燃气应用第六章

第六章燃气互换性第一节燃气互换性和燃具适应性具有多种气源的城市，常常会遇到以下两种情况。一种情况是随着燃气供应规模的发展或有更合适的气源出现，某一地区原来使用的燃气要长时期由性质不同的另一种燃气所代替。另一种情况是在基本气源产生紧急事故，或在高峰负荷时，由于基本气源不足，需要在供气系统中掺入性质与原有燃气不同的其他燃气。当燃气成分发生变化而导致其热值、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧器的热负荷、一次空气系数、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中一氧化碳含量等燃烧工况就会改变。由于民用燃具分散在千家万户，不可能将全部燃烧器逐个更换或重新调整。因此以一种燃气代替另一种燃气，必须考虑互换性问题。当燃气成分变化不大时，燃烧器燃烧工况虽有改变，但尚能满足燃具的原有设计要求，那么这种变化是允许的。第一节燃气互换性和燃具适应性设某一燃具以a燃气为基准进行设计和调整，由于某种原因要以s燃气置换a燃气，如果燃烧器此时不加任何调整而能保证燃具正常工作，则表示s燃气可以置换a燃气，或称s燃气对a燃气而言具有“互换性”。a燃气称为“基准气”，s燃气称为“置换气”。反之，如果燃具不能正常工作，则称s燃气对a燃气而言没有互换性。s燃气能置换a燃气，并不代表a燃气一定能置换s燃气。燃气互换性是对燃气生产单位提出的要求，它限制了燃气性质的任意改变。同时，燃具对于燃气性质变化在不加任何调整的前提下应有一定的适应能力。所谓“通用”燃具，通过更换或调节燃烧器的个别部件，使燃具适应性质相差很大的不同燃气，不能解决本章所涉及的燃气互换性和燃具适应性问题。第二节华白数当以一种燃气置换另一种燃气时，首先应保证燃具热负荷在互换前后不发生大的改变。当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃具热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根成反比式中W——华白数，或称热负荷指数；H——燃气热值(kJ／Nm3)，按照各国习惯，有些取用高热值，有些取用低热值；s——燃气相对密度(设空气的s=1)。如果在燃气互换时有可能改变管网压力工况，则需引入压力因子式中W1——广义的华白数；P——喷嘴前燃气压力(Pa)。sHWsPHW1第二节华白数华白数是代表燃气特性的一个参数。两种不同性质的燃气，只要它们的华白数相等，就能在同一燃具上获得同一热负荷，也称热负荷指数。Q=KW或Q=K1W1一次空气系数α′与√s成正比，与理论空气需要量V0成反比，由于V0与H成正比，因此与H成反比。这样，一次空气系数α′就与华白数W成反比：当两种燃气的燃烧特性差别较大时，单靠华白数不足以判断两种燃气是否可以互换。除了华白数以外，还必须引入火焰特性这样一个较为复杂的因素：所谓火焰特性，可定义为产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性。WK12第三节火焰特性的影响引射式大气燃烧器都具有部分预混火焰（本生火焰）的共同特点，因而具有本质相同的火焰特性。正常的部分预混火焰应该具有稳定的、燃烧完全的火焰结构。在以燃烧器火孔热强度为纵坐标，以一次空气系数为横坐标的坐标系上作出离焰、回火、黄焰和燃烧产物中CO极限含量曲线。这四条曲线总称为燃气燃烧特性曲线。图6—l燃烧特性曲线l—离焰极限；2—回火极限；3—黄焰极限；4—CO极限第三节火焰特性的影响不同的燃气在同一只燃具上通过实验所作出的燃烧特性曲线不同。