代用燃料快速调合系统设计与实现.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期1引言近年来，地震等自然灾害频发，应急救援抢险救灾任务繁多。经常因二次灾害发生导致油料补给线遭到破坏，特别是大型救援工程机械燃料无法供应导致救援任务无法正常进行，造成不可估量的损失。为保证救援任务正常进行，应急调合代用燃料。应急代用燃料核心在于利用现地筹措的不同种类的油源，按一定比例进行调合，在有限时间内满足设备使用标准。为此，国内外高度重视应急代用燃料研究，出台了相关法案和规定。美国也制定了应急代用方案，在紧急时灵活使用现地燃料和资源；欧洲等国家提出在技术负责人指导下，紧急情况下使用应急代用燃料；我国也开展了应急代用燃料理论研究，也在相关规定中指出了应急代用燃料的重要性和使用条件。但都仅限于方案与政策的拟定，缺少满足抢险救灾和应急救援。任务要求的燃料应急代用调合系统，野外条件下实施燃料应急代用调合不但操作难度大，耗时长，燃料应急代用走向应急救援、抢险救灾后勤保障的“最后一公里”始终没有贯通。所以该快速调合系统的设计贯通了燃料应急代用方案拟制与应急救援实际应用之间的屏障，为在执行抢险救灾、应急救援等挽救人民群众财产和生命安全的任务收稿日期：2023年4月14日，修回日期：2023年5月19日基金项目：青年自主创新基金（编号：LQ-QN202216）资助。作者简介：曾正伟，男，硕士研究生，研究方向：化学工程。吴江，男，博士，教授，研究方向：应用化学。刘坪，女，硕士，副教授，研究方向：化学工程。李学彬，男，硕士，讲师，研究方向：新能源。姚金光,男，工程师，研究方向：化学工程。代用燃料快速调合系统设计与实现曾正伟1吴江1刘坪1李学彬1姚金光2（1.陆军勤务学院油料系重庆401331）（2.联勤保障部队武汉430014）摘要代用燃料是遂行抢险救灾、应急救援等任务过程中油料保障的重要补充来源，但由于缺乏专业化、一体化装置，严重制约了燃料保障效能。鉴于此，设计了应急代用燃料快速调合系统，提出了系统总体方案，并对燃料混合、系统控制、油品质量检测等核心功能模块进行了研究，为解决油料保障瓶颈提供了支撑。关键词抢险救灾；应急代用；油料保障；快速调合中图分类号TP311.52DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.10.031Design and Implementation of Rapid Blending System forAlternative FuelsZENG Zhengwei1WU Jiang1LIU Ping1LI Xuebin1YAO Jinguang2（1.Department of Petroleum Oil，Army Logistics Academy，Chongqing401331）（2.Joint Logistic Support Force，Wuhan430014）AbstractAlternative fuel is an important supplementary source of oil support in the process of rescue and disaster relief.However，due to the lack of specialized and integrated devices，the efficiency of fuel support is severely restricted.In view of this，this article designs the emergency alternative fuel rapid blending system，proposes the overall scheme of the system，and studies thefuel mixing，system control，oil quality testing and other core functional modules，providing support for solving the bottleneck of oilsupply.Key Wordsdisaster relief，emergency substitution，oil support，quick blendingClass NumberTP311.52总第 352 期2023 年第 10 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.10147总第352期中，提供了坚实的燃料后勤保障基础。2系统整体方案设计基于野外应急救援条件下环境恶劣、情况复杂、意外频发，为更好完成抢险救灾任务，该系统围绕易于转移与隐蔽、防护能力强、性能稳定性高、方便维修为设计原则。整体采取模块化设计，主要由原料油输入端、燃料混合模块、系统控制模块、油品质量检测调节模块、成品油输送端组成。