摘 要：美國燃氣協(xié)會(A.G.A)的燃氣互換性公式即美IN燃氣協(xié)會36號研究公報發(fā)表的公式，在我國的許多參考書中早已有所介紹，但至今未看到這些公式的理論基礎(chǔ)、假設(shè)和形成的詳細資料。根據(jù)計算結(jié)果，判定兩種燃氣能否互換時，公告原文本分成兩類，即最佳值(Preferable)和不良值(oloiectionable)，無中間擋。我國有的文獻（9）中分成合適、勉強和不合適3擋，但未說明“勉強”擋的出處和準確的內(nèi)涵。范圍的判定標準對這一方法的應(yīng)用關(guān)系極大。從原文看，“中間擋”已突破了最初的理論假設(shè)條件，是在做燃具應(yīng)用試驗中出現(xiàn)的一些可允許情況，與原始的調(diào)定方法有關(guān)，是專對補充燃氣而言，且并無“勉強”之意。本文引用了原文中的論述，可作進一步的研究。
在已知所有的燃氣互換性方法中，只有美國燃氣協(xié)會的36號公告和韋弗法采用了數(shù)學公式分析的方法，曾做了大量的試驗，內(nèi)容十分豐富，可看到的資料也比較完整。本文盡可能的對36號公告法的試驗結(jié)果作介紹，以加深對其研究思路的理解。對認識當前新形勢下燃氣互換性的問題也會衣歐幫助。
1概述
1.1前提
在已知的燃氣互換性方法中，均以民用大氣式燃燒器為主。各國的研究都是以本國可能遇到的燃氣組分變化狀況為基礎(chǔ)。從單一指數(shù)、發(fā)展到多指數(shù)法、圖解法和其他方法等。采用的手段都是通過實驗。由于燃氣燃燒過程的復(fù)雜性，至今對一些燃燒機理或原理的分析還是以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。由于試驗所采用的狀態(tài)條件也不完全相同，所得數(shù)據(jù)也有差異。至今雖有國際標準作依據(jù)，但在燃氣界至今仍未統(tǒng)一。最簡單的如燃氣的熱值就是一例。同一燃氣在各國采用不同的狀態(tài)標準，比較時需要換算，我國也不例外。
預(yù)測燃氣互換性的方法雖多，必須首先弄清每一方法產(chǎn)生的國情狀況，形成的過程，方法的特點、使用的條件和應(yīng)用范圍等；其次，應(yīng)結(jié)合本國情況，繼續(xù)開展實驗研究，才能從根本上解決問題。
美國在天然氣的發(fā)展中形成了3類基礎(chǔ)負荷天然氣?；A(chǔ)負荷氣定義為滿足民用、商業(yè)和工業(yè)使用，其日負荷變化不大的那部分燃氣。基礎(chǔ)負荷氣不包括隨室外溫度變化而負荷變化很大的那部分燃氣。調(diào)峰用的燃氣則稱為補充燃氣。下面3類天然氣常作為全國各類燃氣的調(diào)定氣(或調(diào)節(jié)氣)，即：
(1)高熱值天然氣(熱值為41.54MJ/m3或1115Btu/cf，相對密度為0.64，燃燒的理論空氣量為10.575m3/m3，組分為CH4—83％；C2H6—16.0％；C02一0.5％：N2一0.5％。沃泊指數(shù)為51.93MJ/m3。)。
(2)高甲烷天然氣(熱值為35.73MJ/m3或959Btu/cf，相對密度為0.558，燃燒的理論空氣量為9.0m3/m3。組分為：CH4—94.5％，惰性氣體一5.5％，沃泊指數(shù)為47.83MJ/m3)。
(3)高惰性氣體(含量)天然氣(熱值為37.26MJ/m3，或l000Bm/cf，相對密度為0.693，燃燒的理論空氣量為9.37m3/m3。組分為：CH4一71.4％，C2H6—14.0％，C3H8—1.0％，C02—0.5％，N2—13.1％，沃泊指數(shù)為44.76MJ/m3)。(狀態(tài)參數(shù)為溫度60F，約為15.5℃；壓力30英寸汞柱，約為1.013×10SPa；沃泊指數(shù)值為筆者所加)。
