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(jù)典型系列燃具對燃氣氣質(zhì)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(jù)典型系列燃具對燃氣氣質(zhì)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(shù)路線，以對相關(guān)部門和燃氣企業(yè)進行城市燃氣氣源調(diào)度、調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析等提供方法和技術(shù)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(zhì)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(nèi)的各種燃具不加任何調(diào)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(nèi)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(zhì)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(qū)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(nèi)?？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?；Q性是對城市燃氣而言的；適應性是對燃具而言的。一個城鎮(zhèn)使用的燃具不止一種，應該規(guī)定幾種有代表性的燃具，根據(jù)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(jù)城市燃氣用戶的最大數(shù)量，受燃氣技術(shù)的專業(yè)性限制，基本上不會對燃具進行工況調(diào)整，一般只是被動的利用管道燃氣。當輸送的燃氣氣質(zhì)發(fā)生變化時，對居民用戶會產(chǎn)生不同的影響，部分燃具不能燃燒，甚至發(fā)生事故。故傳統(tǒng)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(yè)等其他類型燃具不予考慮，因為工廠企業(yè)有技術(shù)力量，可以采取措施解決互換性；對于氣質(zhì)要求特別嚴格的部分燃氣用戶，燃氣企業(yè)或工廠會采取氣質(zhì)穩(wěn)定調(diào)質(zhì)等技術(shù)，來保證終端設(shè)備的正常運行。
　本研究旨在通過對城市燃具的優(yōu)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(jù)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(shù)路線，為相關(guān)部門和燃氣企業(yè)進行城市燃氣氣源調(diào)度、調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性及決策分析提供技術(shù)支持。
　2. 燃具氣質(zhì)適應性
　開發(fā)設(shè)計燃具時，首先要決定使用某類燃氣。根據(jù)某類燃氣的基準氣[1]設(shè)計、生產(chǎn)后按照基準氣及界限試驗氣的要求(包括壓力)調(diào)整檢驗出廠。當燃氣性質(zhì)(成分)發(fā)生變化時，其工作狀態(tài)必然改變。如果燃氣成分變化在某一界限范圍內(nèi)，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(qū)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(zhì)變化的能力越強[2]。
　城鎮(zhèn)中占絕對多數(shù)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(fā)生離焰、回火、黃焰、煙氣中CO不超標等。燃氣具的燃燒特性區(qū)間見圖1[2、3]。
 
　通過燃具氣質(zhì)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(zhì)的適應能力和范圍區(qū)間；可以為燃具生產(chǎn)、設(shè)計提供基本的、最關(guān)鍵的技術(shù)數(shù)據(jù)；可以形成城市內(nèi)最廣泛應用燃具的氣質(zhì)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(shù)變化范圍和極限區(qū)間。
　2.1 配氣試驗氣的整體區(qū)間分布
　根據(jù)常用的配氣原料氣組分，進行以華白數(shù)、燃燒勢為主要控制指數(shù)[2，4，5]的配氣設(shè)計，可以建立配氣試驗氣的整體分布區(qū)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(jù)華白數(shù)和燃燒勢兩個指數(shù)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(qū)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(shù)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(qū)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(wěn)定性和氣質(zhì)適應性的主要燃燒特性指標；并根據(jù)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(tài)、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(tǒng)；依托實驗系統(tǒng)進行燃氣具氣質(zhì)適應性區(qū)間的測試；對測試的離散數(shù)據(jù)進行處理，并繪制燃燒特性曲線(脫火、回火、CO超標等)。
　實驗內(nèi)容包括如下四個方面：(1)選擇不同功率的常規(guī)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(shù)范圍；(3)基于實驗結(jié)果，對燃氣燃燒特性參數(shù)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(guān)鍵燃燒特性參數(shù)。
　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(jù)城市內(nèi)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(shù)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(nèi)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(tǒng)，進行實驗測試。
　2.2.2 實驗結(jié)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(xiàn)脫火、回火及C0超標現(xiàn)象時，實驗系統(tǒng)的自動化軟件程序?qū)Ω髀分夤艿脑蠚饬髁繑?shù)據(jù)進行采集和存儲，對煙氣組分和含量進行數(shù)據(jù)采集和記錄。根據(jù)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(shù)。計算的燃氣燃燒特性參數(shù)如：燃氣高熱值H2、相對密度d、華自數(shù)Ws、燃燒勢CP等。結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計及有限實驗數(shù)據(jù)處理方法，對實驗測試結(jié)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(xiàn)時，對實驗系統(tǒng)的各路原料氣的數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)，包括燃氣高熱值H2、相對密度d、華白數(shù)Ws、燃燒勢CP等，建立直角坐標系。繪制華白數(shù)Ws-燃燒勢CP曲線，見圖3；華白數(shù)Ws-燃燒勢CP在i-C4H10-N2-H2區(qū)間內(nèi)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(zhì)適應域。各系列燃具在極限燃燒工況下對應華白數(shù)Ws-燃燒勢CP在i-C4H10-N2-H2區(qū)間內(nèi)的曲線分別見圖5～8
 
　2.2.3 燃具適應域測試實驗結(jié)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(shù)波動區(qū)間
