谭学湛，谭卓华
（香港资讯自控科技有限公司，香港特别行政区）

　　 摘要：介绍新型液化石油气--空气混合器（AFC混合器）的原理及优点。
　　 关键词：LPG混合器；AFC混合器；信号处理技术；前馈控制；后馈控制
　　 中图分类号：TU996 .7 文献标识码：B
1 引 言

　　我国目前正大力发展天然气，有人认为，既然天然气快到了，今后就不再需要液化石油气混空气系统。其实不然，液化石油气混空气正是天然气最好的过渡气源，能在一个城市从一种燃气转换至天然气过程中担当重要角色。由于先进国家早已过渡至以天然气为主要燃料，对液化石油气混空气的设备需求大减，在缺乏市场动力下混气的技术在近十多年来都没有多大改进。本文介绍的是一种突破传统的新技术，充分利用现代先进计算机控制技术和信号处理技术发展而成的新型LPG混合器。
2 使用液化石油气混空气的主要原因

　　（1） 通过灵活改变混合比，混气几乎可与任何燃气互换，因而可取代这些燃气，作为2调峰，备用气源或在预期某种燃气（如天然气）即将到来前作过渡气使用。
　　 （2） 混气系统建设投资及运行成本低，规模弹性极大，建设周期短。
　　 （3） 当工厂购进的设备需要用某种特定燃气，或者对气质有严格要求，但当地没有符合条件的燃气供应时，可建造一套混气系统使用。
　　 （4） 当另一种燃气（如天然气）可大量供应时，已建成的混气系统可留作调峰或备用气源，或把整套设备移装到下一阶段要发展的地区。
　　 （5） 在寒冷地区，使用纯液化石油气在管道内很容易结露，混入空气可大大降低露点。
　　 将要使用天然气的城市中，有些尚无城市燃气供应，可先建设一些混气系统，暂时以代天然气供应，待天然气一到就可立即通向千家万户。有些城市已有人工煤气或管 道液化石油气供应，将来要转些工作如果等天然气到来才开始做，初期就不可能充分利用天然气的资源，造成大量浪费。如果在天然气大量到来以前，先分阶段分区将原来的燃气改造，使之与天然气能互换，那么在等候天然气到来的时间内可从容进行转换工作，到天然气大量到来时，已转换的用户就可马上使用。
３ 传统的混合器的工作原理和缺点

　　目前在国内使用的混合器几乎全是机械式的，即利用一个可变孔口的三通阀，先把两种气体的压力调节至相等，使通过三通阀的流量与对应孔口的面积成比例。这种设计在工作原理上就存在下列基本上无法解决的问题：
　　 （１） 控制两种气体等压的方法是使用两个调压器，一个为主，另一为从，利用主调压器指挥器的出口压力作为从调压器指挥器的压力，进而调节从调压器的出口压力，这样主调压器和从调压器的出口压力都应该相等。这在平衡状态即流量不变动的情况下是对的，但主调压器的压力不是永远不变的，它会随着流量变化而变化。在系统发动时压力变化既大而急促；在小流量时，阀门只打开一小缝隙，界乎开和合之间，压力波动更大。当从调压器感应到这种变化而作出相应调整时，已滞后了一段时间，使两种气体压力产生相位不一致的波动，破坏了等压混合的理想状况。这说明了传统混合器在起动和流量极小时热值有较大波动的原因。
　　 （２） 传统的混合系统采用后馈式控制手段，即在混气出口取样送到热值仪加以分析，如发现热值有偏差，就发出指令去改变混合阀的位置来作出修正。从混合气热值８出现偏差，到混合阀修正至正确位置，在最理想的情况下也要几分钟，而且由于相位的差异，修正的过程中也起波动，需要较长时间才能稳定下来。与此同时，会有大量不合格的混合气进入管网。
　　 （３） 混合阀一般上下浮动以改变流量，左右转动以改变混合比，即流量和混合比都要靠精确改变混合阀的位置来达到。如果气体中带有杂质，这些杂质会积聚在活动部件之间，需要经常清理才能保持正常动作，否则随时可能因活动部件被黏住而影响流量和混合比的控制。
　　 （４） 为了保证两种气体能等压混合，阀的进口都要配调压器，而且两种气体都要通过一个阻力很大的可变孔口，因此两种气体的进口压力要比混气压力高出很多。为了提高液化石油气的进口压力，就要提高气化器的出口压力，如液化石油气的压力不够就要加稳压泵，增加了系统的初投资和运行成本。另外，提高了液化石油气的液相压力还有两个不良效果：１ 液化石油气气化时压力越高，沸点就越高，导致热媒与液化石油气的换热温差减小，气化器的换热面积增大；２ 在较高压力（亦即较高温度下气化，更易使液化石油气中的不饱和烃聚合，使上述活动部件被粘住的问题更加恶化。
　　 （５） 混合阀都是专用产品，需要很精密和复杂加工，稍有误差就严重影响其性能。在生产和调试过程中需要反复试验，生产数量又少，所以价格昂贵而供货周期长，替换部件亦如此。
　　 （６） 混合阀只适用于接近１:１的混合。近来越来越多的煤气公司希望把液化石油气混入原来没有或只有极少经济效用的工业伴生气中以提高其热值供城市使用，混入的比例通常小于１:１０，所以不能使用混合阀。
４ 新型混合器工作原理

