典型互换性判别法对国内燃具适用性的实验研究
Outline:
杨贤潮
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秦朝葵
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戴万能
收稿日期：2011-07-26；修回日期：2011-09-04
作者简介：
杨贤潮：1987年生，男，安徽安庆人，硕士生，主要从事燃气燃烧与天然气互换性研究工作。地址：(201804)上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学机械工程学院A316室。电话：(021)69583802，15201962403。E-mail：
yangxianchao1@gmail.com.
摘要：AGA指数法、Weaver指数法是国外典型的互换性判别方法。在上海市多气源天然气互换性问题的背景下，以实验室管道西气为基准气(Adjustment Gas或Reference Gas)，分别计算了各种置换气(Substitute Gas)的AGA指数(IL、IF、IY)和Weaver指数(JH、JA、JF、JL、JI、JY)，理论上分析了置换气与基准气的互换性，同时辅以实验，将实验结果与指数计算结果进行对比分析，讨论了两种指数法的国内适用性情况。实验证明, AGA指数法较好地预测了互换结果但没给出CO排放指标，Weaver指数法能够较好地预测离焰、回火以及热负荷变化却没能准确地预测黄焰现象和CO排放，因此要靠纯指数法来完整地反映互换结果，应根据国内实际情况综合两种判别法进行互换性分析，实验仍是目前判别互换性的必要方式。燃气互换性与燃气分类不能混为一谈。
关键词：AGA指数 Weaver指数 多气源 天然气 互换性 适应性 配气 黄焰 燃气分类
Experimental research on typical interchangeability discriminance applicability of domestic gas appliance
Outline:
Yang Xianchao
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Qin Chaokui
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Dai Wanneng
College of Mechanic Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: The AGA Indices method and weaver indices method are typical overseas interchangeability discriminant methods. Under the background of interchangeability of multi-source natural gas in Shanghai, the pipeline gas in lab is used as reference gas, the AGA Indices(IL、IF、IY) and Weaver Indices(JH、JA、JF、JL、JI、JY) of all kinds of substitute gas were calculated. The interchangeability of reference gas and substitute gas was analyzed theoretically and experimentally.Finally, compared tests with the calculation results, analyzed and discussed the domestic applicability of two indices methods. The tests proved AGA Indices method could well predicted interchangeability but did not give the emission index of CO, while Weaver Indices could well predict flame-out, backfire and heat load change but did not accurately reflect yellow flame and CO emission. Therefore, in order to reflect completely the results of interchangeability by pure index methods, it is necessary to analyze the interchangeability combining domestic reality with two indices methods. Nowadays experiment is still an essential way for identifying interchangeability. And gas interchangeability should not be confused with gas classification.
