摘要：綜述近年來中國在燃氣互換性研究方面取得的進展。核心成果包括：確定表征大氣式燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)及試驗氣配氣區(qū)間，提出城市氣源配置與多氣源轉(zhuǎn)換方法，建立試驗氣配制及燃具適應(yīng)性試驗裝置，建立確定多氣源共同互換域的技術(shù)方法，建立兼顧技術(shù)經(jīng)濟性的城市多氣源配置與互換性的研究思路。
關(guān)鍵詞：城市燃氣； 燃氣互換性； 燃具適應(yīng)性； 互換域； 適應(yīng)域； 試驗氣配制
Research Progress in Interchangeability of Gases in
Abstract: The progress in research on interchangeability of gases in
Key words: city gas；interchangeability of gases；adaptability of gas appliance；interchange domain；adaptation domain；experimental gas blending
1 多氣源共存的格局
2010年，在中國城市燃氣供應(yīng)總量及供氣管道規(guī)模中[1]，人工煤氣供應(yīng)總量為279.9×
中國正逐步加快天然氣管網(wǎng)的建設(shè)速度，規(guī)劃中的天然氣管網(wǎng)將以目前的西氣東輸管線、陜京一二三線、忠武線、澀寧蘭線等為主，再興建一批重點干線和支線管道，向南延伸到珠海、北海，向北、向西延伸到黑龍江、新疆與俄羅斯等跨國管道相連。到2020年，將形成國產(chǎn)氣管道、進口氣管道和沿海LNG管道相互連通的天然氣管網(wǎng)。各氣源互相銜接，資源統(tǒng)配，實現(xiàn)全國天然氣聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)。隨著全國不同氣田天然氣長距離輸送、多管網(wǎng)互連互通輸配模式的形成，各城市已經(jīng)或正在面臨著多氣源共用同一配氣管網(wǎng)的客觀情況。
相關(guān)部門預(yù)測，到2015年，中國天然氣消費量將達到2 400×
隨著天然氣的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)燃氣的供應(yīng)與管理體系發(fā)生了重大變化，要完全適應(yīng)以天然氣為主氣源的狀況還存在許多技術(shù)和管理上的問題。只有規(guī)范氣源轉(zhuǎn)換技術(shù)，才能使每座城市安全、高效、經(jīng)濟、快速地進行原有氣源與天然氣、天然氣與備用調(diào)峰氣源的轉(zhuǎn)換。目前面臨的諸多問題中，較為突出的是燃氣互換性、燃具適應(yīng)性、能源供應(yīng)的安全性、燃具運行效率與節(jié)約用氣等問題。其中，在多氣源格局下，進行城市氣源配置和轉(zhuǎn)換，并最大限度地保障燃氣用戶平穩(wěn)、安全用氣，是當(dāng)前燃氣行業(yè)一直存在的技術(shù)難題。因此，開展城市燃氣互換性理論與應(yīng)用技術(shù)的研究工作，對氣源轉(zhuǎn)換和節(jié)能減排具有重要的理論和實際意義。
在中國，燃氣燃燒應(yīng)用的領(lǐng)域主要是居民用氣、工業(yè)燃料、燃氣空調(diào)、燃氣汽車、燃氣發(fā)電。燃具主要有家用燃具、燃氣工業(yè)爐、燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機等[3]。美國燃氣互換性研究工作組(由美國國家天然氣委員會NGC牽頭，聯(lián)合LNG、天然氣管道、城市燃氣、發(fā)電、化工、燃氣設(shè)備生產(chǎn)、天然氣處理等行業(yè)的近百家企業(yè)以及部分政府和科研機構(gòu)組成的工作組，簡稱NGC+)將燃具進行了如下分類：一般燃氣燃燒設(shè)備；工業(yè)鍋爐、窯爐和工藝加熱裝置；往復(fù)式發(fā)動機(包括天然氣汽車)；燃氣輪機；非燃燒類利用裝置，包括城市天然氣液化調(diào)峰設(shè)施、化工生產(chǎn)設(shè)施[4]。不同燃具適應(yīng)燃氣組成變化的能力不同，特別是城市在用燃具。當(dāng)燃氣組成變化較大時，易對燃具的正常運行產(chǎn)生影響，甚至惡化燃燒環(huán)境，發(fā)生事故。因此，燃具適應(yīng)性研究具有重要意義。我國應(yīng)用的主要天然氣燃燒特性指數(shù)(
2燃氣互換性研究概況
2.1 國際研究概況
美國燃氣互換性研究工作組對燃氣互換性的定義是：在不明顯影響燃具運行安全、效率和性能，不明顯增加空氣污染物排放量的情況下，采用一種燃氣替代另一種燃氣的能力。這與傳統(tǒng)定義有所不同，傳統(tǒng)定義主要關(guān)注燃具的燃燒性能是否受到影響，新的定義從燃具運行安全、高效節(jié)能、污染物排放量的控制出發(fā)，對燃氣互換性進行全面評價。
