城市燃气气源配置与多气源互换性_工程实践

摘要

摘要：本研究旨在通过对城市在用燃具的实验测试，提出城市燃气气源配置与多气源互换性的研究方法和思路。根据典型系列燃具对燃气气质的适应性，形成量化的燃具适应域和共同适应域

摘要：本研究旨在通过对城市在用燃具的实验测试，提出城市燃气气源配置与多气源互换性的研究方法和思路。根据典型系列燃具对燃气气质的适应性，形成量化的燃具适应域和共同适应域，以确定城市燃气的互换域；推演提出了多气源条件下城市燃气互换性的研究方法。探索通过实验测试的方法测定城市燃气互换域的技术路线，以对相关部门和燃气企业进行城市燃气气源调度、调峰气源配置、多气源互换性及决策分析等提供方法和技术支持。

　1. 概述

　城市供应的主要气源是城市基准气。实际供给的燃气的成分不可能一成不变，当城市燃气负荷达到高峰时，需要补充一些与基准气的性质不同的燃气。这种代替基准气的燃气被称为置换气。当置换气代替基准气时，如果城市内的各种燃具不加任何调整而能保证正常工作，则表示置换气对基准气而言有互换性。所谓正常工作条件基本内容与上述相同，当置换气是暂时性的，可适当降低正常工作的要求，称为非正常工作界限。

　一个城市有多种用途不同的燃具。每种燃具都有自己的气质适应域。将这些适应域，集中在一起，形成的燃具共同适应域区间即可视为城市燃气的最大互换域。城市供应的燃气组分必须在这些燃具适应域的范围内。可见燃气互换域是受燃具适应域制约的。互换性和适应性的目的都是保证燃具正常工作，是一个事物的两个方面。互换性是对城市燃气而言的；适应性是对燃具而言的。一个城镇使用的燃具不止一种，应该规定几种有代表性的燃具，根据这些燃具的适应域，确定燃气互换域。

　由于居民燃气用户占据城市燃气用户的最大数量，受燃气技术的专业性限制，基本上不会对燃具进行工况调整，一般只是被动的利用管道燃气。当输送的燃气气质发生变化时，对居民用户会产生不同的影响，部分燃具不能燃烧，甚至发生事故。故传统确定互换域的做法，是只考虑大气式燃烧的燃具。因为城市中绝大部分燃具属于大气式燃具。工业等其他类型燃具不予考虑，因为工厂企业有技术力量，可以采取措施解决互换性；对于气质要求特别严格的部分燃气用户，燃气企业或工厂会采取气质稳定调质等技术，来保证终端设备的正常运行。

　本研究旨在通过对城市燃具的优化取样，选取典型系列燃具进行实验测试，形成量化的燃具适应域，根据不同燃具的共同适应域，实验确定城市燃气的互换域；并提出多气源条件下城市燃气互换域的确定思路和方法，探索通过科学的实验方法测定城市燃气互换域的技术路线，为相关部门和燃气企业进行城市燃气气源调度、调峰气源配置、多气源互换性及决策分析提供技术支持。

　2. 燃具气质适应性

　开发设计燃具时，首先要决定使用某类燃气。根据某类燃气的基准气^[1]设计、生产后按照基准气及界限试验气的要求(包括压力)调整检验出厂。当燃气性质(成分)发生变化时，其工作状态必然改变。如果燃气成分变化在某一界限范围内，它仍能保持正常工作。这就是燃具对燃气成分变化的适应能力，称为燃具的适应性。每个燃具都有一定的适应能力。量化这个适应能力，可以用燃具适应燃气成分变化的范围来表示。适应燃气成分变化的范围区间称为燃具适应域。适应域的范围越宽，表示燃具的适应燃气气质变化的能力越强^[2]。

　城镇中占绝对多数的民用燃具是大气式燃气用具。衡量大气式燃气用具正常工作的重要的指标是：不发生离焰、回火、黄焰、烟气中CO不超标等。燃气具的燃烧特性区间见图1^[2^、3]。

　通过燃具气质适应域的实验测定，可以掌握和确定我国典型燃具对燃气气质的适应能力和范围区间；可以为燃具生产、设计提供基本的、最关键的技术数据；可以形成城市内最广泛应用燃具的气质适应域及燃具的共同适应域；可以形成确定、量化的城市燃气的互换域，得到燃气正常工作的组分参数变化范围和极限区间。

　2.1 配气试验气的整体区间分布

　根据常用的配气原料气组分，进行以华白数、燃烧势为主要控制指数^[2，4，5]的配气设计，可以建立配气试验气的整体分布区间。以CH₄、H₂、N₂三组分，C₃H₈、H₂、N₂三组分，n-C₄H₁₀、H₂、N₂三组分，i-C₄H₁₀、H₂、N₂三组分等为配气原料气，根据华白数和燃烧势两个指数建立坐标系，形成的CH₄、C₃H₈、n-C₄H₁₀、i-C₄H₁₀等三组分共同配气域见图2。

