饋式控制，補償了所有計量儀表的誤差和液化石油氣本身熱值的變化，熱值的精度也維持在上下１％以內(nèi)。
　?。ǎ罚?液化石油氣通過流量計后直接進入混合室，不需經(jīng)過細小的孔口，避免了雜質(zhì)積聚而阻礙活塞的活動，影響熱值和流量的控制，經(jīng)常拆開清洗。只有潔凈的空氣通過流量控制閥，不會受雜質(zhì)的影響。
　?。ǎ福?不需另付額外費用即可獲得液化石油氣和混氣流量的數(shù)據(jù)。
　?。ǎ梗?由于液化石油氣在ＡＦＣ混合器內(nèi)不需經(jīng)過減壓和通過細小的孔口，同樣的混氣壓力所要求的液化石油氣進口壓力可大大降低。使用較低液化石油氣進口壓力的好處有多方面；１ 較少運行甚至無須使用液化石油氣穩(wěn)壓泵；２ 液化石油氣在較低壓力和溫度下氣化，氣化器的氣化能力較大，即可選用較小的氣化器；３ 氣化器可選用較低水溫，避免液化石油氣內(nèi)的不飽和烴聚合，粘住或堵塞下游設(shè)備。
　?。?0）每臺ＡＦＣ帶有本身的ＰＬＣ控制系統(tǒng)，配觸膜式顯示屏，用圖形或中文顯示及記錄很多有用的運行資料和信息。這些資料也可送到中央控制柜上進行監(jiān)控，和顯示在功能更強的人機界面系統(tǒng)上。
　　（11）可以將任意兩種氣體以任意比例和壓力混合，適合利用一種氣體來穩(wěn)定和增加或降低另一種氣體的熱值。

６ 新型混合器的安全保護措施

　?。粒疲没旌掀鞑捎霉收习踩Ｗo設(shè)計，萬一出現(xiàn)故障，就馬上自動關(guān)閉液化石油氣進口及混氣出口的氣動閥和空氣流量控制閥，防止不合格的混氣進入管網(wǎng)，或在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生危險的混合氣。
　　ＡＦＣ混合器的安全保護系統(tǒng)隨時監(jiān)察著系統(tǒng)的運行情況，只要下述任何不正常情況出現(xiàn)，就馬上發(fā)揮保護功能：
　?。ǎ保?任何一個流量計或流量控制閥發(fā)生機械故障或不能正常發(fā)出信號。
　?。ǎ玻?任何原因?qū)е虑梆伵c后饋信號出現(xiàn)異常的差異（例如由于流量計或熱值儀有故障或精度突然變差）。
　　（３） 混氣的熱值偏離設(shè)定值。
　?。ǎ矗?控制系統(tǒng)的ＰＬＣ或輸入／輸出模塊損壞。
　　當(dāng)故障出現(xiàn)時，控制箱的屏幕上實時出現(xiàn)一段中文信息指出可能故障所在及建議的排除方法。一旦故障排除，例如更換了有問題的零部件，系統(tǒng)可立即重新啟動，使影響降至最低。

７ 結(jié) 論

　　新型混合器消除了傳統(tǒng)混合器的主要缺點，并增加了不少優(yōu)點，無論反應(yīng)速度還是混合的精度都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的混合器。它雖說是一種新產(chǎn)品，但所采用的控制原理，早已在合肥市和唐山市的煤氣增熱系統(tǒng)中經(jīng)過驗證，經(jīng)過兩年多的運行，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。