　　新型混合器名为流量主导控制混合器（Active Flow Control 混合器，简称ＡＦＣ）。它充分利用了先进的控制和信号处理技术，把两个普通的流量表和一个流量控制阀组合成为一套反应快捷，控制准确和用途广泛的混合器，不仅消除了传统混合器的缺点，而且加进了很多独有的优点，其中安全联锁的保护，安全可靠性更高。
　　 如图１所示，主要硬件有两个流量计和一个流量控制阀。液化石油气和空气经正常调压后进入混合器，液化石油气通过流量计就直接进入混合室，其流量，温度和压力数据输送到控制系统的可编程序控制器ＰＬＧ，转换成标准流量，然后按设定的混合比计算出空气的流量，由ＰＬＧ发出指令设定流量控制阀的开启位置，让空气以适当的流量通过。当液化石油气的流量增加或减少时，其变化亦通过同样程序调节空气的流量以维持原来的混合比不变。由于信号的传送，计算和控制阀的反应都在两种气体混合前进行，故称为前馈式控制，而且电子信号的传送，ＰＬＣ的运算速度极快，所以对任何变化的反应都是实时的。唯一机械活动部分只有流量控制阀，实际测试的结果显示，流量控制阀由全关至全开只需数秒钟，所以即使是在系统起动时也可快速地反应到正确的位置。

　　除了上述的前馈式控制外，ＡＦＣ混合器也同时采用了后馈式控制，使ＡＦＣ混合器在反应快捷的同时，精度也很高。在ＡＦＣ混合器出口，同样设置了热值仪，提供反馈信号。混合比的设定一般是按液化石油气的已知热值计算出来的，但这样计算出来的混合比不一定准确，因为液化石油气的热值会随着每一批进货成份不一样而改变。传统的混合器为了补偿这些误差，必须另外付额外可观的费用来配上自动比例控制的选择，而ＡＦＣ混合器就具备了这一功能，而且ＡＦＣ混合器的反馈控制不只补偿了因液化石油气组份变化对混气热值的影响，并同时补偿了所有仪表，包括流量计，流量控制阀，温度和压力传感器等可能存在的误差，因为反馈信号所反映的是全部影响热值因素的净值，其中有些可能使热值偏高，另一些则可能使热值偏低，ＰＬＣ会用所有这些因素的净值来调整热值的偏差，一次性把它消除。由于液化石油气的热值和仪表误差的因素都不会不停变动，所以在反馈控制中稍有滞后也没有关系。经过这一修正，热值的控制就更为准确，通常误差都不超过１％。
５ 新型混合器的优点