長期以來，應(yīng)用最廣泛的燃氣互換性判定方法為法國的德爾布燃氣互換性判定法、英國的達頓圖形判定法、美國的A.G.A多元指數(shù)判定法和由此發(fā)展出來的韋弗指數(shù)判定法等。這些判定方法都是基于常用燃具，于20世紀80年代前形成和提出的，主要適用于以本生火焰為主的大氣式燃燒方式。
歐盟于2002年成立了歐洲燃氣能源交易合理化協(xié)會(EASEE-Gas)，在其起草的《協(xié)調(diào)統(tǒng)一的天然氣質(zhì)量》(2005-001／01)文件中，基于高熱值、華白數(shù)、相對密度這3個燃燒特性指數(shù)中的任意兩個，定義了燃氣的互換域，并給出了華白數(shù)的上限值和下限值[7]。2005年2月，美國燃氣互換性研究工作組發(fā)布了《天然氣可互換性及非燃燒應(yīng)用白皮書》[4]，指出了傳統(tǒng)燃氣互換性研究方法的不足，討論了“擴大應(yīng)用領(lǐng)域后的”天然氣互換性研究方法，提出更為實用的“工作區(qū)間”概念。
2.2我國研究概況
自20世紀70年代始，我國城市燃氣有人工煤氣、天然氣、液化石油氣等氣源并存。根據(jù)燃氣互換性研究工作的需要，城市煤氣設(shè)計規(guī)范管理組于1980年12月，在上海同濟大學(xué)，將上海、沈陽兩地常用的家用燃氣灶作為試驗對象，對燃氣互換性及燃具適應(yīng)性進行試驗研究，尋求華白數(shù)、燃燒勢的允許波動范圍。l982年2月，家用煤氣灶標準編寫組完成了《國內(nèi)典型家用煤氣灶燃燒穩(wěn)定性》報告，通過配制試驗氣的方法，分別在0.5倍燃具額定壓力及1.5倍燃具額定壓力下，確定了家用燃氣灶的黃焰、回火、脫火極限范圍，得到了燃燒穩(wěn)定性三角圖。在該范圍內(nèi)確定氣源允許的華白數(shù)、燃燒勢波動范圍，為制定城市燃氣質(zhì)量標準、城市燃氣分類和燃具試驗氣配制方法提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，1992年發(fā)布了國家標準GB／T l
陜京一線天然氣管道于l997年9月竣工投產(chǎn)，由此拉開了大規(guī)模利用天然氣的序幕，開始了城市人工煤氣、液化石油氣混空氣轉(zhuǎn)換天然氣的工程實踐及應(yīng)用。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者及單位對采用天然氣改制、天然氣混低熱值人工煤氣、天然氣混空氣、液化石油氣混空氣等方式進行氣源轉(zhuǎn)換的工藝進行了研究[8-10]。雖然取得了一系列成果，但沒有形成完整的氣源轉(zhuǎn)換與燃氣互換性理論體系。燃具測試、燃燒性能隨使用年限的變化規(guī)律、燃具適應(yīng)性、燃氣互換性等研究處于起步階段，尚未形成完備的技術(shù)標準，互換性和試驗氣配制技術(shù)理論與應(yīng)用的總體效果還不十分理想，不能對城市多氣源轉(zhuǎn)換過程提供技術(shù)指導(dǎo)。
為此，國內(nèi)多家科研單位針對上述問題展開了研究。2006年，在國家“十一五”科技支撐計劃項目中，推出了“城市燃氣氣源儲配及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”課題，提出進行“城市燃氣轉(zhuǎn)換理論與改造技術(shù)”的專題系統(tǒng)研究。
2.3 我國燃氣互換性研究進展
隨著燃氣燃燒設(shè)備的多樣化，更多高效率、低排放的燃燒設(shè)備進入家庭和企業(yè)，形成了不同燃燒方式(擴散式、大氣式、全預(yù)混式)共存的格局。氣源轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求、工程標準和質(zhì)量控制體系、不同氣源平衡利用、燃具適配多氣源轉(zhuǎn)換、等效試驗氣配制都是現(xiàn)實的技術(shù)問題。
2005年，國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(隸屬于中國市政工程華北設(shè)計研究總院)成立了燃氣多氣源互換性研究課題組(以下簡稱課題組)，基于“城市燃氣轉(zhuǎn)換理論與改造技術(shù)”專題，開展了多氣源城市燃氣互換性研究，取得了一系列成果，并于
主要研究內(nèi)容包括：建立各類氣源互換性測試模擬系統(tǒng)，研究各類氣源質(zhì)量及燃具適應(yīng)邊界條件，發(fā)展備用調(diào)峰氣源在已建系統(tǒng)中替代天然氣的工程轉(zhuǎn)換及燃具適應(yīng)性改造的實施對策與技術(shù)，氣源轉(zhuǎn)換評估技術(shù)體系。
