氣體發(fā)動機(jī)燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

殷劍鋒， 趙中祥， 孫 鵬， 王德玉， 李 斌， 任 浩

（1.昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司， 江蘇 昆山 215321； 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108； 3.晉煤集團(tuán)技術(shù)中心， 山西 晉城 048000）

引言

隨著日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題以及不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)出現(xiàn)，發(fā)展內(nèi)燃?xì)馓娲鍧嵢剂弦殉蔀榻鉀Q這些問題的有效途徑之一[1-2]。煤層氣、天然氣以及沼氣等由于儲量豐富、燃燒清潔以及價格便宜等優(yōu)點(diǎn)成為氣體發(fā)動機(jī)最有前途的替代燃料[3]。

燃?xì)忾y是氣體發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，是一種單點(diǎn)噴射的電子式燃?xì)饬髁坑嬃块y件。燃?xì)忾y主要由蝶閥本體、控制器、執(zhí)行器、傳感器等構(gòu)成。燃?xì)忾y主要有燃?xì)饬髁坑嬃亢腿細(xì)饬髁空{(diào)節(jié)的功能，其基本原理為：燃?xì)忾y控制模塊接收到發(fā)動機(jī)主控單元的目標(biāo)流量信號，并通過壓力、壓差、溫度傳感器所測的值，結(jié)合閥的流量特性計算出氣體實(shí)際流量，控制模塊計算出閥體應(yīng)該調(diào)節(jié)的開度，實(shí)現(xiàn)流量閉環(huán)。

在燃?xì)忾y產(chǎn)品開發(fā)過程中，為了研究燃?xì)忾y的流量特性以及驗(yàn)證流量計量以及調(diào)節(jié)功能，需要開展燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)。為此，根據(jù)燃?xì)忾y系列產(chǎn)品測試需求，設(shè)計開發(fā)了一種適用于燃?xì)忾y流量特性測試以及相關(guān)功能驗(yàn)證的試驗(yàn)裝置。本文主要介紹了該試驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理以及各子系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理

開發(fā)燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)的目的是研究燃?xì)忾y的流量特性以及驗(yàn)證燃?xì)忾y的流量計量和調(diào)節(jié)功能。因此，對試驗(yàn)系統(tǒng)提出以下需求：首先，燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能夠提供充足、相對穩(wěn)定、一定壓力的純凈氣源，能夠滿足燃?xì)忾y所需的流量測試范圍和壓力測試需求；然后，燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)流量進(jìn)行實(shí)時的精確測量；最后，必須配備數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，用于燃?xì)忾y控制以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集等。另外，在滿足上述要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、合理、管路壓損小、價格便宜等。

因此，根據(jù)上述要求，燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)分為以下六個部分：空氣供給系統(tǒng)、流量測試裝置、燃?xì)忾y、燃?xì)忾y控制系統(tǒng)、自動化控制與測量系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。燃?xì)忾y為被測對象，位于流量測試裝置之后，通過燃?xì)忾y控制系統(tǒng)對它進(jìn)行實(shí)時控制。該試驗(yàn)系統(tǒng)使用若干空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)除水、除油、除塵后，壓縮空氣進(jìn)入體積較大的儲氣罐，儲氣罐中的壓力為閉環(huán)控制，能夠使罐中的壓縮空氣控制保持在恒定的壓力值。進(jìn)氣總閥控制系統(tǒng)管路的通斷，壓力調(diào)節(jié)閥將系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)至測試所需壓力，而穩(wěn)流器用來穩(wěn)定系統(tǒng)流量，便于流量測試裝置進(jìn)行精確測量。最終，系統(tǒng)流量經(jīng)排氣背壓閥、排氣穩(wěn)壓罐以及排氣風(fēng)機(jī)進(jìn)入大氣。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成及工作原理

2 各子系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 空氣供給系統(tǒng)

出于安全性、成本等方面的考慮，燃?xì)忾y試驗(yàn)系統(tǒng)的測試介質(zhì)使用壓縮空氣來代替煤層氣、天然氣等實(shí)際的燃料。空氣供給系統(tǒng)的主要作用是提供流量及壓力滿足測試需求的純凈氣源。空氣供給系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)組、過濾器、儲氣罐、進(jìn)氣總閥、壓力調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)流器以及相關(guān)管道。由于燃?xì)忾y的流量特性，使用一臺風(fēng)機(jī)很難滿足燃?xì)忾y的流量和壓力測試需求。因此，該試驗(yàn)系統(tǒng)采用空氣壓縮機(jī)組代替風(fēng)機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣。過濾器用于去除壓縮空氣的水分、油污以及灰塵；儲氣罐用于存儲壓縮空氣；進(jìn)氣總閥用于控制系統(tǒng)壓縮空氣的通斷；壓力調(diào)節(jié)閥為電動調(diào)壓閥，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力使其滿足測試要求；由于壓力調(diào)節(jié)閥為錐閥且壓力變化較大，壓縮空氣流經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥時，流量變?yōu)椴环€(wěn)定的射流，穩(wěn)流器將射流變?yōu)榉€(wěn)流，便于流量測試裝置的精準(zhǔn)測量。該空氣供給系統(tǒng)可滿足不同系列燃?xì)忾y的測試需求。