在应急调合过程中，主要是依据齿轮油、液压油、植物油等现地易筹措的油源作为原料油，按照已有混合比例配方，在伺服泵、控制阀、流量计协调控制下，泵入燃料混合模块进行充分混合。目前混合器以静态混合器和动态混合器为主，静态混合器以结构化配置排列相同挡板或元件，挡板分割主流的径向和切向、重新分布流线，其功耗取决于压降、流速和黏度，无特殊动力要求，调合效率高。动态混合器通过电机组带动搅拌桨，搅拌油料最终达到混合，需额外动力源，且调合时间长，场地占用大。综合两种混合器特点，结合野外环境复杂，静态混合器更加适用于燃料混合模块。快速调合系统控制是以调合配方为基础的优化调合控制方案，其根据调合配方结合在线检测设备提供的调合产品质量反馈校正和性质分析数据，实现质量为控制目标的在线优化调合的控制。以DCS控制系统为中心，在质量合格同时，并对所有调合比例进行整体优化，快速均匀混合，实现卡边操作和最优目标，实现紧急情况下应急燃料快速调合、实时输送。油料输入A端油料输入B端流量计流量计混合单元主控制器成品油输出端油品质量监控调节图1系统构成示意图在实际调合中，各种随机干扰因素是不可避免的，因此按照理论配方的调合输出与实际情况不可能完全一致。调合燃料性质与目标值可能不同，为提高代用燃料的稳定性，在调合过程中对理化性质在线检测并调节。根据相关规定、实验数据以及原料的特点，使用传感器对代用燃料的密度、黏度、十六烷值、介电常数的性质检测并返回控制器，在控制器的调节下达到设定的目标值，最终满足应急使用要求。3燃料混合模块目前国内静态混合器是以5种标准静态混合器SV型、SK型、SX型、SH型和SL型为基础。其中SV型混合单元是由波纹片堆叠而成，混合机理是以对流体的切割和管道形状变化的剪切作用为主，对流体的切割性最强，混合效果最好，且几乎没有放大效应。上海生产了管径为2000mm大型SV混合器与实验装置混合性能没有区别，但是流体通过空间比较小，对混合物料清洁度比较高，杂质颗粒容易造成混合单元的堵塞。且整体压降比较大，流体动力损失比较大，要达到相同混合效果，前期流体动力要相应提高。图2SV型静态混合器图3SX型静态混合器SX型混合单元是由按规律交叉的横条构成，混合机理是通过交叉的横条对流体切割、剪切等作用，交叉横条的疏松度大于波纹板堆积，混合单元间隙大于SV型，流体通过性更好，但是SX型的混合性能比SV型差，但抗堵塞性能优于SV型，对原料的清洁度要求比较小，SX 的放大效应也比较小。如图4（d）所示，SX相较于其他混合器的混合效果，其结构相对比较复杂、交叉横条间隙小，其混合效果最好12。SK型混合单元是由单孔道左、右扭转180的螺旋片组，按90焊接而成。内部流体空间比较大，流通性很好，其混合机理是通过相反角度扭转螺旋片使流体做相反螺旋运动并在叶片的切割、旋转作下使其混合。混合效果相较差于SX型、SV型，但是流体黏度较大时SK型混合效果比较好。在三维不可压缩流场、Eulerian多相流模型等模拟下，流体在SK型沿着叶片做方向相反的螺旋运动并呈现周曾正伟等：代用燃料快速调合系统设计与实现148舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期期性变化并在叶片的切割、剪切和旋转作用3，如图5是流体管道不同段速度分布情况混合段在不断被强化，最终达到均匀混合4。Velocity/ms-13.09010-22.86910-22.64810-22.42810-22.20710-21.98810-21.76810-21.54510-21.32410-21.10310-28.82810-36.62110-34.41410-32.20710-30.000（a）（b）（c）（d）图4速度分布图00.01500.0300 m0.00750.0225（a）z=L/300.01000.0200 m0.00500.0450（b）z=L/200.01000.0200 m0.00500.0450（c）z=Lyzxyzxyzx2.12901.59701.06400.532202.12901.59701.06400.532202.12901.59701.06400.53220图5混合效果图SL型混合单元由交叉的横条按规律构成单X形，组合时相邻两单元90交叉。如图所示单元结构内部叶片少、叶片间隔较大、适用于黏度比较大的流体，对特定的熔融体混合效果比较好。SH型混合单元是由双孔道组成，单元之间设有分配室，双孔道内装入左右扭转180的螺旋片。如图所示由于孔状结构，对于黏度稍大流体就会造成堵塞、压降过大等情况，调合效率不稳定，效果不佳。图6SH型静态混合器图7SL型静态混合器不同物料的分散体系、混合过程在流体流动过程中是瞬态，很难直观呈现5。因此只能通过理论推导、实验等方法研究流动通量、压力降、宏观混合效果等方面，对其内部混合规律、流场形态、粒子运动状态等认识不深，随着数值模拟、仿真软件的不断发展，利用其研究静态混合器内部的压力、温度、密度、速度等流体参数变化情况，对流体流动过程有了更全面、更直观的认识6。