　由图2可以看出：以CH₄、H₂、N₂三组分，C₃H₈、H₂、N₂三组分，n-C₄H₁₀、H₂、N₂三组分，i-C₄H₁₀、H₂、N₂三组分等形成的各配气区间和共同配气域，其边界线并不都是直线形式。各原料气形成的配气边界线中，任两组可燃气体形成的配气边界线为指数曲线形式；而N₂与H₂、N₂与另一可燃气体形成的配气边界线为直线形式。

　2.2 燃气具适应性区间实验测试

　实验目的：通过实验验证和测试燃气具的燃烧工况，确定影响燃具燃烧稳定性和气质适应性的主要燃烧特性指标；并根据不同燃气具燃烧器，进行典型燃气具适应域的测定。

　实验研究思路：通过基于互换性原理的燃气多气源或全组分动态、高精度配气装置的研究；建立自动型燃气具燃烧特性测试实验系统；依托实验系统进行燃气具气质适应性区间的测试；对测试的离散数据进行处理，并绘制燃烧特性曲线(脱火、回火、CO超标等)。

　实验内容包括如下四个方面：(1)选择不同功率的常规燃气灶具，进行燃气具燃烧特性实验测试；(2)测定燃气具的脱火、回火及C0超标曲线的参数范围；(3)基于实验结果，对燃气燃烧特性参数的适用性进行讨论；(4)确定适用于评价燃气具燃烧性能的关键燃烧特性参数。

　2.2.1 实验燃气具样品及配气原料气选择

　(1) 实验燃气具样品

　根据城市内所有的燃具的品牌特点和使用年限，选取典型的在用燃具，进行实验测试，燃具试验样本的选取应具有品牌覆盖性和代表性，数量和型号因城市而异。如本批次实验为某城市的选取的五种系列燃具样品，分别编号为灶具1系、灶具2系、……、灶具5系。代表城市内最常用的五种系列的燃具。

　(2) 实验配气原料气

　配气原料气分别选择甲烷、氢气、氨气和异丁烷等四种，纯度分别为99.1%、99.9%、99.9%、99.2%。基准气为12T纯甲烷气。

　依托组建的燃具燃烧特性测试实验系统，进行实验测试。

　2.2.2 实验结果

　按照不同的配气原料气组合，控制流入的混合气量，当燃气具分别出现脱火、回火及C0超标现象时，实验系统的自动化软件程序对各路支气管的原料气流量数据进行采集和存储，对烟气组分和含量进行数据采集和记录。根据实时记录的各支路原料气的流量，计算混配的燃气中各组分的体积比例；并计算出混合燃气的燃烧特性参数。计算的燃气燃烧特性参数如：燃气高热值H₂、相对密度d、华自数W_s、燃烧势CP等。结合数理统计及有限实验数据处理方法，对实验测试结果进行处理和分析。

　(1) 燃具1系

　对燃具1系，分别在脱火、回火及CO超标燃烧工况出现时，对实验系统的各路原料气的数据进行采集和计算，得到配气试验气中各相应组分的体积含量。

　根据试验测定的燃具1系在脱火、回火及CO超标时所对应的原料气组分，计算各界限工况点对应的燃烧特性参数，包括燃气高热值H₂、相对密度d、华白数W_s、燃烧势CP等，建立直角坐标系。绘制华白数W_s-燃烧势CP曲线，见图3；华白数W_s-燃烧势CP在i-C₄H₁₀-N₂-H₂区间内的曲线，见图4。

(2) 其余燃具样品适应域的实验测试

同理可以测得燃具2系、3系、……、5系等不同燃具的气质适应域。各系列燃具在极限燃烧工况下对应华白数W_s-燃烧势CP在i-C₄H₁₀-N₂-H₂区间内的曲线分别见图5～8

　2.2.3 燃具适应域测试实验结果分析与讨论

　(1) 燃气具燃烧适应性曲线及燃气具允许华白数波动区间

　根据实验测得的各系列燃具在界限工况时对应界限试验气的组分数据，计算得到对应燃气的燃烧特性参数，及图3～8所示的各特性曲线，进行回归分析与曲线拟合，其拟合曲线见表6。

　同时，由图3～8所示知，5种类型的实验燃气具，其基准气的坐标点为CH₄所在的位点，与脱火、回火、CO超标曲线相比，最近的极限状态点皆为CO超标曲线点。计算各燃气具的允许最大华白数变化范围见表1。

