摘要：一次空氣系數(shù)是考慮燃氣互換性時的一個重要指標(biāo)。目前的計算方法僅僅考慮一次空氣系數(shù)與燃氣的華白數(shù)成反比，對該計算方法所帶來的系統(tǒng)誤差沒有分析。根據(jù)大氣式燃燒器的自動調(diào)節(jié)特性，從理論上推導(dǎo)了大氣式燃燒器在燃氣性質(zhì)改變時一次空氣系數(shù)的計算公式，推導(dǎo)了一次空氣系數(shù)與燃氣華白數(shù)的關(guān)系，通過具體案例分析了公式的誤差范圍。
關(guān)鍵詞：燃氣互換性；大氣式燃燒器；一次空氣系數(shù)；華白數(shù)
Variation of Primary Air Ratio in Atmospheric Burner during Gas Interchange
HE Yifei，XIE Donglai，SONG Di
Abstract：The primary air ratio is a key index for gas interchangeability.In the current calculation methods，the primary air ratio is inversely proportional to Wobbe number，which lacks error analysis.Based on the self-adjustment property of atmospheric burner，the calculation formula of the primary air ratio during change of gas nature is theoretically derived，and the relationship between the primary air ratio and the Wobbe number is further developed.The error range of the formula is analyzed by a typical case.
Key words：gas interchangeability；atmospheric burner；primary air ratio；Wobbe number
1 概述
我國目前天然氣工業(yè)發(fā)展比較迅速，氣源種類繁多，有國產(chǎn)的氣田氣、石油伴生氣、煤層氣和液化天然氣，也有進口的液化天然氣和管輸天然氣，其組成和燃燒特性存在較大差異。從終端用戶來看，除傳統(tǒng)的居民及商業(yè)用戶外，增加了大量工業(yè)用戶、汽車用戶、發(fā)電用戶及非燃料用戶等。組成不穩(wěn)定的氣源與要求相對穩(wěn)定的用戶之間的矛盾在我國部分城市已經(jīng)出現(xiàn)，今后將會在更多的城市出現(xiàn)，因此，需要立即開展互換性研究工作[1]。
文獻[2]介紹了互換性要求和分類指標(biāo)的形成，對界限氣的規(guī)定進行了探討，指出：分類標(biāo)準(zhǔn)不能用來確定燃氣的互換范圍；盲目采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)對我國是無益而有害的；燃氣質(zhì)量中的互換性問題，需要根據(jù)國情開展研究工作，吸取國外有益的成果。
文獻[3]介紹了美國國家天然氣委員會對LNG和管道天然氣互換性的研究成果。文獻[4]介紹了天然氣互換性的定義和表征參數(shù)，探討了目前美國、歐洲天然氣氣質(zhì)及其互換性研究進展，結(jié)合我國天然氣發(fā)展趨勢，闡述了開展我國天然氣互換性研究的重要意義。文獻[5]以廣州市的天然氣和原人工煤氣的互換性判定為例，計算、驗證了若只需單純判定兩種燃氣能否互換，選用I指數(shù)判定法比圖形判定法更方便。文獻[6]介紹了燃氣互換性的有關(guān)要求及判斷方法，應(yīng)用華白數(shù)及國際上常用的A.G.A互換性判斷法，對進口LNG與陜京一線、陜京二線天然氣進行互換性計算。