Key words:
AGA indices weaver indices multi-source natural gas interchangeability applicability gas blending yellow flame gas classification
随着天然气事业的飞速发展，多气源已成为改善供应可靠性的一种有效手段。以上海为例，在高压网络中已有四种气源：西气东输一线(西气)、东海天然气(东气)、川气、液化天然气(LNG)。多气源接入同一供应管网，会导致终端用户处的气源成分出现较大的波动，为了评价燃具在气源波动情况下的燃烧性能状况，尤其是对安全性能的要求，多气源天然气的互换性研究显得尤为重要。实验测试是判断能否互换的最准确和最有效的方式。但是燃具结构型式繁多、气源组分变化范围大，实验测试需花费大量的时间、费用。
长期以来，我国的燃气分类与燃具性能评价均借鉴国外，在互换性方面也未进行过系统的研究。本研究利用上海现有的LNG气源和实验室管道西气进行比例掺混来模拟燃气管网中可能出现的气体组分，以各组分气体为置换气，管道西气为基准气，采用AGA指数法与Weaver指数法进行了互换性理论计算，同时选取市场上的典型灶具进行了相应的性能测试，最后将理论结果与实验结论进行对比，分析了AGA指数法和Weaver指数法在国内的适用性。同时也佐证了燃气分类标准与燃气互换性之间的关系。
1 气源
图 1表示了上海燃气管网中的四种气源：西气、东气、川气、LNG的体积组成及特性。据了解，西气、川气和东气为管输气，其中西气、川气含有较高的甲烷，属于典型的气田天然气；东气甲烷含量较低，乙烷含量较高，属于典型的油田伴生气。而LNG由于加工工艺和运输条件的差别，含有较多的重烃(C3+)成分，与前三种管输气在组分上存在较大差别。另外华白数、高热值和燃烧势三种曲线显示了LNG在参数特性上也与管输气存在较大的差别，因此LNG与管输气同时接入同一高压网络就可能导致管网不同接入点处、用户处天然气成分发生较大波动，实际管网中的气体应该是管输气与不同比例LNG的混合气。
2 理论分析
2.1 分类与互换
我国的燃气分类标准借鉴欧洲标准EN437，早期的GB/T 13611-1992就将其作为互换性判别指标，且一直沿用，导致了一些问题。
燃气分类是燃气质量管理范畴中的一个技术手段，用以约束各类燃气的质量波动。互换性问题是涉及到燃气与燃具两方面的安全性问题，二者的性质和目的不同。
图 1表示四种气体的华白数变化范围为47.5 MJ/m3~53.3 MJ/m3，燃烧势变化范围为37.8~41.5，而12T的变化范围分别为：华白数45.67 MJ/m3~54.78 MJ/m3，燃烧势36.3~69.3。
很明显，四种气体的参数特性均处于12T允许的范围之内，如果按照燃气分类标准来决定互换与否的话，四种气体在12T的燃具上使用，应均不会出现燃烧性能的显著改变和排放的超标。
其实燃气分类标准只能作为互换性判定的必要条件，经修订的GB/T 13611-2006已不再提及分类与互换的关系，具体互换性判定还应根据互换性理论和实践情况来下结论[1]。
2.2 指数计算
互换性计算是建立在实验室模拟气源成功配制的基础上。表 2所示为此次研究的测试用气，以0%LNG即实验室管道西气作为调试基准气，不同比例的LNG与管道西气掺混气作为置换气，利用AGA互换性计算程序(2007.2修改版)进行理论计算，结果见表 1。
表 1
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表 1 AGA指数和Weaver指数的计算结果
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表 2
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表 2 实验用配制气的组成(φ，%)及特性
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表 1表明，当置换气为100%LNG时，灶具会出现黄焰、热负荷超标和CO超标，不可互换；当置换气为80%LNG掺混气时，灶具会出现CO超标，不可互换；其它置换气情况下灶具表现良好，可互换。互换性判断依据文献[2, 3]
3 实验
3.1 配气方案
在实验进行时，上海尚无LNG供应。需制订一个合理的配气方案，兼顾单一气体的用气量和对燃具的实际影响。通过配气方案的比较分析，确定以实验室管道西气掺混乙烷、氮气来配制LNG。该方案既反映了LNG乙烷含量较高的特点，又简化了实际配气流程。管网终端用户可能面临的是管道西气与不同比例LNG的混合气体，表 2给出了实验室配制的测试用气的组分及特性，其中以LNG比例作为标识。
3.2 实验装置