主要成果為：提出了確定燃氣互換域和燃具適應(yīng)域的技術(shù)方法。提出了城市氣源配置與多氣源轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法，進行了工程實踐。建立了試驗氣配制與燃具適應(yīng)域測試技術(shù)與裝置，完成了一系列手工及自動化配氣設(shè)備的研發(fā)，取得了多項專利[11-16]。通過燃具適應(yīng)域的試驗測定，掌握和確定了我國典型燃具對不同氣源燃氣的適應(yīng)能力和適應(yīng)域，為燃具生產(chǎn)、設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)；可以形成城市內(nèi)最廣泛在用燃具的適應(yīng)域及不同類型燃具的共同適應(yīng)域，并借此形成確定的、量化的燃氣互換域，得到保證燃具正常工作的燃氣組成變化范圍，指導(dǎo)燃具產(chǎn)品的區(qū)域市場準入與城市氣源轉(zhuǎn)換實踐。
3 有關(guān)成果
3.1 燃燒特性指數(shù)的確定
①主要的燃燒特性指數(shù)
我國在1982年正式借鑒了法國德爾布燃氣互換性判定法，提出采用華白數(shù)、燃燒勢兩個燃燒特性指數(shù)分析和判定燃氣互換性。隨著研究的深入，發(fā)展到采用華白數(shù)、燃燒勢、黃焰、結(jié)炭等指標對燃氣互換性進行判定。
一般地，與燃氣互換性有關(guān)的主要燃燒特性指數(shù)為高熱值、相對密度、理論空氣量、火焰燃燒速度、華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)等。常規(guī)燃氣互換性配氣指數(shù)，主要有華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)等[6,17]。配制試驗氣的常用原料氣主要為CH4、H2、N2；C3H8(C4H8)、H2、N2；LPG、空氣等。
②燃燒特性指數(shù)的篩選
為了確定表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)，課題組建立了試驗裝置，選擇大氣式燃具(主要為家用燃氣灶具，包括嵌入式灶、臺式灶)，進行了燃燒工況測試。分別測量灶具在脫火、回火、C0超標時的燃氣組成，由此計算各極限情況下的燃燒特性指數(shù)。并根據(jù)華白數(shù)、高熱值、相對密度、火焰燃燒速度、燃燒勢等關(guān)鍵指數(shù)，繪制試驗數(shù)據(jù)圖形(直角坐標系)，確定表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)。
這里給出以1臺大氣式燃具(嵌入式灶)作為試驗對象的燃燒特性曲線，見圖l～4。由圖1～4可知，當(dāng)選擇華白數(shù)-高熱值、華白數(shù)-相對密度作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)時，各極限曲線不規(guī)則。當(dāng)選擇華白數(shù)-火焰燃燒速度作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)時，C0極限曲線較短。當(dāng)選擇華白數(shù)-燃燒勢作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)時，各條極限曲線均比較平滑。因此，將華白數(shù)、燃燒勢作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)是科學(xué)合理的。在i-C4H10、N2、H2三組分試驗氣全域區(qū)間內(nèi)灶具對應(yīng)界限氣的華白數(shù)-燃燒勢曲線見圖5。
③基本配氣區(qū)間分布
由于城市氣源的多樣性和復(fù)雜性，在燃氣供應(yīng)與應(yīng)用、燃具生產(chǎn)與調(diào)節(jié)、燃氣燃燒測試等環(huán)節(jié)中，不可能具備各種氣源，因此要用到等效試驗氣。為保證試驗氣具有與基準氣相同的化學(xué)性質(zhì)、熱工性能，須對試驗氣的配制過程進行控制，對配制方法進行研究和設(shè)計，以獲得與基準氣等效的試驗氣。
基于互換性原理進行的試驗氣配制，一般將甲烷、H2、N2三組分、丙(丁)烷、H2、N2三組分作為原料氣，控制試驗氣的華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)等關(guān)鍵燃燒特性指數(shù)與基準氣相等，并進行以華白數(shù)、燃燒勢為主要控制指標的配制設(shè)計[7]，建立配制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、N2三組分為原料氣，在以華白數(shù)、燃燒勢為變量的直角坐標系中形成的配氣區(qū)間見圖6。由圖6可知，各組原料氣形成的配氣區(qū)間邊界線并不全為直線，任兩種可燃氣體形成的配氣邊界線為指數(shù)曲線，而N2與H2、N2與另一種烷烴可燃氣體形成的配氣邊界線為直線。