在考慮燃氣的互換性時，一般是針對采用常壓吸氣低壓引射器的大氣式燃燒器的民用燃具的互換性[7]205[8～12]。某一燃具運行好壞取決于燃氣的燃燒特性(以燃氣在灶具上燃燒時的離焰極限、回火極限、C0極限和黃焰極限為代表)、火孔熱強度、一次空氣系數(shù)。一次空氣系數(shù)定義為一次空氣量與理論空氣需要量的比值[13]。一次空氣系數(shù)影響到燃具的效率、完全燃燒程度、火焰內(nèi)錐高度和燃燒的穩(wěn)定性等，是考慮燃氣互換性時的一個重要指標(biāo)[2][7]213[14]。
在分析燃氣的互換性時，不能離開一次空氣量來討論燃燒的穩(wěn)定性。當(dāng)燃氣性質(zhì)改變時，除了引起燃燒器熱負荷改變外，還會引起燃燒器一次空氣系數(shù)的改變。關(guān)于燃氣性質(zhì)的變化引起的燃燒器所能引射的一次空氣量的變化，目前很少有文獻涉及。文獻[7]207指出大氣式燃燒器中，一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成反比，即：
式中α1——一次空氣系數(shù)
K——比例常數(shù)，MJ/m3
W——華白數(shù)，MJ/m3
其中華白數(shù)W的定義為：
式中Qh——燃氣高熱值，MJ/m3
d——燃氣的相對密度
其理由是，根據(jù)大氣式燃燒器引射器的特性，一次空氣系數(shù)α1與
成正比，與理論空氣需要量V0成反比，由于V0與Qh成正比，因此α1與Qh成反比，故一次空氣系數(shù)α1就與華白數(shù)W成反比。
成正比，與理論空氣需要量V0成反比，由于V0與Qh成正比，因此α1與Qh成反比，故一次空氣系數(shù)α1就與華白數(shù)W成反比。 在文獻[7]中，一次空氣系數(shù)α1與成正比這個論斷比較武斷，文中沒有給出詳細的公式推導(dǎo)。
成正比這個論斷比較武斷，文中沒有給出詳細的公式推導(dǎo)。根據(jù)式(1)可知，如果某燃具原用燃氣a，一次空氣系數(shù)為α1,a。換成燃氣b時該燃具的一次空氣系數(shù)為：
式中α1,b——換成燃氣b時燃具的一次空氣系數(shù)
Wa——原用燃氣a的華白數(shù)，MJ/m3
Wb——燃氣b的華白數(shù)，MJ/m3
α1,a——使用燃氣a時燃具的一次空氣系數(shù)
鑒于一次空氣系數(shù)在燃氣互換性分析中的重要性，有必要深入分析影響大氣式燃燒器一次空氣系數(shù)的因素，以及采用式(1)和(3)計算一次空氣系數(shù)時的誤差范圍。
2 大氣式燃燒器引射能力的理論分析
按低壓引射大氣式燃燒器的自動調(diào)節(jié)性能[7]，有：
(1+u)(1+ud)=C (4)
式中u——燃燒器的質(zhì)量引射系數(shù)
C——與燃具幾何參數(shù)有關(guān)的參數(shù)。燃具確定后，C為常數(shù)
其中，u的定義為：
式中qm,a——引射的空氣質(zhì)量流量，kg/h3
qm,g——燃氣的質(zhì)量流量kg/h3
根據(jù)u的定義可知：
ud=α1V0 (6)
式中V0——理論空氣需要量，m3/m3
由式(6)得：
將式(7)代入式(4)得：
整理得：
由上式可以解出(排除負值)：
由式(10)可以看出，大氣式燃燒器的一次空氣系數(shù)是理論空氣量及燃氣相對密度的函數(shù)，與華白數(shù)沒有直接的關(guān)系。燃氣熱值越高，燃燒所需要的理論空氣量越多，所以，可以近似認為V0與燃氣高熱值成正比阻[3～4,7]，即：
V0=cQh (11)
式中c——系數(shù)，m3/MJ
其中的C針對不同種類的燃氣有所不同[3～4,7]。將式(11)和(2)代入式(10)可得：
由式(12)可以看出，即使考慮V0與燃氣高熱值成正比，一次空氣系數(shù)也并非僅與燃氣的華白數(shù)成反比，還與燃氣的相對密度以及C有關(guān)。
令：
式中A——與燃氣相對密度以及C有關(guān)的參數(shù)
式(12)變形為：
如果在通常燃氣相對密度的范圍及大氣式燃燒器常數(shù)C的范圍內(nèi)，A大約為定值，且C也為定值，則式(14)可轉(zhuǎn)換為式(1)，即式(1)和(3)在此條件下可以成立。
對于常用的城市燃氣氣源，人工煤氣的相對密度一般為0.3～0.55，天然氣的相對密度為0.5～0.8，液化石油氣的相對密度為1.9～2.0，與燃具幾何參數(shù)有關(guān)的常數(shù)C一般為65～80。當(dāng)燃氣相對密度為[0.3，0.8]及[1.9，2.0]，考慮常數(shù)C=65，70，75，80四種情況，繪制A與d的關(guān)系曲線，見圖1?？梢钥闯?，在所考慮的范圍內(nèi)，A并非為一定值，而是隨著相對密度的增大而有所變化。因此，利用式(1)和(3)來計算一次空氣系數(shù)，必然會引起計算誤差。