配气装置见图 2，乙烷、氮气与管道西气经同一燃气表计量后进入5 m3湿式储气罐。储气罐内设置搅拌风机使罐内组分混合均匀。在配气之前用管道西气冲洗储罐三次，之后采用管道西气-乙烷-管道西气-乙烷-管道西气-氮气的分层进气方式来减少乙烷汽化降温对系统和计量的影响，同时避免管道内残存气体对配气精度的影响。在实验测试过程中，对配制气多次取样进行色谱分析。分析结果表明：上述操作步骤可保证配制气与目标气之间的华白数偏差在±1%以内[4]，且较为稳定。
图 2也演示了燃具性能测试流程。待测灶具的燃气流量由湿式气体流量计测得；烟气中的O2、CO、CO2和NOx含量通过环形取样器送入烟气分析仪，烟气组分通过Fireworks软件连续自动监测。
3.3 测试灶具
实验灶具的代表性是互换性实验中至关重要的环节，只有采用有一定市场占有率且具结构代表性[5]的灶具进行实验，得出的结论才具有一定的代表性。由上海市燃气行业管理部门结合燃具生产企业的销售情况，筛选了上海市场占有率最高的七个品牌灶具，挑选各自有代表性的燃气灶(共16台)进行测试，其中台式灶6台，嵌入式灶10台，适用的燃气类别均为12T。
3.4 测试流程
试验采用文献[6]规定的试验条件、试验状态和试验方法，部分根据实际有所调整，于是制定了如下测试流程：
(1) 以管道天然气为基准气，保持2 kPa的灶前压力，对灶具的一次空气调风门进行调节，使内锥明亮、高度适中，此为燃具的最佳初始状态；
(2) 按照文献[6]的规定，进行CO排放、热负荷、热效率的测试；
(3) 保持一次空气调风门不变，利用配制的LNG，测试CO排放、热负荷、效率等指标；
(4) 依次配制不同比例的LNG与管道西气的混合气，重复步骤(3)；
(5) 测试过程中对火焰形态拍照，直观表现。
4 测试结果
对16台灶具在六种气源下进行了重复测试，获得每台灶具的热负荷、热效率和CO排放等，测试结果如图 3~图 5所示。采用品牌-型号的方法来标记不同的产品，其中数字表示品牌，字母表示型号。
使用实测热负荷来反映灶具在用户侧的热负荷性能。实验数据处理采用无锅热负荷，图 3表明灶具热负荷随LNG掺混比例的增加而增加。从100%管输气变化到100%LNG，华白数增加了6%，对于不同品牌型号的灶具，热负荷的增加幅度不一，有的小于6%，有的大于6%，但华白数的变化基本上反映出了热负荷的变化情况，理论与实验大致相符。
灶具热效率在我国作为强制性指标列出。实验中，使用折算热效率来反映气源变化后的效率变化情况。图 4表明，灶具热效率随LNG比例的增加呈现出无规律的变化趋势。灶具热效率受多种因素制约，喷嘴形状、火孔类型、锅支架高度及燃气性质等均有不同程度的影响[7]，因此不同品牌型号的灶具会表现出不同的变化趋势。大部分灶具随LNG比例增加效率下降，台式灶2-A与嵌入式灶7-C呈现大体上升的态势。
按照国标对灶具的使用性能要求，台式灶热效率应≥55%，嵌入式灶热效率应≥50%。从图可知，台式灶1-A、3-B和嵌入式灶2-B、4-A、5-A、6-A、6-B、7-C的热效率基本不达标，热效率虽不为互换性指标，但实际操作应加以注意。
家用燃气灶具燃烧干烟气中的CO含量为强制性指标。考虑到烟气受空气稀释程度的不同及烟气中氧含量的影响，研究中采取CO2稀释法，将CO值折算至过剩空气系数α=1。由图 5可见，灶具CO值随LNG比例的增加而呈现出增大的趋势。大部分灶具表现良好，台式灶1-B、台式灶7-A、嵌入式灶1-C和嵌入式灶6-B的CO出现超标，6-B灶的CO甚至高达1 200×10-6(φ)。
黄焰的甄别较为主观，为减少人为判断的误差，实验过程中对每台灶具在各种气源下的火焰状态进行拍照、监测。限于篇幅，图 6仅列出在管道西气(基准气)和LNG下一些黄焰较为明显的灶具的火焰图像。需指出的是在其它LNG比例下，少数灶具也出现了黄焰现象。
5 结果分析
从图 4和图 5可知，台式灶3-B和嵌入式灶7-C、6-B在管输气情况下的热效率均不超过50%，且嵌入式灶6-B在管输气下COα=1达700×10-6(φ)，超出了国标规定的500×10-6(φ)，故在下面的分析中排除该三种灶具。
由图 3可见：随着LNG比例的增大，台式灶和嵌入式灶的热负荷均呈现增大的趋势。按热负荷超出基准气状态的±5%以上为不可互换来考虑，本实验中各灶具在6种气源下测得的热负荷波动情况见表 3。
表 3
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表 3 灶具在变气源下热负荷波动情况
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表 3中带底纹部分表示热负荷已超标，可以看出几乎所有的灶具在LNG时热负荷均超标，这与Weaver指数法的结论相符；有趣的是，当置换气为60%LNG和80%LNG掺混气时，部分灶具也出现了热负荷超标，这与Weaver指数法的结论不符。在此尤其注意台式灶7-A，在所有置换气下都没有出现热负荷超标，表现良好。