　由表1可以得出：

　上述5种系列实验气具，燃具2系适应燃气气质变化的能力最强，其华白数最大允许变化率为11.2%。燃具4系适应燃气气质变化的能力最弱，其华白数最大允许变化率仅为1 9%；当燃气气质发生微小变化就可能使燃气具CO超标。

　(2) 燃气燃烧特性参数的适用性

　根据对其他燃烧特性参数的计算，如：燃气高热值H_s、相对密度d、火焰最大燃烧速度S_n^max、华白数W_s、燃烧势CP、黄焰指数I_j等；研究发现：以燃气华白数W_s及燃气火焰燃烧速度S_n^max分别为纵坐标和横坐标建立的二维区间图形时，两燃烧特性参数建立的图形，可以形成近似平滑的曲线，围成近似封闭的区域，但不如华白数W_s、燃烧势CP参数表达的效果明显。而燃气高热值且及燃烧势CP这两种燃烧特性参数组合，其曲线的走向和形式无规律性，不能表达燃气具的燃烧特性。

　如前述图3～8所示，以燃气华白数颤、燃气燃烧势CP两个参数，建立的坐标图形，可以得到比较平滑的脱火、回火及CO超标等极限燃烧特性曲线，并可形成比较稳定的燃气具适应性封闭区域。

　(3) 燃具的气质适应性

　1) 上述5种系列实验燃具，其基准气均位于其脱火曲线、回火曲线、CO超标曲线、i-C₄H₁₀-H₂边界线、i-C₄H₁₀-N₂边界线所围成的区域内，燃气具适应基准气的燃烧要求。

　2) 基于上述5系天然气燃气具，进行的燃具适应性实验测试，得到的极限燃烧特性参数变化区间，可以看出：在以i-C₄H₁₀、H₂、N₂三组分配气区间图为边界线的配气域中，其共同适应域，如图9所示。我国典型燃气组分在不同燃具的共同燃烧适应域中的分布见图10，图中标出了超出燃烧特性曲线的几种天然气。

3. 燃气气源互换性与互换域

　燃气互换域和燃具适应域的目的相同，都是为了使燃具工况稳定，正常工作。彼此之间有密切的不可分割的关系：

　(1) 燃气互换域是根据燃具适应域决定的，互换域中的燃气应可以满足供气范围中各种燃具要求。任何一种燃具的适应域必须覆盖城市燃气互换域，否则燃具就不能进入该燃气互换域的市场。(2)燃气供应单位应掌握本地区的燃气互换域。拒绝使用不符合互换性要求的燃具。应该用互换域的边界检验燃具，合格后才允许进入市场。(3)在设计与调试燃具时，生产厂家有很多技术措施拓宽燃具的适应域。适应域宽的燃具不仅可以扩大销路，还有利于城市供气的调节。(4)假设一个小城镇(或某区)使用单一的燃气源和单一类型的燃具，这样就有可能使燃气互换性和燃具适应性变成一个问题。15)生产燃具的性能标准化(适应域标准化)，有利于确定燃气互换域，两者配合好，将使整个燃气系统获得很大的解溶效益与社会效益。

　一个城市一旦确定主气源后，燃具的适应性应该符合主气源的要求。另一方面，一个城市一旦选定了燃具后，供应的燃气对于现有的典型燃具应具有互换性。生产厂家在设计与调试的基础上可以拓宽燃具的适应域，从而加宽燃气互换性的范围。

　4. 多气源互换性方法

　当城市具有多种燃气气源可以选择时，通常应选择其主要的燃气组分和燃烧特性参数与城市基准气源最接近的一组和几组。需要考虑的因素主要包括：燃气中甲烷组分含量、惰性气体组分含量、重烃组分含量、燃气华白数、燃烧势、黄焰指数、密度(相对密度)、热值、燃气燃烧速度等。

　由于城市内具有多种燃气利用终端，如居民用户、工业用户、公服用户、燃气汽车、燃气电厂、LNG制备、化工用户等，不同利用终端对燃气气质的要求并不一致，为此需要合理选取不同城市多气源互换性研究的方法。根据气质要求最苛刻的燃气用户，确定燃气互换性和互换域时，将使城市内的燃气组分变化最小，其运营成本将升高或最高。而根据数量和影响面最广的居民用户对燃具适应性的要求，确定燃气互换域时，将使城市燃气运行成本降低或最低。这需要因地制宜、科学选取和分析。对燃气多气源互换性的方法进行研究，合理的选择城市燃具实验样本，进行试验测试，得到城市燃气的互换域。

