城市燃氣氣源配置與多氣源互換性

摘 要

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。根據典型系列燃具對燃氣氣質的適應性，形成量化的燃具適應域和共同適應域
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。根據典型系列燃具對燃氣氣質的適應性，形成量化的燃具適應域和共同適應域，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路線，以對相關部門和燃氣企業進行城市燃氣氣源調度、調峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析等提供方法和技術支持。
　1. 概述
　城市供應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，如果城市內的各種燃具不加任何調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適應域。將這些適應域，集中在一起，形成的燃具共同適應域區間即可視為城市燃氣的最大互換域。城市供應的燃氣組分必須在這些燃具適應域的范圍內?？梢娙細饣Q域是受燃具適應域制約的?；Q性和適應性的目的都是保證燃具正常工作，是一個事物的兩個方面。互換性是對城市燃氣而言的；適應性是對燃具而言的。一個城鎮使用的燃具不止一種，應該規定幾種有代表性的燃具，根據這些燃具的適應域，確定燃氣互換域。
　由于居民燃氣用戶占據城市燃氣用戶的最大數量，受燃氣技術的專業性限制，基本上不會對燃具進行工況調整，一般只是被動的利用管道燃氣。當輸送的燃氣氣質發生變化時，對居民用戶會產生不同的影響，部分燃具不能燃燒，甚至發生事故。故傳統確定互換域的做法，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。工業等其他類型燃具不予考慮，因為工廠企業有技術力量，可以采取措施解決互換性；對于氣質要求特別嚴格的部分燃氣用戶，燃氣企業或工廠會采取氣質穩定調質等技術，來保證終端設備的正常運行。
　本研究旨在通過對城市燃具的優化取樣，選取典型系列燃具進行實驗測試，形成量化的燃具適應域，根據不同燃具的共同適應域，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，探索通過科學的實驗方法測定城市燃氣互換域的技術路線，為相關部門和燃氣企業進行城市燃氣氣源調度、調峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析提供技術支持。
　2. 燃具氣質適應性
　開發設計燃具時，首先要決定使用某類燃氣。根據某類燃氣的基準氣[1]設計、生產后按照基準氣及界限試驗氣的要求(包括壓力)調整檢驗出廠。當燃氣性質(成分)發生變化時，其工作狀態必然改變。如果燃氣成分變化在某一界限范圍內，它仍能保持正常工作。這就是燃具對燃氣成分變化的適應能力，稱為燃具的適應性。每個燃具都有一定的適應能力。量化這個適應能力，可以用燃具適應燃氣成分變化的范圍來表示。適應燃氣成分變化的范圍區間稱為燃具適應域。適應域的范圍越寬，表示燃具的適應燃氣氣質變化的能力越強[2]。
　城鎮中占絕對多數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：不發生離焰、回火、黃焰、煙氣中CO不超標等。燃氣具的燃燒特性區間見圖1[2、3]。
 
　通過燃具氣質適應域的實驗測定，可以掌握和確定我國典型燃具對燃氣氣質的適應能力和范圍區間；可以為燃具生產、設計提供基本的、最關鍵的技術數據；可以形成城市內最廣泛應用燃具的氣質適應域及燃具的共同適應域；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變化范圍和極限區間。
　2.1 配氣試驗氣的整體區間分布
　根據常用的配氣原料氣組分，進行以華白數、燃燒勢為主要控制指數[2，4，5]的配氣設計，可以建立配氣試驗氣的整體分布區間。以CH4、H2、N2三組分，C3H8、H2、N2三組分，n-C4H10、H2、N2三組分，i-C4H10、H2、N2三組分等為配氣原料氣，根據華白數和燃燒勢兩個指數建立坐標系，形成的CH4、C3H8、n-C4H10、i-C4H10等三組分共同配氣域見圖2。
 
