城市燃氣氣源配置與多氣源互換性2011-1-17王啟高文學(xué)摘要：本研究旨在通過對城市在用燃具的實驗測試，提出城市燃氣氣源配置與多氣源互換性的研究方法和思路。根據(jù)典型系列燃具對燃氣氣質(zhì)的適應(yīng)性，形成量化的燃具適應(yīng)域和共同適應(yīng)域，以確定城市燃氣的互換域；推演提出了多氣源條件下城市燃氣互換性的研究方法。探索通過實驗測試的方法測定城市燃氣互換域的技術(shù)路線，以對相關(guān)部門和燃氣企業(yè)進行城市燃氣氣源調(diào)度、調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析等提供方法和技術(shù)支持。概述城市供應(yīng)的主要氣源是城市基準氣。實際供給的燃氣的成分不可能一成不變，當城市燃氣負荷達到高峰時，需要補充一些與基準氣的性質(zhì)不同的燃氣。這種代替基準氣的燃氣被稱為置換氣。當置換氣代替基準氣時，如果城市內(nèi)的各種燃具不加任何調(diào)整而能保證正常工作，則表示置換氣對基準氣而言有互換性。所謂正常工作條件基本內(nèi)容與上述相同，當置換氣是暫時性的，可適當降低正常工作的要求，稱為非正常工作界限。一個城市有多種用途不同的燃具。每種燃具都有自己的氣質(zhì)適應(yīng)域。將這些適應(yīng)域，集中在一起，形成的燃具共同適應(yīng)域區(qū)間即可視為城市燃氣的最大互換域。城市供應(yīng)的燃氣組分必須在這些燃具適應(yīng)域的范圍內(nèi)?？梢娙細饣Q域是受燃具適應(yīng)域制約的?；Q性和適應(yīng)性的目的都是保證燃具正常工作，是一個事物的兩個方面?；Q性是對城市燃氣而言的；適應(yīng)性是對燃具而言的。一個城鎮(zhèn)使用的燃具不止一種，應(yīng)該規(guī)定幾種有代表性的燃具，根據(jù)這些燃具的適應(yīng)域，確定燃氣互換域。由于居民燃氣用戶占據(jù)城市燃氣用戶的最大數(shù)量，受燃氣技術(shù)的專業(yè)性限制，基本上不會對燃具進行工況調(diào)整，一般只是被動的利用管道燃氣。當輸送的燃氣氣質(zhì)發(fā)生變化時，對居民用戶會產(chǎn)生不同的影響，部分燃具不能燃燒，甚至發(fā)生事故。故傳統(tǒng)確定互換域的做法，是只考慮大氣式燃燒的燃具。因為城市中絕大部分燃具屬于大氣式燃具。工業(yè)等其他類型燃具不予考慮，因為工廠企業(yè)有技術(shù)力量，可以采取措施解決互換性；對于氣質(zhì)要求特別嚴格的部分燃氣用戶，燃氣企業(yè)或工廠會采取氣質(zhì)穩(wěn)定調(diào)質(zhì)等技術(shù)，來保證終端設(shè)備的正常運行。本研究旨在通過對城市燃具的優(yōu)化取樣，選取典型系列燃具進行實驗測試，形成量化的燃具適應(yīng)域，根據(jù)不同燃具的共同適應(yīng)域，實驗確定城市燃氣的互換域；并提出多氣源條件下城市燃氣互換域的確定思路和方法，探索通過科學(xué)的實驗方法測定城市燃氣互換域的技術(shù)路線，為相關(guān)部門和燃氣企業(yè)進行城市燃氣氣源調(diào)度、調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析提供技術(shù)支持。燃具氣質(zhì)適應(yīng)性開發(fā)設(shè)計燃具時，首先要決定使用某類燃氣。