1.2補充燃氣
互換性研究的目的是在高峰負荷時作為補充燃氣使用(置換)的可互換性。在當時條件下，研究所及的補充燃氣有：
(1)兩種熱值的增碳水煤氣，以及它與不同比例基礎(chǔ)負荷氣摻混的混合燃氣。
(2)兩種熱值的焦爐氣，以及它與不同比例基礎(chǔ)負荷氣摻混的混合燃氣。
(3)不同比例的丁烷氣和不同比例的發(fā)生爐氣摻混的混合燃氣。
(4)不同比例的丁烷氣與不同比例的丁烷改制氣的混合氣，以及它與基本負荷氣的混合氣。
(5)不同比例的丁烷氣與不同比例水煤氣的混合氣，以及它與基本負荷氣的混合氣。
(6)上述3種不同的比例基本負荷氣互混的混合氣。
從上述可能混配的置換氣方案看，理論上有無限多個，但實際上受能否互換的條件所限，數(shù)量可大大減少，但試驗規(guī)模仍然很大。
1.3研究方法
采用一種或幾種精密燃燒器，可在一定的工況條件下(壓力、人力(負荷)、一次空氣量和效率等)用儀器迅速測出極端條件(Extremeeondition)下的數(shù)據(jù)。所謂極端條件是指發(fā)生離焰、黃焰端(Yellowtips)和回火等時的一次空氣量和選定的熱人力值。離焰、黃焰端和回火是穩(wěn)定火焰的3個基本條件，但判定應(yīng)遵循嚴格的規(guī)范標準[2]，[3]，[6]，例如將火焰從黃焰端到離焰分成ll個等：+5級為離焰(極端)，有≥25％的火孔離焰。一5級為黃焰端，火焰的外焰端明顯有淺黃色，火焰撞擊時有積碳形成等，文獻6還有圖示。甚至還有判別黃焰端和空氣中塵埃引起黃焰端的方法或眼鏡等，并伴有照相記錄。
由于影響火焰穩(wěn)定性的因素很多，除一次空氣量、燃氣的燃燒速度、火孔負荷(Portloading)外，還有火孔大小和火孔深度等一些影響燃燒速度的因素等。在美國介紹大氣式燃燒器的設(shè)計方法時深入的做了研究，有許多應(yīng)遵循的圖表數(shù)據(jù)[2],[4]。這些數(shù)據(jù)都影響著美國互換性研究的方法。美國的互換性圖以一次空氣系數(shù)為縱坐標，以火孔負荷(Portloading)為橫坐標，火孔負荷定義為[6]：
公式：
公式：
也即火孔負荷為單位火孔面積的熱輸出量，或稱作火孔熱強度，單位為MJ/h·mm2(Btu/h·in2)。根據(jù)在精密燃燒器(Precisionburner)上對各種燃氣試驗所得的數(shù)據(jù)，按上述坐標體系可給出表達3種現(xiàn)象的曲線，即離焰、黃焰端和回火的極限特性曲線(CharacteristicLimitCurves)。這3條曲線就成為在一定工況下用來判斷兩種燃氣能否互換的邊界條件。研究工作的水平可用這些數(shù)據(jù)在試驗中的復(fù)現(xiàn)性表示。美國燃氣協(xié)會實驗室根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)整理成計算公式，作為一個燃氣互換性預(yù)測的必要條件，而非充分條件。充分條件則用置換氣與調(diào)定氣互換指數(shù)允許的偏差量來表示。這是由于用戶實際使用的燃具不同于精密燃燒器，又由于用戶燃具使用的所謂現(xiàn)場條件不同于實驗室，而且千差萬別，而真實用戶的真實使用條件才是預(yù)測燃氣能否互換的根本依據(jù)。如圖1[4]和圖2所示[2]。
圖1中的中間范圍即燃具的設(shè)計范圍(DesighArea)，也即滿意的運行范圍(SatisfactoryoperatingArea)。圖2中的⑤表示標準調(diào)定線。極限值相當于金屬材料試驗中的屈服極限，滿意的運行范圍或標準