　由圖2可以看出：以CH4、H2、N2三組分，C3H8、H2、N2三組分，n-C4H10、H2、N2三組分，i-C4H10、H2、N2三組分等形成的各配氣區間和共同配氣域，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 燃氣具適應性區間實驗測試
　實驗目的：通過實驗驗證和測試燃氣具的燃燒工況，確定影響燃具燃燒穩定性和氣質適應性的主要燃燒特性指標；并根據不同燃氣具燃燒器，進行典型燃氣具適應域的測定。
　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、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；依托實驗系統進行燃氣具氣質適應性區間的測試；對測試的離散數據進行處理，并繪制燃燒特性曲線(脫火、回火、CO超標等)。
　實驗內容包括如下四個方面：(1)選擇不同功率的常規燃氣灶具，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超標曲線的參數范圍；(3)基于實驗結果，對燃氣燃燒特性參數的適用性進行討論；(4)確定適用于評價燃氣具燃燒性能的關鍵燃燒特性參數。
　2.2.1 實驗燃氣具樣品及配氣原料氣選擇
　(1) 實驗燃氣具樣品
　根據城市內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具有品牌覆蓋性和代表性，數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。代表城市內最常用的五種系列的燃具。
　(2) 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，進行實驗測試。
　2.2.2 實驗結果
　按照不同的配氣原料氣組合，控制流入的混合氣量，當燃氣具分別出現脫火、回火及C0超標現象時，實驗系統的自動化軟件程序對各路支氣管的原料氣流量數據進行采集和存儲，對煙氣組分和含量進行數據采集和記錄。根據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。計算的燃氣燃燒特性參數如：燃氣高熱值H2、相對密度d、華自數Ws、燃燒勢CP等。結合數理統計及有限實驗數據處理方法，對實驗測試結果進行處理和分析。
　(1) 燃具1系
　對燃具1系，分別在脫火、回火及CO超標燃燒工況出現時，對實驗系統的各路原料氣的數據進行采集和計算，得到配氣試驗氣中各相應組分的體積含量。
　根據試驗測定的燃具1系在脫火、回火及CO超標時所對應的原料氣組分，計算各界限工況點對應的燃燒特性參數，包括燃氣高熱值H2、相對密度d、華白數Ws、燃燒勢CP等，建立直角坐標系。繪制華白數Ws-燃燒勢CP曲線，見圖3；華白數Ws-燃燒勢CP在i-C4H10-N2-H2區間內的曲線，見圖4。
 
 (2) 其余燃具樣品適應域的實驗測試
同理可以測得燃具2系、3系、……、5系等不同燃具的氣質適應域。各系列燃具在極限燃燒工況下對應華白數Ws-燃燒勢CP在i-C4H10-N2-H2區間內的曲線分別見圖5～8
 
　2.2.3 燃具適應域測試實驗結果分析與討論
　(1) 燃氣具燃燒適應性曲線及燃氣具允許華白數波動區間
　根據實驗測得的各系列燃具在界限工況時對應界限試驗氣的組分數據，計算得到對應燃氣的燃燒特性參數，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，最近的極限狀態點皆為CO超標曲線點。計算各燃氣具的允許最大華白數變化范圍見表1。
 
　由表1可以得出：
　上述5種系列實驗氣具，燃具2系適應燃氣氣質變化的能力最強，其華白數最大允許變化率為11.2%。燃具4系適應燃氣氣質變化的能力最弱，其華白數最大允許變化率僅為1 9%；當燃氣氣質發生微小變化就可能使燃氣具CO超標。
　(2) 燃氣燃燒特性參數的適用性
　根據對其他燃燒特性參數的計算，如：燃氣高熱值Hs、相對密度d、火焰最大燃燒速度Snmax、華白數Ws、燃燒勢CP、黃焰指數Ij等；研究發現：以燃氣華白數Ws及燃氣火焰燃燒速度Snmax分別為縱坐標和橫坐標建立的二維區間圖形時，兩燃燒特性參數建立的圖形，可以形成近似平滑的曲線，圍成近似封閉的區域，但不如華白數Ws、燃燒勢CP參數表達的效果明顯。而燃氣高熱值且及燃燒勢CP這兩種燃燒特性參數組合，其曲線的走向和形式無規律性，不能表達燃氣具的燃燒特性。
　如前述圖3～8所示，以燃氣華白數顫、燃氣燃燒勢CP兩個參數，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，并可形成比較穩定的燃氣具適應性封閉區域。
　(3) 燃具的氣質適應性
　1) 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-C4H10-N2邊界線所圍成的區域內，燃氣具適應基準氣的燃燒要求。
　2) 基于上述5系天然氣燃氣具，進行的燃具適應性實驗測試，得到的極限燃燒特性參數變化區間，可以看出：在以i-C4H10、H2、N2三組分配氣區間圖為邊界線的配氣域中，其共同適應域，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。
 
