氣體發(fā)動機燃氣閥試驗系統(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.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108； 3.晉煤集團技術中心， 山西 晉城 048000）

引言

隨著日益嚴峻的能源環(huán)境問題以及不斷嚴格的排放法規(guī)出現(xiàn)，發(fā)展內燃氣替代清潔燃料已成為解決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)點成為氣體發(fā)動機最有前途的替代燃料[3]。

燃氣閥是氣體發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)的關鍵零部件之一，是一種單點噴射的電子式燃氣流量計量閥件。燃氣閥主要由蝶閥本體、控制器、執(zhí)行器、傳感器等構成。燃氣閥主要有燃氣流量計量和燃氣流量調節(jié)的功能，其基本原理為：燃氣閥控制模塊接收到發(fā)動機主控單元的目標流量信號，并通過壓力、壓差、溫度傳感器所測的值，結合閥的流量特性計算出氣體實際流量，控制模塊計算出閥體應該調節(jié)的開度，實現(xiàn)流量閉環(huán)。

在燃氣閥產品開發(fā)過程中，為了研究燃氣閥的流量特性以及驗證流量計量以及調節(jié)功能，需要開展燃氣閥試驗系統(tǒng)開發(fā)。為此，根據燃氣閥系列產品測試需求，設計開發(fā)了一種適用于燃氣閥流量特性測試以及相關功能驗證的試驗裝置。本文主要介紹了該試驗系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理以及各子系統(tǒng)的組成及特點。

1 試驗系統(tǒng)的工作原理

開發(fā)燃氣閥試驗系統(tǒng)的目的是研究燃氣閥的流量特性以及驗證燃氣閥的流量計量和調節(jié)功能。因此，對試驗系統(tǒng)提出以下需求：首先，燃氣閥試驗系統(tǒng)應能夠提供充足、相對穩(wěn)定、一定壓力的純凈氣源，能夠滿足燃氣閥所需的流量測試范圍和壓力測試需求；然后，燃氣閥試驗系統(tǒng)能夠對系統(tǒng)流量進行實時的精確測量；最后，必須配備數據采集與控制系統(tǒng)，用于燃氣閥控制以及試驗數據的采集等。另外，在滿足上述要求的前提下，力求結構簡單、合理、管路壓損小、價格便宜等。

因此，根據上述要求，燃氣閥試驗系統(tǒng)分為以下六個部分：空氣供給系統(tǒng)、流量測試裝置、燃氣閥、燃氣閥控制系統(tǒng)、自動化控制與測量系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)，其結構圖如圖1 所示。燃氣閥為被測對象，位于流量測試裝置之后，通過燃氣閥控制系統(tǒng)對它進行實時控制。該試驗系統(tǒng)使用若干空氣壓縮機產生壓縮空氣，經除水、除油、除塵后，壓縮空氣進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。進氣總閥控制系統(tǒng)管路的通斷，壓力調節(jié)閥將系統(tǒng)壓力調節(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行精確測量。最終，系統(tǒng)流量經排氣背壓閥、排氣穩(wěn)壓罐以及排氣風機進入大氣。

圖1 試驗系統(tǒng)組成及工作原理

2 各子系統(tǒng)構成及工作原理

2.1 空氣供給系統(tǒng)

出于安全性、成本等方面的考慮，燃氣閥試驗系統(tǒng)的測試介質使用壓縮空氣來代替煤層氣、天然氣等實際的燃料?？諝夤┙o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?？諝夤┙o系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機組、過濾器、儲氣罐、進氣總閥、壓力調節(jié)閥、穩(wěn)流器以及相關管道。由于燃氣閥的流量特性，使用一臺風機很難滿足燃氣閥的流量和壓力測試需求。因此，該試驗系統(tǒng)采用空氣壓縮機組代替風機產生壓縮空氣。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；進氣總閥用于控制系統(tǒng)壓縮空氣的通斷；壓力調節(jié)閥為電動調壓閥，用于調節(jié)系統(tǒng)壓力使其滿足測試要求；由于壓力調節(jié)閥為錐閥且壓力變化較大，壓縮空氣流經壓力調節(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測量。該空氣供給系統(tǒng)可滿足不同系列燃氣閥的測試需求。