根據(jù)某類燃氣的基準氣 [1]設(shè)計、生產(chǎn)后按照基準氣及界限試驗氣的要求 （包括壓力）調(diào)整檢驗出廠。當燃氣性質(zhì)（成分）發(fā)生變化時，其工作狀態(tài)必然改變。如果燃氣成分變化在某一界限范圍內(nèi)，它仍能保持正常工作。這就是燃具對燃氣成分變化的適應(yīng)能力，稱為燃具的適應(yīng)性。每個燃具都有一定的適應(yīng)能力。量化這個適應(yīng)能力，可以用燃具適應(yīng)燃氣成分變化的范圍來表示。適應(yīng)燃氣成分變化的范圍區(qū)間稱為燃具適應(yīng)域。適應(yīng)域的范圍越寬，表示燃具的適應(yīng)燃氣氣質(zhì)變化的能力越強 [2]。城鎮(zhèn)中占絕對多數(shù)的民用燃具是大氣式燃氣用具。 衡量大氣式燃氣用具正常工作的重要的指標是：不發(fā)生離焰、回火、黃焰、煙氣中 CO不超標等。燃氣具的燃燒特性區(qū)間見圖1[2、3]。圖1燃具適應(yīng)域示意圖1-C0超標曲線；2-回火曲線；3-脫火曲線通過燃具氣質(zhì)適應(yīng)域的實驗測定， 可以掌握和確定我國典型燃具對燃氣氣質(zhì)的適應(yīng)能力和范圍區(qū)間；可以為燃具生產(chǎn)、設(shè)計提供基本的、最關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)；可以形成城市內(nèi)最廣泛應(yīng)用燃具的氣質(zhì)適應(yīng)域及燃具的共同適應(yīng)域；可以形成確定、量化的城市燃氣的互換域，得到燃氣正常工作的組分參數(shù)變化范圍和極限區(qū)間。2.1配氣試驗氣的整體區(qū)間分布根據(jù)常用的配氣原料氣組分，進行以華白數(shù)、燃燒勢為主要控制指數(shù) [2，4,5]的配氣設(shè)計，可以建立配氣試驗氣的整體分布區(qū)間。以 CH4、H2、N2三組分，C3H8、H2、N2三組分，n-QHw、出、N2三組分，i-CqHio、出、N?三組分等為配氣原料氣，根據(jù)華白數(shù)和燃燒勢兩個指數(shù)建立坐標系，形成的 CHpC3H8、n-C4Hio、i-C4Hio等三組分共同配氣域見圖2。圈2CH, n-C,Hl0.YH*N嚴H：等原料氣的總成共同BP氣謹由圖2可以看出：以CHp出、N2三組分，GH8、出、N2三組分，n-CqHio、出、N2三組分，i-C4Hio、H2、N2三組分等形成的各配氣區(qū)間和共同配氣域，其邊界線并不都是直線形式。各原料氣形成的配氣邊界線中，任兩組可燃氣體形成的配氣邊界線為指數(shù)曲線形式；而N2與H2、N2與另一可燃氣體形成的配氣邊界線為直線形式。2.2燃氣具適應(yīng)性區(qū)間實驗測試實驗?zāi)康模和ㄟ^實驗驗證和測試燃氣具的燃燒工況， 確定影響燃具燃燒穩(wěn)定性和氣質(zhì)適應(yīng)性的主要燃燒特性指標；并根據(jù)不同燃氣具燃燒器，進行典型燃氣具適應(yīng)域的測定。實驗研究思路：通過基于互換性原理的燃氣多氣源或全組分動態(tài)、 高精度配氣裝置的研究；建立自動型燃氣具燃燒特性測試實驗系統(tǒng)；依托實驗系統(tǒng)進行燃氣具氣質(zhì)適應(yīng)性區(qū)間的測試；對測試的離散數(shù)據(jù)進行處理，并繪制燃燒特性曲線 (脫火、回火、CO超標等)。