燃气气种转换对燃具适应性研究

燃气气种转换对燃具适应性研究一．概况天然气作为一种高效、清洁的能源已经在世界各国和我国的许多地区得到广泛的应用。宁波市作为西气东输输气干线的末端及东海天然气﹑进口液化天然气(LNG)输气干线的始端，在利用天然气上有着得天独厚的优势。宁波市目前的管道燃气的气源主要有两种：液化石油气及液化石油气混空气（人工天然气）。预计2004年底，东海天然气将登陆宁波，最终宁波市气源将是天然气（东海气为主﹑西气及进口液化天然气为辅的混合气），人工天然气作为备用气源和调峰气源。二．燃气互换性原理及问题的提出民用燃气具主要组成部分为燃烧器，目前基本上采用大气式燃烧器，包括引射器﹑喷嘴﹑燃烧室及火盖（对热水器来说为火排）。燃具的燃烧器是按一定热负荷﹑一定成分和压力的燃气(即基准气)来设计和调整的。故燃气成分和压力变化时，燃具的热负荷﹑一次空气系数﹑火焰结构﹑燃烧稳定性﹑烟气中CO含量等也发生变化。燃具通常具有一定的适应性和自我调整性，即在燃烧器不作任何调整的情况下，燃气成分和压力变化不大时，燃烧工况即使有所变化，燃具仍能正常工作。按照我国“城市燃气分类”（GB13611-92），城市燃气按照华白数及燃烧势可分为三大族十一类燃气(表1)：表1类别华白数范围（MJ/m3）燃烧势(CP)范围人工气5R21.1～24.355～966R25.2～29.063～1107R30.4～34.972～128天然气4T16.7～19.322～576T24.5～28.225～6510T41.2～47.331～3412T48.1～57.836～8813T54.3～58.840～94液化气19Y76.9～92.742～4922Y76.9～92.742～4920Y76.9～92.742～49宁波市目前气源及将来天然气的基本参数如下（表2）：表2燃气类别液化气人工天然气东海天然气西气进口液化天然气分类20Y12T12T12T组分（V%）CH488.4896.2291.46C2H66.681.774.74C3H83012.6～120.350.32.59C4H107029.4～280.1371.11N245.8～47.40.970.9670.09O212.2～12.6CO23.522.473其它0.127低热值Hl（MJ/m3）114.4547.04～43.938.0133.8139.67高热值Hh（MJ/m3）124.0350.99～47.5941.6840.0441.32相对比重S1.931.37～1.300.630.540.62理论空气量V0(m3/m3)28.8111.529.629.5710华白数W（MJ/m3）89.2843.56～41.7452.5154.5052.48燃烧势CP38.138.841.141.28一次空气系数α10.650.60.60.60.6额定工作压力H（Pa）28002000200020002000燃烧速度Snmax(m/s)0.390.390.360.370.37黄焰界限α,0.510.460.230.240.24（液化气按理想组分计算）本文计算时，天然气性质按东海天然气﹑西气和进口液化天然气的平均值计算，其参数如下：低热值Hl（MJ/m3）:37.16高热值Hh（MJ/m3）:41.01华白数W：52.94比重S：0.60理论空气量V0:9.73m3/m3如果改变组分后的燃气在同一燃具上使用后仍能保证有相近的热负荷，火焰稳定，燃烧完全及可靠的点火等，就可以与原来使用的燃气互换。理论分析与实践都证明，不同族的燃气一般不能互换，需对原有燃具进行改造。同族的燃气有可能互换。因此宁波市在利用天然气过程中就居民使用的燃具对气源的适应性上存在三个问题：1）液化气居民用户（管道或瓶装）转换为天然气时，对原有液化气燃具的调整﹑改造问题。2）目前的液化气居民用户转换为过渡的人工天然气时，对原有液化气燃具的调整﹑改造问题。3）按人工天然气参数改动的灶具是否适应将来的天然气，即两者是否有互换性。