　根據(jù)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(shù)據(jù)，計算得到對應燃氣的燃燒特性參數(shù)，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(tài)點皆為CO超標曲線點。計算各燃氣具的允許最大華白數(shù)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(zhì)變化的能力最強，其華白數(shù)最大允許變化率為11.2%。燃具4系適應燃氣氣質(zhì)變化的能力最弱，其華白數(shù)最大允許變化率僅為1 9%；當燃氣氣質(zhì)發(fā)生微小變化就可能使燃氣具CO超標。
　(2) 燃氣燃燒特性參數(shù)的適用性
　根據(jù)對其他燃燒特性參數(shù)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(shù)Ws、燃燒勢CP、黃焰指數(shù)Ij等；研究發(fā)現(xiàn)：以燃氣華白數(shù)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(qū)間圖形時，兩燃燒特性參數(shù)建立的圖形，可以形成近似平滑的曲線，圍成近似封閉的區(qū)域，但不如華白數(shù)Ws、燃燒勢CP參數(shù)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(shù)組合，其曲線的走向和形式無規(guī)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(shù)顫、燃氣燃燒勢CP兩個參數(shù)，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(wěn)定的燃氣具適應性封閉區(qū)域。
　(3) 燃具的氣質(zhì)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(qū)域內(nèi)，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(shù)變化區(qū)間，可以看出：在以i-C4H10、H2、N2三組分配氣區(qū)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(wěn)定，正常工作。彼此之間有密切的不可分割的關(guān)系：
　(1) 燃氣互換域是根據(jù)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(qū)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(shè)計與調(diào)試燃具時，生產(chǎn)廠家有很多技術(shù)措施拓寬燃具的適應域。適應域?qū)挼娜季卟粌H可以擴大銷路，還有利于城市供氣的調(diào)節(jié)。(4)假設(shè)一個小城鎮(zhèn)(或某區(qū))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(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)有的典型燃具應具有互換性。生產(chǎn)廠家在設(shè)計與調(diào)試的基礎(chǔ)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(shù)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(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)、密度(相對密度)、熱值、燃氣燃燒速度等。
　由于城市內(nèi)具有多種燃氣利用終端，如居民用戶、工業(yè)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(zhì)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(jù)氣質(zhì)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(nèi)的燃氣組分變化最小，其運營成本將升高或最高。而根據(jù)數(shù)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(guān)部門和燃氣運營企業(yè)需要對燃氣氣源調(diào)度、調(diào)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(yōu)化調(diào)度和調(diào)峰設(shè)置奠定了科學決策、合理配置資源的基礎(chǔ)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(nèi)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(jù)由于燃氣氣質(zhì)變化引起用戶燃燒異常造成的風險，及為規(guī)避此種風險而采取的工藝和技術(shù)上的改進的經(jīng)濟成本，進行綜合成本核算，從而形成成本-風險決策分析。
　設(shè)定某城市使用某一基準氣，由于調(diào)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(fā)生改變后，其華白數(shù)分別變化5% W0、8%W0、10% W0、15% W0，20% W0 (W0為基準氣的華白數(shù))。以上面提及的五種系列的燃具實驗進行分析。
　(1) 調(diào)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(fā)生改變后，其華白數(shù)分別變化5% W0、8% W0、10% W0、15% W0，20% W0 (W0為基準氣的華白數(shù))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(fā)生改變，其華白數(shù)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(shù)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(fā)生脫火、回火或CO超標等現(xiàn)象。
　(3) 燃氣企業(yè)針對不同燃氣組分和特性的燃氣氣源，分別在管網(wǎng)配送系統(tǒng)和燃具利用終端前進行調(diào)質(zhì)、摻混、改裝等措施的技術(shù)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(yè)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(shè)“a”為基本成本。
　(4) 成本-風險分析
　燃氣企業(yè)宜根據(jù)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(nèi)，選擇合適的燃氣組分允許變化率，形成本城市地域內(nèi)的、科學的燃氣互換性組分數(shù)據(jù)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(jié)論
　綜合以上分析，可以得出如下結(jié)論：
　(1) 城市燃氣氣源互換性和燃具的氣質(zhì)適應性是有機統(tǒng)一的整體，是一個問題的兩個方面?？梢酝ㄟ^測定城市內(nèi)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(shù)Ws、燃氣燃燒勢CP兩個燃燒特性參數(shù)，以脫火、回火、CO超標等極限工況參數(shù)值圍成的封閉區(qū)域，和基準燃氣在區(qū)域內(nèi)的位置，來定義和評價燃氣具的燃燒性能；以燃氣華白數(shù)、燃燒勢為配氣控制參數(shù)時，實驗配氣時原料氣形成的整體配氣區(qū)間分布為不規(guī)則的封閉三邊形；燃氣具的燃燒適應性區(qū)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(shù)必須落在共同適應性區(qū)間內(nèi)，燃具才能正常工作：包括基準燃氣在內(nèi)的燃氣具的共同適應域構(gòu)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(shù)路線可為燃具的適應性區(qū)間判斷、燃具的設(shè)計質(zhì)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(shù)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(zhì)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(jīng)濟性好、技術(shù)性優(yōu)的資源，保障城市燃氣能源供應安全、可靠、和經(jīng)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(zhì)量監(jiān)督檢驗中心；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院)