實驗內(nèi)容包括如下四個方面：(1)選擇不同功率的常規(guī)燃氣灶具， 進行燃氣具燃燒特性實驗測試；(2)測定燃氣具的脫火、回火及 C0超標曲線的參數(shù)范圍；(3)基于實驗結(jié)果，對燃氣燃燒特性參數(shù)的適用性進行討論； (4)確定適用于評價燃氣具燃燒性能的關(guān)鍵燃燒特性參數(shù)。2.2.1實驗燃氣具樣品及配氣原料氣選擇實驗燃氣具樣品根據(jù)城市內(nèi)所有的燃具的品牌特點和使用年限， 選取典型的在用燃具，進行實驗測試，燃具試驗樣本的選取應(yīng)具有品牌覆蓋性和代表性， 數(shù)量和型號因城市而異。如本批次實驗為某城市的選取的五種系列燃具樣品，分別編號為灶具 1系、灶具2系、??…、灶具5系。代表城市內(nèi)最常用的五種系列的燃具。實驗配氣原料氣配氣原料氣分別選擇甲烷、氫氣、氨氣和異丁烷等四種，純度分別為 99.1%、99.9%、99.9%、99.2%?；鶞蕷鉃?2T純甲烷氣。依托組建的燃具燃燒特性測試實驗系統(tǒng)，進行實驗測試。

222實驗結(jié)果按照不同的配氣原料氣組合，控制流入的混合氣量，當燃氣具分別出現(xiàn)脫火、回火及CO超標現(xiàn)象時，實驗系統(tǒng)的自動化軟件程序?qū)Ω髀分夤艿脑蠚饬髁繑?shù)據(jù)進行采集和存儲，對煙氣組分和含量進行數(shù)據(jù)采集和記錄。根據(jù)實時記錄的各支路原料氣的流量，計算混配的燃氣中各組分的體積比例；并計算出混合燃氣的燃燒特性參數(shù)。計算的燃氣燃燒特性參數(shù)如：燃氣高熱值 H2、相對密度d、華自數(shù)Ws、燃燒勢CP等。結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計及有限實驗數(shù)據(jù)處理方法， 對實驗測試結(jié)果進行處理和分析。⑴燃具1系對燃具1系，分別在脫火、回火及CO超標燃燒工況出現(xiàn)時，對實驗系統(tǒng)的各路原料氣的數(shù)據(jù)進行采集和計算，得到配氣試驗氣中各相應(yīng)組分的體積含量。根據(jù)試驗測定的燃具1系在脫火、回火及CO超標時所對應(yīng)的原料氣組分，計

算各界限工況點對應(yīng)的燃燒特性參數(shù)，包括燃氣高熱值 H2、相對密度d、華白數(shù)Ws、燃燒勢CP等，建立直角坐標系。繪制華白數(shù) Ws-燃燒勢CP曲線，見圖3;華白數(shù)Ws-燃燒勢CP在i-C4Hio-N2-H2區(qū)間內(nèi)的曲線，見圖4。?ma-if—11卜'■%?割3燃具1聚腐應(yīng)界陰氣前燃燒特件蓮馥華苗數(shù)W廠燃燒勢CP曲線圖4燃具1菜的極限工說時對應(yīng)界眼氣在i_C全域館叵內(nèi)華自數(shù)W廠樓頰勢CP的曲握(2)其余燃具樣品適應(yīng)域的實驗測試同理可以測得燃具2系、3系、??…、5系等不同燃具的氣質(zhì)適應(yīng)域。各系列燃具在極限燃燒工況下對應(yīng)華白數(shù) Ws-燃燒勢CP在i-QHio-N2-H2區(qū)間內(nèi)的曲線分別見圖5?8