研究發(fā)現(xiàn)，基于互換性原理，控制華白數(shù)、燃燒勢等燃燒特性指數(shù)配制的試驗氣，應(yīng)用在大氣式燃具上可獲得較好的燃燒性能。但是應(yīng)用于全預(yù)混式燃具上，燃燒效果和排放指標差別較大。全預(yù)混燃燒方式主要應(yīng)用于家用冷凝式燃氣熱水器、工業(yè)窯爐、燃氣輪機、燃氣內(nèi)燃機等燃具及用氣設(shè)備中，用氣量較大。隨著全預(yù)混式燃具的市場份額日漸增加，與大氣式燃具適應(yīng)性相關(guān)的燃燒特性指數(shù)，是否可以應(yīng)用于全預(yù)混式燃具，是亟待探究的技術(shù)問題。課題組正在進行全預(yù)混式燃具的相關(guān)研究，并獲得了一定進展。
3.2 城市氣源配置與多氣源轉(zhuǎn)換方法
城市氣源的配置與在用燃具的燃燒性能直接相關(guān)，民用、工業(yè)、商業(yè)等各種燃氣用戶對燃氣質(zhì)量有不同的要求，由于燃燒工藝和燃燒方式不同，各種燃具對燃氣組成變化的容忍度也不相同。課題組采用燃氣互換性理論分析與燃具及用氣設(shè)備燃燒測試相結(jié)合的技術(shù)路線，提出廠城市多氣源互換性與燃具適應(yīng)性相匹配，并以經(jīng)濟合理為指導(dǎo)原則的城市基準氣的確定方法，拓展了燃氣互換性理論應(yīng)用范圍，為解決城市迎接西氣東輸二、三線及其他新氣源的燃具適應(yīng)性問題，提供了指導(dǎo)思想和技術(shù)方案。
課題組在進行城市燃氣氣源配置與多氣源轉(zhuǎn)換方法研究時，將燃氣利用領(lǐng)域擴展至對燃氣質(zhì)量要求更為嚴格的燃氣電廠，針對城市內(nèi)居民、工業(yè)、商業(yè)用戶，特別是燃氣電廠、燃氣汽車等燃氣用戶，根據(jù)燃燒工藝特點以及用戶對燃氣質(zhì)量要求，建立了有區(qū)別的氣源應(yīng)用、轉(zhuǎn)換、調(diào)度及配置方案和方法。對多氣源供應(yīng)方式、摻混可行性、同網(wǎng)運行穩(wěn)定性進行了基本研究，提出了可行的基準氣組成和波動范圍。對各種用戶，分別研究了多氣源條件下的燃氣互換性。分析并提出了保證燃氣管網(wǎng)穩(wěn)定運行的技術(shù)路線和對策，為政府和企業(yè)選擇基準氣源、備用調(diào)峰氣源提供技術(shù)依據(jù)。在以上研究的基礎(chǔ)上，進行了相關(guān)工程實踐應(yīng)用。
3.3 試驗氣配制與燃具適應(yīng)性試驗裝置
課題組從燃具燃燒安全、節(jié)能高效、煙氣排放等控制指標出發(fā)，對現(xiàn)行燃氣分類和燃具產(chǎn)品標準進行了發(fā)展和延伸，提出通過試驗測定方法，確定燃具適應(yīng)域。研發(fā)了高精度、多指數(shù)、可量化的測試試驗裝置及相關(guān)軟件，使得燃具適應(yīng)性研究結(jié)果更貼近燃具實際運行狀況，填補了燃具燃燒特性無法量化測試、無檢測試驗平臺的技術(shù)空白。對行業(yè)檢測標準的發(fā)展和燃具生產(chǎn)裝備工藝技術(shù)的提高，以及產(chǎn)品質(zhì)量的提升起到了重要作用。
在深入研究燃氣互換性理淪的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前行業(yè)通用的試驗氣“華白數(shù)、燃燒勢兩指數(shù)”控制方法進行了擴展，通過大量試驗，提出了試驗氣“多組分、多指數(shù)”控制方法(如以“華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)三指數(shù)”為代表的控制方法)。“多組分、多指數(shù)”試驗氣配制技術(shù)成果已經(jīng)成功推廣應(yīng)用到行業(yè)知名企業(yè)，為行業(yè)發(fā)展起到了引領(lǐng)和示范作用，相關(guān)研究成果已多次在全國行業(yè)會議上交流[18-21]。試驗氣配制與燃具適應(yīng)性試驗裝置已經(jīng)投放國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心使用，第二、三代試驗樣機分別見圖7、8。
3.4 多氣源共同互換域的確定
課題組探索形成了完整的試驗測定城市多氣源“共同互換域”的方法和技術(shù)路線，形成了量化、科學(xué)的城市多氣源互換性測試技術(shù)。5種常用大氣式燃具在i-C4H10、H2、N2三組分試驗氣全域區(qū)間中的共同適應(yīng)域(即多氣源的共同互換域，圖9中陰影部分)，以及4種超出多氣源共同互換域的氣源見圖9.