2.2 流量測試裝置

該測試系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)噴嘴作為流量測試裝置，由于燃?xì)忾y流量量程范圍較大，而標(biāo)準(zhǔn)噴準(zhǔn)的量程比較小（一般為1∶5），因此，該測試裝置使用若干套標(biāo)準(zhǔn)噴嘴并聯(lián)的方式進(jìn)行流量測量，以滿足燃?xì)忾y的流量測試要求。

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴由環(huán)室、噴嘴、緊固件、密封墊片以及取壓管組成，分為法蘭式和焊接式，分別如圖2 和圖3 所示。法蘭連接形式標(biāo)準(zhǔn)噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)場安裝方便，可在現(xiàn)場進(jìn)行檢修拆卸，使用壽命長，適合測量中低壓蒸汽，可測量各種單一氣體、混合氣體、蒸汽以及液體。直接焊接形式標(biāo)準(zhǔn)噴嘴本身無滲漏點(diǎn)，適合用于主蒸汽，主給水流量的測量，以及各種高溫高壓的場合。最高耐壓可到42 MPa，可測量各種單一氣體，混合氣體、蒸汽、液體。直接焊接形式標(biāo)準(zhǔn)噴嘴現(xiàn)場安裝方便，使用壽命長。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖（法蘭式）

圖3 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖（焊接式）

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴是差壓式流量計的一次儀表，與壓差變送器及顯示儀表（或計算機(jī)）配套使用，可實(shí)現(xiàn)對流體流量的測量，并達(dá)到累積顯示及控制的目的。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的工作原理遵循伯努利方程，當(dāng)管道內(nèi)裝入節(jié)流元件，當(dāng)充滿管道的流體通過節(jié)流元件后，流體局部收縮，流速增加，這樣在節(jié)流元件上下產(chǎn)生壓力差，這個壓差信號會通過壓差變送器傳遞給顯示儀表或計算機(jī)，顯示儀表或者計算機(jī)經(jīng)過運(yùn)算后，可顯示瞬時流量以及累積流量，達(dá)到累積的目的，流量公式如下所示：

式中：qv為體積流量；c為流出系數(shù)；ε 為測試介質(zhì)可膨脹系數(shù)；β 為直徑比；d為節(jié)流件開孔直徑；Δp為差壓值；ρ 為介質(zhì)工況密度。另外，由于空氣的可壓縮性，在測量氣體時，一般需要溫度和壓力補(bǔ)償。

2.3 自動化控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自動化控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于壓力調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器的控制以及流量、壓力等信號的數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)過程中需要對空氣壓縮機(jī)、進(jìn)氣總閥、壓力調(diào)節(jié)閥、背壓調(diào)節(jié)閥以及風(fēng)機(jī)等參數(shù)進(jìn)行控制；同時，需要對一些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，采集以及存儲，如大氣溫度、進(jìn)氣溫度及燃?xì)忾y閥前溫度等溫度信號，進(jìn)氣壓力、排氣壓力以及燃?xì)忾y閥前壓力等壓力信號和系統(tǒng)流量等流量信號等。發(fā)動機(jī)溫度以及壓力等信號的采集是通過數(shù)據(jù)采集卡完成的，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以處理的數(shù)字信號，其核心是毫秒級的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。

2.4 燃?xì)忾y控制系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)

燃?xì)忾y控制系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)對燃?xì)忾y的實(shí)時監(jiān)控與控制。燃?xì)忾y的排氣系統(tǒng)用于燃?xì)忾y背壓調(diào)節(jié)，主要由背壓調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)壓罐以及排氣風(fēng)機(jī)組成。背壓調(diào)節(jié)閥為電動調(diào)節(jié)閥，通過自動化控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)背壓；穩(wěn)壓罐用于穩(wěn)定系統(tǒng)背壓；排氣風(fēng)機(jī)用于將系統(tǒng)內(nèi)空氣排出室外。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在氣體發(fā)動機(jī)燃?xì)忾y試驗(yàn)臺上開展燃?xì)忾y流量特性試驗(yàn)，測試結(jié)果如下頁圖4 所示。從圖中可以看出，隨著閥體前后壓差增加，通過燃?xì)庥嬃块y的流量逐漸增加，且變化幅度逐漸減少，符合一般蝶閥的流量特性，且測量的數(shù)值和變化趨勢與燃?xì)忾y理論計算流量數(shù)據(jù)較為吻合，說明該試驗(yàn)系統(tǒng)流量測試準(zhǔn)確性較高。

4 結(jié)論

根據(jù)燃?xì)忾y系列產(chǎn)品的測試要求，設(shè)計了一種適用于燃?xì)忾y流量特性測試以及功能驗(yàn)證的測試裝置。它能夠提供滿足流量及壓力測試要求的氣源，并進(jìn)行較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)流量測量，同時能夠進(jìn)行自動化控制和采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡單、適用范圍廣。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)系統(tǒng)滿足多個系列燃?xì)鈬娚溟y測試要求，測試結(jié)果準(zhǔn)確性較高，該測試系統(tǒng)設(shè)計較為合理。

圖4 燃?xì)忾y流量特性