1Bri1Bri1■■■■”Jj|IdIMII—岬t(i聲印?機"f人■口?}jJ316燃具3采的極限工況時對E全域區(qū)間內(nèi)華白數(shù)Ws-ffi燒孝圖￡燃具2系的極険工況時對應(yīng)界幅氣在憐-N廠316燃具3采的極限工況時對E全域區(qū)間內(nèi)華白數(shù)Ws-ffi燒孝223燃具適應(yīng)域測試實驗結(jié)果分析與討論燃氣具燃燒適應(yīng)性曲線及燃氣具允許華白數(shù)波動區(qū)間根據(jù)實驗測得的各系列燃具在界限工況時對應(yīng)界限試驗氣的組分數(shù)據(jù)， 計算得到對應(yīng)燃氣的燃燒特性參數(shù)， 及圖3?8所示的各特性曲線，進行回歸分析與曲線擬合，其擬合曲線見表6。同時，由圖3?8所示知，5種類型的實驗燃氣具，其基準氣的坐標點為 CH4所在的位點，與脫火、回火、CO超標曲線相比，最近的極限狀態(tài)點皆為CO超標曲線點。計算各燃氣具的允許最大華白數(shù)變化范圍見表 1。5種靠列燃氣具各界限線的他合曲線，及適囪畢白Sc的最大變北率祖合曲線炭具能夠逼應(yīng)煥笛華白數(shù)的■大芟北率，%=-M■1II,-共同邊界瞰i^C4HlO-H2r=97.5t^fld41'432.27^'^"y=2,Q94.v-燃具1r■C,OOJ$^J40^011￡4寫g.孕9WH凰火曲線y--000IKxs+0.T5 -29689ICO越標曲線y= +O.1IQS.V+50.512I9.S%KA2程火曲鉄y■"0.J237X+45.6219回火曲踐」y=-0.0069xl+2.0473J-102^272co鶴標曲寒y--O.OOD^'-O.OIOHjf5+O.55aSjr+47.B41111.2%y=-0673U+51.4152—同火曲址y=0.1902x-1L70H6—— °匚0超標刪紓v=0.000]j^0,0lSix'+O.7S75x443.7402104%罐具4y--03694t+39.79S6回火曲如ny-O.OOHj2+0,0542x+10.7211co轟槨曲壊y±^00029J1>0J504jt 罠79211.9%醴具5脫父曲竣^=-0.4?l^+5lJ580回火曲線-0.0023J14<)r9134j-431938Co卻棟魅紙y社-0.0047xJ+03332jt+51.72^7B.6%由表1可以得出：上述5種系列實驗氣具，燃具2系適應(yīng)燃氣氣質(zhì)變化的能力最強， 其華白數(shù)最大允許變化率為11.2%。燃具4系適應(yīng)燃氣氣質(zhì)變化的能力最弱，其華白數(shù)最大允許變化率僅為19%;當燃氣氣質(zhì)發(fā)生微小變化就可能使燃氣具 CO超標。燃氣燃燒特性參數(shù)的適用性根據(jù)對其他燃燒特性參數(shù)的計算，如：燃氣高熱值 Hs、相對密度d、火焰最大燃燒速度Snmax、華白數(shù)Ws、燃燒勢CP、黃焰指數(shù)Ij等；研究發(fā)現(xiàn)：以燃氣華白數(shù)Ws及燃氣火焰燃燒速度Smax分別為縱坐標和橫坐標建立的二維區(qū)間圖形時，兩燃燒特性參數(shù)建立的圖形，可以形成近似平滑的曲線，圍成近似封閉的區(qū)域，但不如華白數(shù)Ws、燃燒勢CP參數(shù)表達的效果明顯。 而燃氣高熱值且及燃燒勢CP這兩種燃燒特性參數(shù)組合，其曲線的走向和形式無規(guī)律性，不能表達燃氣具的燃燒特性。如前述圖3?8所示，以燃氣華白數(shù)顫、燃氣燃燒勢CP兩個參數(shù)，建立的坐標圖形，可以得到比較平滑的脫火、回火及 CO超標等極限燃燒特性曲線，并可形成比較穩(wěn)定的燃氣具適應(yīng)性封閉區(qū)域。燃具的氣質(zhì)適應(yīng)性上述5種系列實驗燃具，其基準氣均位于其脫火曲線、回火曲線、 CO超標曲線、i-C4H10-H2邊界線、i-C4H1o-N2邊界線所圍成的區(qū)域內(nèi)，燃氣具適應(yīng)基準氣的燃燒要求?；谏鲜?