通过对五种混合器综合分析与比较，SV型流体空间比较小，对流体黏度要求比较高，SV型就不适用于黏度过大，SK型、SX型静态混合器相对SH型、SL型调合效率较高，结构相对稳定，易于研究优化；SH型、SL型适用性相对比较窄，对物料的要求比较高，且调合效果不佳。结合代用燃料来源大致是液压油、植物油、齿轮油等，按照野外调合快速、效率要求高等特点，SV型、SK型、SX型静态混合器作为该快速调合系统的燃料混合模块。4系统控制模块在油料调合自动控制中，对调合组分采用单闭环和双闭环比例控制，即在选择了调合组分和总量后，根据初始调合配方，根据现有原料在配方极限值范围内计算出各自的用量和比例，设定主组分流量，副组分按比例自动跟随主组分流量输入，从而达到调合目的。输入端比例控制通常由流量计、控制阀和回路调节器组成，控制器根据程序设定的流量目标值进行控制，使各组分按照配方比例进行混合根据油品质量检测情况调节流量和流速。如图8所示采用的单双闭环比例控制逻辑图。控制器是实现比例精准控制、质量严格管控的核心，是全系统协调与处理的基础。以DCS控制系统为主，其逻辑清晰、协调性灵活性好7，滞后时间短。在 DCS 控制系统设计控制层、监控层、优化149总第352期层8，执行接收人机交互界面的调合比例数据，控制输入比例，接收质量检测数据并根据设定目标值执行优化算法调节。主要实现调合安全启动、比例控制、组分流量修正等功能9；实现从开始、爬升、稳态、产生偏差、偏差修正到结束的不同阶段的序列控制10。其中在优化层的设计中，采用PID控制算法跟踪优化目标值与实际值的变化1112。DCS控制系统作为燃料应急代用快速调合系统的主控制，在输入端原料比例控制和油品质量检测调节是调合速度快、效率高、质量合格的基本保证。主组分副组分副组分混合器主组分副组分混合器主组分FTFCFTFTKFTFTFTKFCFC图8单双闭环比例调合系统5油品质量检测模块燃料油是成分十分复杂的混合物，由几十种甚至是上百种碳氢化合物混合而成，是由不同原油和炼油工艺调和而成的产物，其成分不仅复杂，还受到产地和加工工艺的影响，因此难以准确分析燃料的不同成分。对于应急代用燃料原料大部分还是成品油，馏程、饱和蒸气压等性质相对稳定，根据代用燃料相关规定只需要检测密度、黏度、十六烷值（柴油）、介电常数、水分等。图9密度、黏度传感器5.1密度、黏度的检测调合油品是成分极其复杂的混合物，性质的呈现不是单一的因素，而是宏观上共同作用的结果，因此油品的性质检测只能通过电荷的变化，有机光谱来测定。低频压电音叉（QTF）可以测量液体物理化学性质，流体黏度和密度与QTF等效电路的电阻和共振频率相关13。基于QTF等效电路分析技术不仅可以在线测量黏度，还能测量密度。从表1可以看出采用以压电音叉为基础的检测传感器作为代用燃料的黏度和密度在线检测装置，密度的测量相对更加准确，最大偏差不超过3%，但是从黏度的测量来看，最大偏差达到了5.58%，究其原因可能是传感器的精密程度影响了其最终结果，采用精度更高的传感器偏差就会相应减少。响应速度快、检测准确、范围广，其密度测量范围为0.6g/cm31.25g/cm3，黏度测量范围为25mPas400mPas。表1密度传感器与实验室检测对比基准测量密度0.7830.7830.780.780.7780.7780.7750.7730.7710.76650.7650.7650.765传感器测量0.7820.780.7770.7840.7570.7580.7640.7810.7660.7650.7580.7720.772偏差值/%0.180.360.370.452.762.631.481.040.630.160.870.950.85近红外光谱仪和傅立叶变换近红外光谱仪也可以测定柴油密度。通过光谱预处理、选择光谱区域和偏最小二乘回归定量校正模型等方法，在一定范围内，该方法测定结果均能达到标准方法的误差要求14。但是该方法需要大量模型数据为基础，工作量比较大、检测时间比较长，有一定滞后性，不符合在线检测要求。5.2介电常数与十六烷值、水分的检测柴油的绝缘导磁率和电磁感应的电荷特性跟柴油的十六烷值有一定的关系，因此通过测定介电常数来建立模型计算柴油十六烷值。因此，以电容传感器为主体的柴油十六烷值检测系统，利用电容传感器测量介电常数，采用偏最小二乘法模型，通过建立十六烷值与介电常数的关系式，建立十六烷值计算模型，以下是模型计算值与实验室按 GB/T-38-2021测定比较。从表3和图10可以看出，通曾正伟等：代用燃料快速调合系统设计与实现150舰 船 电 子 工 程2023 年第 10 期过两组重复性实验，并能根据介电常数计算模型得出的十六烷值偏差值均小于0.9%。该测定方法准确性比较高且受温度影响较小、结构简单，适用于多种场合，且具有平均效应、响应速度快等特点15，建模过程比较简单。