三．理论分析下面根据上面提出的问题作一下分析。1.液化气燃具改造为天然气燃具1）喷嘴比较燃具热负荷与喷嘴直径存在以下关系：Q/H1=0.0035µdg2(H/S)1/2（式1）其中：Q——燃具热负荷,MJ/h（计算时取3.0KW,即10.8MJ/h）dg——喷嘴直径，mmH1——燃气低热值，MJ/m3.µ——喷嘴流量系数。取0.8。H——燃气工作压力（Pa）S——燃气相对比重。在保持热负荷不变的情况下，用表2的有关数据代入，可得燃用液化气时的喷嘴直径为dg1=0.94mm。燃用天然气时的喷嘴直径为dg2=1.36mm。dg2/dg1＝1.45。2)引射器比较：一般燃具引射器按最佳工况设计时，引射器喉部直径与喷嘴直径存在如下关系：（dt/dg）2=K(1+α1V0)(1+α1V0/S)（式2）其中：dt——引射器喉部直径，mmK——引射器的能量损失系数。取1.5。α1——设计工况下的一次空气系数，为避免出现黄焰，对液化气取0.65，天然气取0.6。V0——燃气的理论空气量，m3/m3。用有关数据代入，可得燃用液化气时的引射器喉部直径为：dt1＝14.2mm,燃用天然气时的引射器喉部直径为：dt2＝14.3mm。从上述计算结果可以看出，为维持相同热负荷，尽管燃气的喷嘴直径相差达45％，但其引射器喉部直径相差甚微。因此可认为燃用液化气与天然气时，燃烧器的引射器可以通用。3)一次空气系数的调整：燃气改变后除对热负荷有影响外，还由于一次空气系数的改变而影响燃烧器的正常工作。按下式调整：α1/α2=(W2/W1)1/2(H1/H2)1/4（fo2/fo1）1/2（式3）其中：α1，α2分别为天然气及液化石油气的一次空气系数。W1，W2分别为天然气及液化石油气的华白数。H1，H2分别为天然气及液化石油气的燃具工作压力。fo1，fo2分别为燃用天然气及液化石油气时的火孔总面积。假定燃具燃烧器头部不改变，即火孔总面积不变，fo2/fo1=1则α1/α2=1.19，一般α2＝0.65，则置换后天然气的一次空气系数α1=0.77，高于其最佳范围（一般为0.60～0.65）。所以应通过适当调整风门，缩小进风面积，使一次空气系数达到所需要的值，保证正常燃烧。4)燃烧特性比较：通常以一次空气系数为横坐标，火孔热强度为纵坐标的坐标系上作出的离焰﹑回火﹑黄焰和CO的极限曲线来表示某种燃气的燃烧特性，按此燃气设计的燃具一经调定，它的运行工作点的位置也就确定。从表2可看出液化气的火焰传播速度比天然气快，其回火倾向性比天然气大，因此液化气的回火曲线的位置要比天然气要高。在相同的火孔条件和火孔热强度下，天然气的离焰一次空气系数要比液化气大，即其离焰曲线位置较靠外。从表2中可看液化气的黄焰极限一次空气系数比天然气高，液化石油气其主要组分为烷烃，比天然气的主要组分甲烷在燃烧时更易析碳，形成黄焰。因此其黄焰曲线位置比液化气靠左。采用大气式燃烧方式时，计算火焰外锥高度值的经验公式为：h=nn1sfpqp/(dp)1/2其中：h——火焰外锥高度（mm）；n——火孔排数修整系数；s——火孔间距修整系数；fp——单个火孔面积（mm2）；qp——火孔热强度（KW/mm2）；dp——火孔直径（mm）；n1——系数，液化气n1＝1.08，天然气n1＝1.0。一台燃用液化气的燃具改为燃用天然气时，保持热负荷不变，火孔尺寸不变。则上式中参数n﹑S﹑fp﹑qp﹑dp均不发生变化。于是外焰高度正比于系数n1。所以，燃用天然气时火焰的外焰高度比燃用液化气时要低。在热交换系统保持不变的前提下，高的火焰必然导致气烟中的CO值偏大。所以改用天然气时排烟的CO含量必然要减小。因此其CO含量曲线要比液化气靠上。如图，火孔热强度q(w/Nm3)一般燃具的初调试点位于四条燃烧特性曲线的中心部位，以求较大的稳定区域，天然气置换液化气后，火孔热强度不变，一次空气系数经调整后其变化很小，所以其调整后的运行点位置（q点至q,点）变化也不大，而其稳定范围却比液化气扩大了。