图 5表明，在气源从管道西气转变为100%LNG过程中，80%的灶具CO排放均可保持在国标允许的范围内；但是台式灶1-B和7-A，嵌入式灶1-C随LNG比例的增加，呈现较大的变化，超出了国标允许的500×10-6(φ)。当LNG比例从20%增加到80%，CO排放量一直上升，台式灶1-B的CO排放甚至达到了1 000×10-6(φ)以上，随着LNG比例继续增加，CO排放量开始减少。前者COα=1出现增加的原因是华白数的增加导致了一次空气系数的降低，不完全燃烧产物增加，同时外锥火焰拉长、接触冷的测试锅底，燃烧不完全趋于恶化。
按照Weaver指数法计算结果，在80%LNG和100%LNG下应该会出现CO超标，但测试结果显示，仅20%左右的燃具会出现CO超标现象，甚至台式灶7-A和嵌入式灶1-C在20%LNG时就已经出现CO超标，与Weaver指数法的结论显然不符。
图 6将基准气和100%LNG下的灶具火焰图像进行了对比，结果表明，一些灶具在LNG为气源时出现了明显的黄焰现象，不考虑个别差异情况，说明了AGA指数的结论与实验结论相符。同时也说明了Weaver指数法在预测黄焰方面的不足，至少JY不适合作为国内互换性研究的指标。
另外，实验过程中未发现有离焰和回火现象，这与AGA指数和Weaver指数得出的结论相符。
很明显，属于12T的实验气在互换时出现了上述各种问题，由此说明了国标关于燃气的分类不能简单地就作为互换性判定的依据，分类与互换应该区分开来研究。
6 结论
本研究在上海市多气源天然气互换性项目的支持下，对市场上有代表性的16台灶具在6种可能出现的气源下进行了大量的实验，得出了一系列的实验数据，并与AGA指数法和Weaver指数法的结论进行对比分析，结果表明：
(1) LNG的引入会对终端设备造成不同程度的影响，尤其注意气源为100%LNG的情况；
(2) 本研究有关的互换性结论可为燃气公司在管理互换性时提供依据；
(3) 燃气分类与燃气互换性不能混为一谈，应区分开来研究；
(4) AGA指数法能够比较真实地反映实验结论，但缺乏CO值分析的指标；
(5) Weaver指数法的JY和JI两指数的预测结果与实验结论存在较大差别，JL、JH和JF的适用性较好；
(6) 黄焰现象的甄别较主观，要获得真实的黄焰图像，应借助可靠的观测手段；
(7) 实际情况应综合两种互换性判别法进行国内燃具的互换性研究；
(8) 寻求适合于我国的互换性判断法对于互换性研究有重要意义，是一项长期性的任务。
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| [2] |
Ennis C J, Botros K K and Engler D. On the difference between US example supply gases.European Limit Gases, and their Respective Interchangeability Indices[C], 2009.
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| [3] |
Rosemarie Halchuk-Harrington and Robert D.Wilson. AGA BULLETIN #36 AND WEAVER INTERCHANGEABILITY METHODS: YESTERDAY'S RESEARCH AND TODAY'S CHALLENGES[C].
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| [4] |
中华人民共和国建设部. GB/T 13611-2006城镇燃气分类和基本特性[S], 2006-09-12.
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| [5] |
Gas Research Institute. Evaluating the range of interchangeability of vaporized LNG and natural gas[R], 2003.
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| [6] |
中国标准化协会, 中国五金制品协会.GB/T 16410-2007家用燃气灶具[S], 2007-06-21.
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| [7] |
同济大学编. 燃气燃烧与应用第3版[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
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| [8] |
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| [9] |
全国天然气标准化技术委员会.GB/T 11062-1998天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法[S], 1998-06-17.
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2012, Vol. 41