3. 燃氣氣源互換性與互換域
　燃氣互換域和燃具適應域的目的相同，都是為了使燃具工況穩定，正常工作。彼此之間有密切的不可分割的關系：
　(1) 燃氣互換域是根據燃具適應域決定的，互換域中的燃氣應可以滿足供氣范圍中各種燃具要求。任何一種燃具的適應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)燃氣供應單位應掌握本地區的燃氣互換域。拒絕使用不符合互換性要求的燃具。應該用互換域的邊界檢驗燃具，合格后才允許進入市場。(3)在設計與調試燃具時，生產廠家有很多技術措施拓寬燃具的適應域。適應域寬的燃具不僅可以擴大銷路，還有利于城市供氣的調節。(4)假設一個小城鎮(或某區)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性變成一個問題。15)生產燃具的性能標準化(適應域標準化)，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，燃具的適應性應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，供應的燃氣對于現有的典型燃具應具有互換性。生產廠家在設計與調試的基礎上可以拓寬燃具的適應域，從而加寬燃氣互換性的范圍。
　4. 多氣源互換性方法
　當城市具有多種燃氣氣源可以選擇時，通常應選擇其主要的燃氣組分和燃燒特性參數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、重烴組分含量、燃氣華白數、燃燒勢、黃焰指數、密度(相對密度)、熱值、燃氣燃燒速度等。
　由于城市內具有多種燃氣利用終端，如居民用戶、工業用戶、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。根據氣質要求最苛刻的燃氣用戶，確定燃氣互換性和互換域時，將使城市內的燃氣組分變化最小，其運營成本將升高或最高。而根據數量和影響面最廣的居民用戶對燃具適應性的要求，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。
　5. 決策分析
　城市相關部門和燃氣運營企業需要對燃氣氣源調度、調峰氣源配置、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安全。基于城市典型系列燃具樣本的試驗測試，得出城市燃氣的互換域，就為城市燃氣氣源的優化調度和調峰設置奠定了科學決策、合理配置資源的基礎和條件。由于燃具類型的差別形成了城市燃具共同適應域內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-風險分析，根據由于燃氣氣質變化引起用戶燃燒異常造成的風險，及為規避此種風險而采取的工藝和技術上的改進的經濟成本，進行綜合成本核算，從而形成成本-風險決策分析。
　設定某城市使用某一基準氣，由于調峰和配置需要，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生改變后，其華白數分別變化5% W0、8%W0、10% W0、15% W0，20% W0 (W0為基準氣的華白數)。以上面提及的五種系列的燃具實驗進行分析。
　(1) 調研得知，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，%
25
20
15
5
35
　(2) 燃氣組分發生改變后，其華白數分別變化5% W0、8% W0、10% W0、15% W0，20% W0 (W0為基準氣的華白數)時，其對應燃具工況不正常的比率見表3。
　置換燃氣后燃氣組分發生改變，其華白數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(風險值)
燃氣華白數變化值
5%W0
8%W0
10%W0
15%W0
20%W0
備注
燃具類別
1系
√
√
×
×
×
 
2系
√
√
√
×
×
 
3系
√
√
√
×
×
 
4系
×
×
×
×
×
 
5系
√
√
×
×
×
 
燃具工作不正常的概率
O.05
0.05
0.65
1.0
1.O
 
注：“√”表示燃具工作正常，“×”表示燃具工作不正常，而發生脫火、回火或CO超標等現象。
　(3) 燃氣企業針對不同燃氣組分和特性的燃氣氣源，分別在管網配送系統和燃具利用終端前進行調質、摻混、改裝等措施的技術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，燃氣企業的綜合運營成本
不同燃氣對應組分
5%W0
8%W0
10%W0
15%W0
20%W0
基本運營成本，萬元
5a
3a
2.5a
a
1.2a
    注：設“a”為基本成本。
　(4) 成本-風險分析
　燃氣企業宜根據不同燃氣氣源，對所能承受的燃具工作不正常的風險值和綜合運營成本進行客觀、全面分析，在能夠承受的風險范圍內，選擇合適的燃氣組分允許變化率，形成本城市地域內的、科學的燃氣互換性組分數據庫；以合理的進行城市燃氣氣源配置和多氣源互換性的選擇。
　6. 研究結論
　綜合以上分析，可以得出如下結論：
　(1) 城市燃氣氣源互換性和燃具的氣質適應性是有機統一的整體，是一個問題的兩個方面。可以通過測定城市內燃具的適應域，形成城市燃氣的氣源互換域。
　(2) 可以用燃氣的華白數Ws、燃氣燃燒勢CP兩個燃燒特性參數，以脫火、回火、CO超標等極限工況參數值圍成的封閉區域，和基準燃氣在區域內的位置，來定義和評價燃氣具的燃燒性能；以燃氣華白數、燃燒勢為配氣控制參數時，實驗配氣時原料氣形成的整體配氣區間分布為不規則的封閉三邊形；燃氣具的燃燒適應性區間為5條平滑曲線或直線形成的封閉域。
　(3) 應用于實驗批次的燃具的天然氣的組分，其燃燒特性指數必須落在共同適應性區間內，燃具才能正常工作：包括基準燃氣在內的燃氣具的共同適應域構成了適應該批次燃具的城市燃氣互換域。上述實驗方法及技術路線可為燃具的適應性區間判斷、燃具的設計質量水平及城市燃氣互換性提供科學、量化的評價方法和技術手段。
　(4) 應該采取精確的實驗測試方法進行城市燃氣互換性及氣質互換域的研究，提高科學決策的水平和能力；并進行成本-風險分析，合理量化的配置經濟性好、技術性優的資源，保障城市燃氣能源供應安全、可靠、和經濟。
參考文獻
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(本文作者：王啟1 高文學2 1.國家燃氣用具質量監督檢驗中心；2.中國市政工程華北設計研究總院)