系天然氣燃氣具，進行的燃具適應(yīng)性實驗測試，得到的極限燃燒特性參數(shù)變化區(qū)間，可以看出：在以 i-C4H1。、H2、N2三組分配氣區(qū)間圖為邊界線的配氣域中，其共同適應(yīng)域，如圖 9所示。我國典型燃氣組分在不同燃具的共同燃燒適應(yīng)域中的分布見圖10，圖中標出了超出燃燒特性曲線的幾種天然氣。圖g不同茶列燃具茁共屁燃燦諸應(yīng)城區(qū)間珂10我國理里哪氣均甘社不氏系刑邀■ I煤1S注城內(nèi)的分布■圈、2不立燃氣嵋分圈毘華白數(shù)變化后,圈門不同燃氣齟廿引起華白敕魚就辰I氣驕改變對普燼具乘列烯燈工況的誓臨列齊燃貝聚列熾煩工況的花哺敢丸圖燃氣氣源互換性與互換域燃氣互換域和燃具適應(yīng)域的目的相同，都是為了使燃具工況穩(wěn)定，正常工作。彼此之間有密切的不可分割的關(guān)系：（1）燃氣互換域是根據(jù)燃具適應(yīng)域決定的，互換域中的燃氣應(yīng)可以滿足供氣范圍中各種燃具要求。任何一種燃具的適應(yīng)域必須覆蓋城市燃氣互換域，否則燃具就不能進入該燃氣互換域的市場。 （2）燃氣供應(yīng)單位應(yīng)掌握本地區(qū)的燃氣互換域。拒絕使用不符合互換性要求的燃具。應(yīng)該用互換域的邊界檢驗燃具，合格后才允許進入市場。（3）在設(shè)計與調(diào)試燃具時，生產(chǎn)廠家有很多技術(shù)措施拓寬燃具的適應(yīng)域。適應(yīng)域?qū)挼娜季卟粌H可以擴大銷路， 還有利于城市供氣的調(diào)節(jié)。（4）假設(shè)一個小城鎮(zhèn)（或某區(qū)）使用單一的燃氣源和單一類型的燃具， 這樣就有可能使燃氣互換性和燃具適應(yīng)性變成一個問題。15）生產(chǎn)燃具的性能標準化（適應(yīng)域標準化），有利于確定燃氣互換域，兩者配合好，將使整個燃氣系統(tǒng)獲得很大的解溶效益與社會效益。一個城市一旦確定主氣源后，燃具的適應(yīng)性應(yīng)該符合主氣源的要求。 另一方面，一個城市一旦選定了燃具后，供應(yīng)的燃氣對于現(xiàn)有的典型燃具應(yīng)具有互換性。生產(chǎn)廠家在設(shè)計與調(diào)試的基礎(chǔ)上可以拓寬燃具的適應(yīng)域，從而加寬燃氣互換性的范圍。多氣源互換性方法當城市具有多種燃氣氣源可以選擇時， 通常應(yīng)選擇其主要的燃氣組分和燃燒特性參數(shù)與城市基準氣源最接近的一組和幾組。需要考慮的因素主要包括：燃氣中甲烷組分含量、惰性氣體組分含量、重?zé)N組分含量、燃氣華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)、密度（相對密度）、熱值、燃氣燃燒速度等。由于城市內(nèi)具有多種燃氣利用終端，如居民用戶、工業(yè)用戶、公服用戶、燃氣汽車、燃氣電廠、LNG制備、化工用戶等，不同利用終端對燃氣氣質(zhì)的要求并不一致，為此需要合理選取不同城市多氣源互換性研究的方法。根據(jù)氣質(zhì)要求最苛刻的燃氣用戶，確定燃氣互換性和互換域時，將使城市內(nèi)的燃氣組分變化最小，其運營成本將升高或最高。而根據(jù)數(shù)量和影響面最廣的居民用戶對燃具適應(yīng)性的要求，確定燃氣互換域時，將使城市燃氣運行成本降低或最低。這需要因地制宜、科學(xué)選取和分析。對燃氣多氣源互換性的方法進行研究，合理的選擇城市燃具實驗樣本，進行試驗測試，得到城市燃氣的互換域。