可以看出这两种燃气对离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的不同倾向性。同一种燃气在不同的燃具上作出的特性曲线也是不同的，但是只要两种燃具的基本型式相同，那么不同燃气在这两种燃具上所作出的特性曲线的相对位置仍能保持不变。表明这两种燃气如果在这种典型燃具上能够互换，那么在其他类似燃具上也能够互换。在燃气温度不变的情况下，某一燃具的运行工况取决于燃气的燃烧特性、火孔热强度和一次空气系数。当燃气性质改变时，燃气燃烧特性和华白数同时改变。燃气燃烧特性的改变引起特性曲线位置的改变，华白数的改变引起燃具运行点的改变。当以一种燃气置换另一种燃气时，应保证置换后燃具的新工作点落在置换后新的特性曲线范围之内。图6-2互换时燃具工作状态的变化图1-3基准气运行点的极限调整位置第三节火焰特性的影响设有基准气a和置换气s两种燃气，Ys在Ya的右方，这表示置换气易产生黄焰。如果在燃具初调整时将基准气的运行点调整在a1，那么置换后置换气的运行点就移动到s1（根据计算）。由于s1超过Ys极限，燃具就要产生黄焰，不能互换。若基准气运行点调整在a2，置换气的运行点就变为s2，在Ls、Ys所包围的范围之内，能够互换。如果在Ls上取s1、s2等一系列的点，那就可以得到a1、a2等一系列相应的点，将这一系列点连接起来，就得到图中所示的虚线L。这条虚线就是为了满足不发生离焰的互换要求。在燃具初调整时基准气运行点的极限调整位置。凡是基准气运行点调整在该曲线以上，置换后就不会发生离焰现象，反之，就要发生离焰现象。只要有若干代表不同类型燃具的特性曲线图，就可以分析互换性问题。第三节火焰特性的影响火焰传播速度是导致各种燃气燃烧特性不同的重要因素。在燃气中增加火焰传播速度较快的成分(例如氢和乙炔)，将增加其回火倾向性。但是必须结合华白数同时考虑。所有的惰性气体都能使火焰变硬，产生与氢和一氧化碳相同的效果。在考虑燃气中某一成分的变化对火焰特性的影响时，必须综合考虑火焰传播速度，华白数等各种因素的影响。图6-4在人造燃气中掺入各种气体时回火倾向性的变化第四节燃气互换性的判定法国燃气公司从1950年开始进行互换性研究，到1965年得到较完善的成果。称为德尔布互换性判定法。不同燃气在同一燃烧器上燃烧时，离焰、回火和CO三条极限曲线主要取决于与内焰高度有关的因素，而黄焰极限曲线则与内焰高度无关。选择校正华白数W’和燃烧势Cp作为从离焰、回火和完全燃烧角度来判定燃气互换性的两个指数，并以W’-Cp坐标系上的互换图来表示燃气允许互换范围以下分别阐述校正华白数和燃烧势的确定原理。1.校正华白数：W’=KlK2W式中：Kl——与(H2一CmHn一2CO2)有关的校正系数K2——与(O2/H)有关的校正系数第四节燃气互换性的判定2.燃烧势一个反映内焰高度的指数，用来判定离焰、回火和CO互换性。假定火孔截面速度场分布是均匀的，则内焰高度为：12nSrh式中h——内焰高度；r——火孔半径；υ——火孔气流平均速;Sn——燃气-空气混合物燃烧速度。由于比l大很多，因此上式可简化为：nSnSrh第四节燃气互换性的判定对于引射式大气燃烧器pgfRV1式中Vg——燃气流量；R——燃气一空气混合物中空气与燃气的体积比fp——火孔截面积。当燃烧器喷嘴前燃气压力不变时sVg1sR综合上述各式得nSkskh211第四节燃气互换性的判定可见，如果某个指数要反映内焰高度，它应该是燃气相对密度s和燃烧速度Sn的函数，而Sn则又应是燃气化学组分的函数。德尔布经过大量试验数据的整理，确定该函数的形式如下：sHdCcCHbCOaHCnmp42式中Cp——燃烧势；H2、CO、CH4、CmHn——燃气中可燃成分(除甲烷外)的体积成分；a、b、c、d——相应的系数；s——燃气相对密度。