3 式(1)和(3)的誤差案例分析
在以上所推導(dǎo)的計算一次空氣系數(shù)的公式中，式(10)的適用條件為低壓大氣式燃燒器，式(12)的適用條件為低壓大氣式燃燒器及燃氣理論空氣量與燃氣熱值成正比。式(1)和(3)的適用條件為低壓大氣式燃燒器、燃氣理論空氣量與燃氣熱值成正比及參數(shù)A為常數(shù)。式(10)的適用條件最寬松，計算結(jié)果應(yīng)最為準(zhǔn)確，式(12)次之，式(3)導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差可能最大。
設(shè)某燃具原用燃氣a，高熱值Qh=40.07MJ/m3，相對密度d=0.58，理論空氣量V0=9.6m3/m3，華白數(shù)W=52.8MJ/m3，一次空氣系數(shù)α1,a=0.60。通過式(4)和(7)計算可知，該燃具燃燒器的常數(shù)C=73.89。而后改用表1所列其他產(chǎn)地的燃氣(LNG及氣田天然氣的性質(zhì)取自文獻[15]，其余取自文獻[7]附錄1)，則通過式(10)、(12)、(3)可分別計算出該燃具的一次空氣系數(shù)，見表1。對于LNG和氣田天然氣，式(12)中的C取0.24m3/MJ，因文獻中沒有適用于液化石油氣和人工煤氣的C值，故對人工煤氣和液化石油氣未計算式(12)的相關(guān)數(shù)據(jù)。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對于與原燃用的燃氣性質(zhì)相近的LNG或氣田天然氣，式(12)和(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比式(10)計算的結(jié)果高出5%左右；對于與原燃用燃氣不同類的人工煤氣，式(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比式(10)計算的結(jié)果低5%～11%。對于液化石油氣，式(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比式(10)計算的結(jié)果低1%～4%。需要指出的是，以上數(shù)據(jù)僅為案例分析，并不代表其他案例也會得出相同的數(shù)據(jù)。另外，案例分析中選擇了人工煤氣和液化石油氣作分析對象，并不代表這兩類氣體可以和天然氣進行互換，此處僅僅考慮式(3)所能引起的系統(tǒng)誤差。
表1 式(10)、(12)、(3)計算所得一次空氣系數(shù)比較
|
燃氣種類(或產(chǎn)地)
|
Qh/(MJ·m-3)
|
相對密度d
|
W/(MJ·m-3)
|
V0/(m3·m-3)
|
一次空氣系數(shù)
|
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式(10)計算結(jié)果
|
式(12)
|
式(3)
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||||||||
|
計算結(jié)果
|
相對誤差/%
|
計算結(jié)果
|
相對誤差/%
|
|||||||
|
LNG
|
海南
|
38.46
|
0.644
|
47.92
|
10.89
|
0.633
|
0.659
|
4.1
|
0.661
|
4.4
|
|
澳大利亞
|
42.13
|
0.630
|
53.O7
|
10.59
|
0.568
|
0.595
|
4.8
|
0.597
|
5.1
|
|
|
印尼
|
41.19
|
0.614
|
52.56
|
10.36
|
0.573
|
0.600
|
4.7
|
0.603
|
5.2
|
|
|
馬來西亞
|
42.32
|
0.635
|
53.O7
|
10.64
|
0.568
|
0.595
|
4.8
|
0.597
|
5.1
|
|
|
氣田天然氣
|
陜甘寧