因此只要一台燃用液化气的燃具能稳定燃烧，改用天然气后也不会出现回火﹑脱火﹑黄焰，排烟的CO含量增加等情况。所以一台合格的液化气燃具原则上可以只改动燃气喷嘴直径和调节风门便可改造为一台合格的天然气燃具。很多厂家和城市的实践也证明了这一点。2.液化气燃具改造为人工天然气燃具同样，液化气燃具改造为人工天然气燃具原则上也可通过改变喷嘴直径和调节风门，减小一次空气系数来达到相同的热负荷，实现稳定的燃烧。从式1可计算出燃用人工天然气时的喷嘴直径dg2约为1.45mm燃用液化气喷嘴dg2＝0.94mm,所以dg2/dg1＝1.54。从式2可计算出燃用人工天然气时的引射器喉部直径dt约为13.6mm,与液化气的13.7相差不到1％，可认为通用。从式3可计算出一次空气系数为0.86，也需调小风门来达到稳定燃烧。但需注意的是若按将来天然气参数改造燃具的话，即把喷嘴直径扩大1.45倍，将出现初期使用人工天然气时燃具实际热负荷与其额定热负荷偏小18％左右，当管网压力波动过大时，用户灶具有可能出现回火；若按目前人工天然气参数把喷嘴直径扩大1.54倍左右时，将来转换成天然气时灶具实际热负荷又偏高14％左右，当管网压力波动过大时，用户灶具有可能出现脱火和不完全燃烧。因此对使用人工天然气过渡到天然气的用户应合理确定喷嘴扩径比例。3.人工天然气与天然气的互换性由表2可看出，东海天然气，西气,进口液化天然气及人工天然气属于同一族燃气，但成分及特性不同。东海天然气，西气及进口液化天然气华白数和燃烧势相差无几，同属12T，因此具有互换性。人工天然气按华白数分类为10T,按燃烧势分类属于12T（即燃烧性能接近12T天然气），因此近似认为它为热值偏低的“12T”。人工天然气比天然气的华白数偏小19％左右，华白数的变化已超出了公认的允许偏差范围10%。但我们认为仅从华白数还不足以分析燃气的互换性，要近一步从燃烧的稳定性去判断。美国燃气协会（A.G.A）对热值大于32MJ/Nm3燃气的互换性进行了系统研究，得出离焰﹑回火和黄焰三个互换指数的表达式。以下分析这三个指数，看东海天然气是否与人工天然气有互换性。若有，则西气﹑东海气与进口液化天然气的混合气同样具有与人工天然气的互换性。（1）离焰互换指数ILIL=Ka/(faas/fsaa)(Ks-lgfa/fs)其中角标a代表基准气——人工天然气，s代表置换气——东海天然气。K——离焰极限常数，K=(F1r1+F2r2+…….)/smixF——各单一气体的离焰常数，见表3。smix———多组分燃气的相对密度。f——一次空气因数，f=(s)1/2/Hha——燃气完全燃烧每释放105KJ热量所需消耗的理论空气量(m3/m3)。a=105V0/Hh,Hh为燃气高热值，KJ/Nm3。以表2数据代入后，可得IL=0.831.18（极限）。（2）回火互换指数IFIF=(Ksfs/Kafa)(Hs/39940)1/2其中Hs为置换气的高热值（KJ/Nm3）代入数据后得IF＝0.791.0(极限)（3）黄焰互换指数IYIY=(fsaa/faas)(α,ya/α,ys)其中α,y为燃气的黄焰极限一次空气系数，可用下式求得：α,y＝(T1r1+T2r2……)/(V0+7(I)-26.3(O2))式中：（I）——燃气中N2和CO2的体积成分，（O2）——燃气中O2的成分。T——单一气体为消除黄焰所需的最小空气量，见表3。代入数据可得IY＝1.471.0（极限）。可见离焰指数﹑回火指数和黄焰指数都在规定的范围内，即用天然气置换人工天然气时，燃具不会发生脱火﹑回火及黄焰现象。表3气体分子式FT甲烷CH40.6702.18乙烷C2H61.4195.80丙烷C3H81.9319.80丁烷C4H102.55016.85氧O22.90017.40氮N20.688-4.76二氧化碳CO21.080——四.结论1)原则上一台合格的液化气灶和热水器只要通过改动喷嘴直径和调节风门就可以改造为一台合格的人工天然气燃具或天然气