在a、b、c、d四个系数中，有一个可以任选。德尔布选定a=1，然后在控制燃烧器上进行了一系列试验，以确定其他系数。经过多次修正，最后得出的燃烧势计算公式如下：第四节燃气互换性的判定上述各系数可以由相应的图表查得，我国国家标准采用如下简化公式计算燃烧势：sHCkCHCOHuCnmp423.07.0式中k——各种CmHn的特定系数：u——由于燃气中含氧量及含氢量不同而引入的系数；υ——由于燃气中含氢量不同而引入的系数。2mn4HCOCHCH10.6()0.3prrrrCKs式中K1——与燃气O2含量有关的系数，——燃气中O2的体积分数，%221O1.00.0054Kr2Or第四节燃气互换性的判定用具有不同W’和Cp值的燃气在典型燃具上进行试验，就可以作出等离焰线，等回火线和等CO线。这三条曲线所限制的范围就是具有不同W’和Cp值的燃气在该燃具上的互换范围。华白数的允许波动范围一般为5％～10％。这样，在W‘-Cp坐标系上就可作出一条为华白数允许变化上限(Ws／Wa=1.1)，另一条为华白数允许变化下限(Ws／Wa=0.9)的直线。由五条曲线所限制的范围abcde就是燃气允许互换范围，又称德尔布互换图。将城市燃气管网中实际应用的所有典型燃具的互换图合并在同一坐标系上，其内部界限所组成的范围就是满足所有典型燃具要求的互换范围。图6—7德尔布互换图l—等离焰线；2—等回火线；3—等CO线；Ws’—置换气校正华白数；Wa’—基准气校正华自数德尔布互换域反映了某一类燃具能够适应的燃气范围，也就是说只要燃气的华白数和燃烧势在此范围内，此类燃具就能正常工作。目前工程上通常采用华白数与燃烧势来判定置换气的互换性。将城市燃气按华白数和燃烧势进行分类，形成一个标准系列，并对每一类燃气提出一组试验气，每一组试验气由一个基准气和三个界限气组成，其中：0-基准气、1-黄焰和不完全燃烧界限气、2-回火界限气、3-离焰界限气。各类城市燃气的试验气见附录。城市燃气套用这一标准，要求每一种燃气必须是在某一系列所规定的华白数和燃烧势范围内，或者说当某燃气的华白数和燃烧势在此系列某一类别的范围内时，就将其划归此类别，并规定其华白数和燃烧势的波动范围不得超出此类别所规定的范围。同时在燃具的生产中，使用对应的该类燃气的界限气来检验燃具的适应性。这样就可以有效地解决燃气的互换性和燃具的适应性问题。类别华白数W（kJ／m3）燃烧势Cp标准范围标准范围人工燃气3R13.7112.63~14.6677.746.5~85.84R17.7817.38~19.03107.964.7~118.75R21.5719.81~23.1793.954.4~95.66R25.6923.85~27.95108.363.1~111.47R31.6028.57~33.12120.971.5~129.0天然气3T12.2812.22~14.3522.021.0~50.64T17.1315.75~18.5424.924.0~57.36T23.3521.76~25.0118.517.3~42.710T41.5239.06~44.8433.031.0~33.012T50.7345.67~76.8440.337.3~69.3液化石油气19Y76.8472.86~76.8448.248.2~49.422Y87.5381.83~87.5341.644.9~49.420Y79.6472.86~87.5347.341.6~49.4城镇燃气的类别及特性指标（15℃，101.325kPa）思考题燃气互换性和燃具适用性所讨论的对象是什么？燃气性质对互换性的影响表现在哪些方面？几种判定法中判断燃气互换的指标分别是什么？城市气源在应用上如何分类，不同类之间能否互换，为什么？我国在实际操作层面上是如何解决燃气互换性和燃具适应性问题的。