　　传统的混合器采用后馈式控制，只会当误差出现及被发现后才会设法去加以纠正，由于从出现到发现而至纠正之间都有一段时间滞后，这滞后会导致热值不准确及发生波动。ＡＦＣ混合器利用前馈控制，免除了这些波动；ＡＦＣ混合器也同时采用后馈控制，一次性补偿了液化石油气热值变化和所有仪表误差所带来的影响，所以ＡＦＣ混合器既反应迅速，又能长期保持极高的精度。
　　 （１） 全部硬件采用成熟产品，性能和可靠性都已经过长期考验和获得证实。
　　 （２） 由于采用标准产品，交货期较快，互换性强，使储存零部件变得简单。
　　 （３） 结构简单，出现机械故障的机会大大减少。
　　 （４） 由于采用前馈式控制，反应快速，由起动至稳定只需约10秒（传统的至少要数分钟）。
　　 （５） 由于在启动后能自动快速稳定下来，可按混气的流量及出口压力自动控制混气出口气动阀的开关，不会出现低流量时混气不准确和热值波动的现象。
　　 （６） 由于同时采用反馈式控制，补偿了所有计量仪表的误差和液化石油气本身热值的变化，热值的精度也维持在上下１％以内。
　　 （７） 液化石油气通过流量计后直接进入混合室，不需经过细小的孔口，避免了杂质积聚而阻碍活塞的活动，影响热值和流量的控制，经常拆开清洗。只有洁净的空气通过流量控制阀，不会受杂质的影响。
　　 （８） 不需另付额外费用即可获得液化石油气和混气流量的数据。
　　 （９） 由于液化石油气在ＡＦＣ混合器内不需经过减压和通过细小的孔口，同样的混气压力所要求的液化石油气进口压力可大大降低。使用较低液化石油气进口压力的好处有多方面；１ 较少运行甚至无须使用液化石油气稳压泵；２ 液化石油气在较低压力和温度下气化，气化器的气化能力较大，即可选用较小的气化器；３ 气化器可选用较低水温，避免液化石油气内的不饱和烃聚合，粘住或堵塞下游设备。
　　 （10）每台ＡＦＣ带有本身的ＰＬＣ控制系统，配触膜式显示屏，用图形或中文显示及记录很多有用的运行资料和信息。这些资料也可送到中央控制柜上进行监控，和显示在功能更强的人机界面系统上。
　　 （11）可以将任意两种气体以任意比例和压力混合，适合利用一种气体来稳定和增加或降低另一种气体的热值。
６ 新型混合器的安全保护措施

　　ＡＦＣ混合器采用故障安全保护设计，万一出现故障，就马上自动关闭液化石油气进口及混气出口的气动阀和空气流量控制阀，防止不合格的混气进入管网，或在设备内产生危险的混合气。
　　 ＡＦＣ混合器的安全保护系统随时监察着系统的运行情况，只要下述任何不正常情况出现，就马上发挥保护功能：
　　 （１） 任何一个流量计或流量控制阀发生机械故障或不能正常发出信号。
　　 （２） 任何原因导致前馈与后馈信号出现异常的差异（例如由于流量计或热值仪有故障或精度突然变差）。
　　 （３） 混气的热值偏离设定值。
　　 （４） 控制系统的ＰＬＣ或输入／输出模块损坏。
　　 当故障出现时，控制箱的屏幕上实时出现一段中文信息指出可能故障所在及建议的排除方法。一旦故障排除，例如更换了有问题的零部件，系统可立即重新启动，使影响降至最低。
７ 结 论

　　新型混合器消除了传统混合器的主要缺点，并增加了不少优点，无论反应速度还是混合的精度都远远优于传统的混合器。它虽说是一种新产品，但所采用的控制原理，早已在合肥市和唐山市的煤气增热系统中经过验证，经过两年多的运行，证明系统稳定可靠。