當(dāng)城市具有多種氣源可以選擇時，通常應(yīng)選擇燃氣組成和燃燒特性指數(shù)與城市基準氣最接近的一種或幾種。需要考慮的主要因素包括：燃氣中甲烷含量、惰性氣體含量、重?zé)N含量、華白數(shù)、燃燒勢、黃焰指數(shù)、相對密度、高熱值、火焰燃燒速度等。由于城市內(nèi)具有多種燃具，不同燃具對燃氣質(zhì)量的要求并不一致。若根據(jù)對燃氣質(zhì)量要求最嚴格的燃氣用戶確定燃氣互換域，將使城市內(nèi)的燃氣組成最穩(wěn)定，變化幅度最小，運營成本將升高甚至最高。而根據(jù)數(shù)量和影響面最廣的燃氣用戶(如居民用戶)對燃具適應(yīng)性的要求確定燃氣互換域時，燃氣組成可在一定范圍內(nèi)波動，可能會引起少數(shù)對燃氣質(zhì)量要求較嚴格的用戶所使用的燃具及用氣設(shè)備燃燒不穩(wěn)定，但運行成本將降低甚至最低。這需要因地制宜、科學(xué)選取和慎重分析。
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、備用調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性進行科學(xué)研究，確定城市基準氣組成和波動范圍，合理選定表征不同燃燒方式燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)。燃氣企業(yè)宜根據(jù)不同氣源，對所能承受的風(fēng)險和綜合運營成本進行客觀、全面分析，在能夠承受的風(fēng)險范圍內(nèi)，選擇合適的燃氣基準氣和允許的變化范圍，形成本城市或本地域內(nèi)的“燃氣互換性組分數(shù)據(jù)圖譜”，以合理地進行城市燃氣氣源配置和多氣源互換性的研究和實踐。
城市燃氣互換性研究的具體技術(shù)路線一般為：對多氣源互換性的方法進行研究；合理劃分燃氣用戶類型；選擇典型城市燃具試驗樣本；基于燃具類型和燃燒方式，確定適用的燃燒特性指數(shù)；進行燃具適應(yīng)性測試；根據(jù)燃具共同適應(yīng)域，確定城市燃氣的共同互換域；進行研究方案技術(shù)經(jīng)濟性分析與評價，合理劃分燃氣基準組分與波動范圍；選擇管網(wǎng)調(diào)度、氣源配置優(yōu)化方案，確定備用調(diào)峰氣源等。
4 結(jié)論
近年來，我國在城市燃氣互換性方面進行了很多有益的研究和探索，取得了一些科研成果。主要通過對燃氣互換性和燃具適應(yīng)性兩個方而進行了試驗和理論研究。核心成果包括：確定表征大氣式燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)及試驗氣配氣區(qū)間。提出城市氣源配置與多氣源轉(zhuǎn)換方法。建立試驗氣配制及燃具適應(yīng)性試驗裝置。建立確定多氣源共同互換域的技術(shù)方法。建立兼顧技術(shù)經(jīng)濟性的城市多氣源配置與互換性的研究思路。
隨著燃具的多樣化和燃燒方式的改進，還需要合理選擇燃氣互換性研究的技術(shù)參數(shù)、控制指標，并進行大量的試驗研究和技術(shù)論證，以建立完整、科學(xué)的城市燃氣多氣源互換性體系。
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本文作者：王啟高文學(xué) 趙自軍 羅勤 周理
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