通过近红外光谱仪建立十六烷值数据库，通过偏最小二乘法、支持向量机法和最小二乘支持向量机法建立了分析模型，使用LSSVM算法建立的校正模型对柴油样本十六烷值的预测也满足快速评价要求16，且偏差也是不大于1.3，符合预期偏差。但是该方法所需要的样本数量巨大，检测时间长，后期维护更新也比较复杂。对于应急快速调合不太适用。表2黏度传感器与实验室检测对比基准测量黏度/cp11.1710.929.839.918.848.807.898.007.307.316.596.63传感器测量黏度11.2110.029.2910.008.489.297.437.947.207.526.266.48偏差值/%0.408.235.480.964.125.585.840.751.352.875.022.28样本1234567891011121314151617181920GB/T-38652.950.0954.3153.2253.6354.2349.9353.1551.3652.2553.8253.1951.4556.2153.3455.5954.1354.4352.2653.93计算值152.9250.0954.3253.1453.6454.2550.2653.1450.4852.4753.8353.2151.4956.2153.4455.6454.1554.4652.0453.94计算值252.7950.0854.6952.9654.5354.2750.2952.850.5452.45453.2752.1556.352.5556.5154.4155.3352.754.54偏差值0.130.010.370.180.890.020.030.340.060.070.170.060.660.090.890.870.260.870.660.6样本2122232425262728293031323334353637383940GB/T-38655.2152.9752.7553.9452.6252.2452.2453.7253.6551.7553.8554.9754.5750.3254.3452.8651.7149.7253.0354.66计算值155.3652.9853.0253.9552.6451.5153.955453.7150.2654.554.9854.5750.3654.453.0851.7350.252.9555.22计算值255.6153.5552.3154.2152.8152.3855.2353.954.3151.1555.3354.2353.9350.4354.4653.9152.2350.7853.1755.67偏差值0.250.570.710.260.10.871.280.10.60.890.830.750.640.070.060.830.50.580.220.45表3十六烷值测量值与实验室检测分析同样在水分的测定中，介电常数也是作用巨大，通过AD7745实现介电常数与电容量的数字转换，能够实验0.01级精度的油品含水率检测器。如图11所示，油品中含水率的增加时，油品的介电常数变化显著，使得检测得到的电容值也相应变化，在0.01精度要求范围内，电容值与含水率的关系呈线性关系。在-560温度条件下和00.35%含水率范围内17。精度能达到0.01，具有重复性好、可靠性高、设备简单等优点。通过对柴油密度、黏度、水分、十六烷值等性质检测方法与检测器材分析，使用近红外仪分析，准确性比较高但是处理样本数据巨大，不同产地原油也会造成样本偏差，最终结果也是大相径庭。在样本处理方法的不同上也会对最终检测结果有所影响，且后期还需要对样本库进行定期更新，工作量大且不利于后期维护18。在代用燃料的调合中，原料来源比较广泛，成分比较复杂，依靠实验室制备光谱样本就不太适用，对检测结果影响难以掌握。而传感器和电容器检测方法油料密度、黏度、水分、十六烷值的检测，模型建立相对简单，响应速度快，结果比较准确，影响因素较少，具有良好的检测效果。151总第352期010203040柴油样本6050十六烷值标准方法测定计算值1计算值2图10十六烷值不同检测方法对比图2015105电容值变化量（pF）和介电常数变化量00.050.100.150.200.250.300.35含水率/%介电常数变化量电容值变化量图11电容及介电常数与含水率变化关系6结语为解决抢险救灾、应急救援等紧急任务中燃料补给短缺问题，设计了将现地易筹措油料应急调合成符合装备使用的代用燃料的快速调合系统。具体从系统整体方案设计、燃料混合模块、系统控制模块、油品质量检测模块阐述了各部分组成与工作流程，结合作业环境和使用需求，结合各功能模块器件的作用原理和优缺点，该系统能在野外条件燃料短缺的情况下，能快速将现地易筹措的油料快速、高效调合成满足大型工程机械要求的代用燃料，保证任务顺利完成。解决了后勤油料保障瓶颈，为挽回人民群众生命和财产安全作出了一定的贡献。参 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