決策分析城市相關(guān)部門和燃氣運營企業(yè)需要對燃氣氣源調(diào)度、 調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性進行最終認可，形成共識，以保障城市能源供應(yīng)安全?；诔鞘械湫拖盗腥季邩颖镜脑囼灉y試，得出城市燃氣的互換域，就為城市燃氣氣源的優(yōu)化調(diào)度和調(diào)峰設(shè)置奠定了科學(xué)決策、合理配置資源的基礎(chǔ)和條件。由于燃具類型的差別形成了城市燃具共同適應(yīng)域內(nèi)基準氣點位和極限燃燒工況曲線位置的偏離程度，可以對城市燃氣備用氣源和置換氣源的選取進行成本-風(fēng)險分析，根據(jù)由于燃氣氣質(zhì)變化引起用戶燃燒異常造成的風(fēng)險，及為規(guī)避此種風(fēng)險而采取的工藝和技術(shù)上的改進的經(jīng)濟成本，進行綜合成本核算，從而形成成本-風(fēng)險決策分析。設(shè)定某城市使用某一基準氣， 由于調(diào)峰和配置需要，需要對幾種燃氣進行能否互換的分析。置換氣的燃氣組分發(fā)生改變后，其華白數(shù)分別變化 5%Wo、8%Wo、10%Wo、15%Wo，20%Wo（Wo為基準氣的華白數(shù)）。以上面提及的五種系列的燃具實驗進行分析。TOC\o"1-5"\h\z（1）調(diào)研得知，各燃具系列的品牌覆蓋率見表 2。表2某城市燃具的品牌覆蓋率燃具名稱燃具1系燃具2系燃具3系燃具4系燃具5系品牌覆蓋率，%252015535⑵燃氣組分發(fā)生改變后，其華白數(shù)分別變化 5%Wo、8%Wo、io%Wo、15%TOC\o"1-5"\h\zWo，20%Wo（Wo為基準氣的華白數(shù)）時，其對應(yīng)燃具工況不正常的比率見表 3。置換燃氣后燃氣組分發(fā)生改變，其華白數(shù)變化對各燃具系列的影響見圖 11、12。表3燃具在不同的燃氣組分時，燃燒工況不正常的比率 （風(fēng)險值）燃氣華白數(shù)變化值5%Wo8%Wo10%Wo15%W020%W0備注燃具類別1系VVXXX2系VVVXX3系VVVXX4系XXXXX5系VVXXX燃具工作不正常的概率O.050.050.651.01.O注：“、表示燃具工作正常，“＞表示燃具工作不正常，而發(fā)生脫火、回火或CO超標等現(xiàn)象。燃氣企業(yè)針對不同燃氣組分和特性的燃氣氣源，分別在管網(wǎng)配送系統(tǒng)和燃具利用終端前進行調(diào)質(zhì)、摻混、改裝等措施的技術(shù)和工藝的綜合運營成本分別見表4。表4在不同燃氣組分時，燃氣企業(yè)的綜合運營成本不同燃氣對應(yīng)組分5%W08%W010%W015%W020%W0基本運營成本，萬元5a3a2.5aa1.2a注：設(shè)“為基本成本。成本-風(fēng)險分析燃氣企業(yè)宜根據(jù)不同燃氣氣源，對所能承受的燃具工作不正常的風(fēng)險值和綜合運營成本進行客觀、全面分析，在能夠承受的風(fēng)險范圍內(nèi)，選擇合適的燃氣組分允許變化率，形成本城市地域內(nèi)的、科學(xué)的燃氣互換性組分數(shù)據(jù)庫；以合理的進行城市燃氣氣源配置和多氣源互換性的選擇。研究結(jié)論綜合以上分析，可以得出如下結(jié)論：城市燃氣氣源互換性和燃具的氣質(zhì)適應(yīng)性是有機統(tǒng)一的整體，是一個問題的兩個方面?？梢?/p>