　5. 决策分析

　城市相关部门和燃气运营企业需要对燃气气源调度、调峰气源配置、多气源互换性进行最终认可，形成共识，以保障城市能源供应安全。基于城市典型系列燃具样本的试验测试，得出城市燃气的互换域，就为城市燃气气源的优化调度和调峰设置奠定了科学决策、合理配置资源的基础和条件。由于燃具类型的差别形成了城市燃具共同适应域内基准气点位和极限燃烧工况曲线位置的偏离程度，可以对城市燃气备用气源和置换气源的选取进行成本-风险分析，根据由于燃气气质变化引起用户燃烧异常造成的风险，及为规避此种风险而采取的工艺和技术上的改进的经济成本，进行综合成本核算，从而形成成本-风险决策分析。

　设定某城市使用某一基准气，由于调峰和配置需要，需要对几种燃气进行能否互换的分析。置换气的燃气组分发生改变后，其华白数分别变化5% W₀、8%W₀、10% W₀、15% W₀，20% W₀ (W₀为基准气的华白数)。以上面提及的五种系列的燃具实验进行分析。

　(1) 调研得知，各燃具系列的品牌覆盖率见表2。

表2 某城市燃具的品牌覆盖率

燃具名称	燃具1系	燃具2系	燃具3系	燃具4系	燃具5系
品牌覆盖率，%	25	20	15	5	35

　(2) 燃气组分发生改变后，其华白数分别变化5% W₀、8% W₀、10% W₀、15% W₀，20% W₀ (W₀为基准气的华白数)时，其对应燃具工况不正常的比率见表3。

　置换燃气后燃气组分发生改变，其华白数变化对各燃具系列的影响见图11、12。

表3 燃具在不同的燃气组分时，燃烧工况不正常的比率(风险值)

燃气华白数变化值		5%W₀	8%W₀	10%W₀	15%W₀	20%W₀	备注
燃具类别	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，而发生脱火、回火或CO超标等现象。

　(3) 燃气企业针对不同燃气组分和特性的燃气气源，分别在管网配送系统和燃具利用终端前进行调质、掺混、改装等措施的技术和工艺的综合运营成本分别见表4。

表4 在不同燃气组分时，燃气企业的综合运营成本

不同燃气对应组分	5%W₀	8%W₀	10%W₀	15%W₀	20%W₀
基本运营成本，万元	5a	3a	2.5a	a	1.2a

注：设“a”为基本成本。

　(4) 成本-风险分析

　燃气企业宜根据不同燃气气源，对所能承受的燃具工作不正常的风险值和综合运营成本进行客观、全面分析，在能够承受的风险范围内，选择合适的燃气组分允许变化率，形成本城市地域内的、科学的燃气互换性组分数据库；以合理的进行城市燃气气源配置和多气源互换性的选择。

　6. 研究结论

　综合以上分析，可以得出如下结论：

　(1) 城市燃气气源互换性和燃具的气质适应性是有机统一的整体，是一个问题的两个方面。可以通过测定城市内燃具的适应域，形成城市燃气的气源互换域。

　(2) 可以用燃气的华白数W_s、燃气燃烧势CP两个燃烧特性参数，以脱火、回火、CO超标等极限工况参数值围成的封闭区域，和基准燃气在区域内的位置，来定义和评价燃气具的燃烧性能；以燃气华白数、燃烧势为配气控制参数时，实验配气时原料气形成的整体配气区间分布为不规则的封闭三边形；燃气具的燃烧适应性区间为5条平滑曲线或直线形成的封闭域。

　(3) 应用于实验批次的燃具的天然气的组分，其燃烧特性指数必须落在共同适应性区间内，燃具才能正常工作：包括基准燃气在内的燃气具的共同适应域构成了适应该批次燃具的城市燃气互换域。上述实验方法及技术路线可为燃具的适应性区间判断、燃具的设计质量水平及城市燃气互换性提供科学、量化的评价方法和技术手段。

　(4) 应该采取精确的实验测试方法进行城市燃气互换性及气质互换域的研究，提高科学决策的水平和能力；并进行成本-风险分析，合理量化的配置经济性好、技术性优的资源，保障城市燃气能源供应安全、可靠、和经济。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 GB/T13611—2006，城镇燃气分类和基本特性.北京：中国标准出版社，2007-03-01.

[2] 金志刚.燃气测试技术手册.天津天津大学出版社；1994，274～298.

[3] 同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等燃气燃烧与应用(第三版) 北京：中国建筑工业出版社，2000，1-18，60～82，205～223.

[4] 高文学，王启，赵自军.燃气试验配气的实践与研究煤气与热力，2008，28(11)：B31～35.

[5] 高文学城市燃气互换性理论及应用研究[D].天津大学博士论文，2010.06，87～127.

(本文作者：王启¹ 高文学² 1.国家燃气用具质量监督检验中心；2.中国市政工程华北设计研究总院)