2.2 流量測試裝置

該測試系統(tǒng)選擇標準噴嘴作為流量測試裝置，由于燃氣閥流量量程范圍較大，而標準噴準的量程比較?。ㄒ话銥?∶5），因此，該測試裝置使用若干套標準噴嘴并聯(lián)的方式進行流量測量，以滿足燃氣閥的流量測試要求。

標準噴嘴由環(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。法蘭連接形式標準噴嘴結構簡單，現(xiàn)場安裝方便，可在現(xiàn)場進行檢修拆卸，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。直接焊接形式標準噴嘴本身無滲漏點，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。直接焊接形式標準噴嘴現(xiàn)場安裝方便，使用壽命長。

圖2 標準噴嘴結構示意圖（法蘭式）

圖3 標準噴嘴結構示意圖（焊接式）

標準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）配套使用，可實現(xiàn)對流體流量的測量，并達到累積顯示及控制的目的。標準噴嘴的工作原理遵循伯努利方程，當管道內裝入節(jié)流元件，當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，顯示儀表或者計算機經過運算后，可顯示瞬時流量以及累積流量，達到累積的目的，流量公式如下所示：

式中：qv為體積流量；c為流出系數；ε 為測試介質可膨脹系數；β 為直徑比；d為節(jié)流件開孔直徑；Δp為差壓值；ρ 為介質工況密度。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償。

2.3 自動化控制與數據采集系統(tǒng)

自動化控制及數據采集系統(tǒng)用于壓力調節(jié)閥等執(zhí)行器的控制以及流量、壓力等信號的數據采集。試驗過程中需要對空氣壓縮機、進氣總閥、壓力調節(jié)閥、背壓調節(jié)閥以及風機等參數進行控制；同時，需要對一些重要數據進行實時的監(jiān)測，采集以及存儲，如大氣溫度、進氣溫度及燃氣閥閥前溫度等溫度信號，進氣壓力、排氣壓力以及燃氣閥閥前壓力等壓力信號和系統(tǒng)流量等流量信號等。發(fā)動機溫度以及壓力等信號的采集是通過數據采集卡完成的，數據采集卡將采集到的模擬信號轉換為計算機可以處理的數字信號，其核心是毫秒級的A/D 轉換芯片。

2.4 燃氣閥控制系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)

燃氣閥控制系統(tǒng)用來實現(xiàn)對燃氣閥的實時監(jiān)控與控制。燃氣閥的排氣系統(tǒng)用于燃氣閥背壓調節(jié)，主要由背壓調節(jié)閥、穩(wěn)壓罐以及排氣風機組成。背壓調節(jié)閥為電動調節(jié)閥，通過自動化控制以及數據采集系統(tǒng)進行控制，可以實時調節(jié)系統(tǒng)背壓；穩(wěn)壓罐用于穩(wěn)定系統(tǒng)背壓；排氣風機用于將系統(tǒng)內空氣排出室外。

3 試驗驗證

在氣體發(fā)動機燃氣閥試驗臺上開展燃氣閥流量特性試驗，測試結果如下頁圖4 所示。從圖中可以看出，隨著閥體前后壓差增加，通過燃氣計量閥的流量逐漸增加，且變化幅度逐漸減少，符合一般蝶閥的流量特性，且測量的數值和變化趨勢與燃氣閥理論計算流量數據較為吻合，說明該試驗系統(tǒng)流量測試準確性較高。

4 結論

根據燃氣閥系列產品的測試要求，設計了一種適用于燃氣閥流量特性測試以及功能驗證的測試裝置。它能夠提供滿足流量及壓力測試要求的氣源，并進行較為準確的系統(tǒng)流量測量，同時能夠進行自動化控制和采集試驗數據，結構簡單、適用范圍廣。經試驗驗證，該試驗系統(tǒng)滿足多個系列燃氣噴射閥測試要求，測試結果準確性較高，該測試系統(tǒng)設計較為合理。

圖4 燃氣閥流量特性