|
37.49
|
0.588
|
48.86
|
9.44
|
0.615
|
0.645
|
4.9
|
0.648
|
5.4
|
|
塔里木
|
38.22
|
0.577
|
50.32
|
9.62
|
0.597
|
0.626
|
4.9
|
0.630
|
5.5
|
|
|
廣西北海
|
40.74
|
0.659
|
50.18
|
10.24
|
0.601
|
0.629
|
4.7
|
0.631
|
5.0
|
|
|
東海
|
38.22
|
0.609
|
48.95
|
9.62
|
0.614
|
0.644
|
4.9
|
0.647
|
5.4
|
|
|
成都
|
36.50
|
0.585
|
47.70
|
9.20
|
0.629
|
0.661
|
5.1
|
0.664
|
5.6
|
|
|
南海東方
|
30.74
|
0.652
|
38.06
|
7.73
|
0.792
|
0.829
|
4.7
|
0.832
|
5.1
|
|
|
渤海
|
37.03
|
0.652
|
45.84
|
9.32
|
0.657
|
0.689
|
4.9
|
0.691
|
5.2
|
|
|
人工煤氣
|
油催化制氣
|
18.47
|
0.415
|
28.65
|
3.89
|
1.245
|
—
|
—
|
1.106
|
-11.2
|
|
油熱裂化制氣
|
37.95
|
0.611
|
48.53
|
8.55
|
0.692
|
—
|
—
|
0.653
|
-5.6
|
|
|
焦?fàn)t煤氣
|
19.82
|
0.362
|
32.93
|
4.21
|
1.070
|
—
|
—
|
0.962
|
-10.1
|
|
|
LPG
|
北京
|
123.68
|
1.954
|
88.47
|
28.28
|
0.373
|
—
|
—
|
0.358
|
-4.00
|
|
大慶
|
113.78
|
1.954
|
87.48
|
28.94
|
0.365
|
—
|
—
|
0.362
|
-O.80
|
|
|
注：相對誤差為相對式(10)計算結(jié)果的值。
|
||||||||||
一次空氣系數(shù)與華白數(shù)的關(guān)系見圖2，可以看出按式(10)計算出的一次空氣系數(shù)與華白數(shù)近似成反比關(guān)系。欲準(zhǔn)確計算，還是應(yīng)該采用式(10)。
4 結(jié)論
一次空氣系數(shù)是考慮燃氣互換性時的一個重要指標(biāo)。目前的計算方法僅僅考慮一次空氣系數(shù)與燃氣的華白數(shù)成反比——公式(3)。通過本文的案例分析可以看出，對于與原燃用的燃氣性質(zhì)相近的LNG或氣田天然氣，公式(12)和公式(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比公式(10)計算的結(jié)果高出5%左右；對于與原燃用燃氣不同類的人工煤氣，公式(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比公式(10)計算的結(jié)果低5%～11%；對于液化石油氣，公式(3)所計算的一次空氣系數(shù)都比公式(10)計算的結(jié)果低1%～4%。
根據(jù)大氣式燃燒器的自動調(diào)節(jié)特性，從理論上推導(dǎo)了大氣式燃燒器在燃氣性質(zhì)改變時一次空氣系數(shù)的變化公式——公式(10)，并推導(dǎo)了其與燃氣華白數(shù)的確切關(guān)系——公式(12)，且分析了在何種情況下公式(12)可以轉(zhuǎn)換為公式(3)。在進行燃氣互換性分析時，可采用公式(10)較精確地計算一次空氣系數(shù)隨燃氣性質(zhì)變化的關(guān)系。
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(本文作者：何奕霏 解東來 宋迪 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣東廣州 510640)
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