調(diào)定線相當于材料的許用應(yīng)力，這一范圍即燃具的互換范圍。有的國家表示不完全燃燒的黃焰端的互換范圍常取極限值的1/2。美國規(guī)定一個新型燃具出廠時必須附有類似圖1中的滿意運行范圍區(qū)。文獻4并指出這也是評價燃具適應(yīng)性(Flexibility)的依據(jù)，其中人力和效率是最基本的質(zhì)量要求，因為每種置換氣一經(jīng)確定后都有很長的使用時間。
2互換性預(yù)測岡素的選擇原理
為研究和開發(fā)燃氣互換性的求解公式，首先注意到的是燃氣的化學組分對燃氣燃燒特性的影響，特別是對著火速度或火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。各單一燃氣的著火速度與一次空氣百分數(shù)的關(guān)系，在各種書籍中均有介紹。速燃氣體的組分，如H2，大大的加速了火焰的傳播，易于發(fā)生回火的趨勢和熄火時的噪聲；緩燃氣體的組分，如CH4，雖也有少量的回火趨勢，但更易發(fā)生離焰現(xiàn)象。
圖3所示為不同燃氣的著火速度與一次空氣百分數(shù)的關(guān)系曲線，如與單一氣體的曲線相比可看出其火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾迪喈斀咏?，但并不發(fā)生在相同的一次空氣百分數(shù)值時。假設(shè)一個使用天然氣的燃燒器按一次空氣系數(shù)為65％調(diào)定(由圖3可知，曲線所示的著火速度約為9cm/s)，然后改燒熱值為l400Btu/cf(52.16MJ/m3)的丁烷一空氣混合氣，則一次空氣百分數(shù)很快上升到80％，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到29cm/s[5]，后果是發(fā)生了回火。
由于上述現(xiàn)象，在美國燃氣協(xié)會導(dǎo)出的燃氣互換性公式都是以著火速度作為基礎(chǔ)，在研究中也積累了大量的不同燃氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)據(jù)。但不久就發(fā)現(xiàn)，如再按上述思路，已不能對開發(fā)新的公式提供可靠的基礎(chǔ)[5]。從美國大量的燃燒器設(shè)計經(jīng)驗來看，還有許多影響因素必須考慮到。如對5種不同火孔孔徑的燃燒器用同一燃氣進行試驗，試驗中保持一次空氣百分數(shù)和燃氣的流量為常值，就得到了5種不同的火焰速度。如火孔的孔徑和一次空氣百分數(shù)保持不變，又發(fā)現(xiàn)燃氣的流量也有變化[5]。這些在燃燒器設(shè)計中常遇到的問題使人們也意識到，要清晰的描述不同燃氣燃燒速度的實際意義，必然會聯(lián)系到燃具的運行特性所受離焰極限曲線特性的影響。因此，研究中直接應(yīng)用這一類與火焰穩(wěn)定性有關(guān)的特|生曲線，與應(yīng)用著火速度曲線相比，其優(yōu)點是更易于測量和獲得，且試驗中的復(fù)現(xiàn)性更好。也說明用火焰特性的極限曲線作為互換性研究的基礎(chǔ)，比單純用著火速度更具有實踐意義。
在采用含有液化石油氣和不飽和烴的高熱值燃氣作為天然氣的置換氣時，還須要引進一個極限值，即代表黃焰端出現(xiàn)的一個指標。黃焰端的極限曲線是比較燃氣燃燒特性的又一個基礎(chǔ)因素。于是，必須從離焰和黃焰端的極限特性研究中獲得所需的大量數(shù)據(jù)：如一個燃燒器在已知的火孔負荷下運行，可將其一次空氣的調(diào)節(jié)器(俗稱風門)逐漸開啟至發(fā)生離焰狀態(tài)的一個點位；當逐漸關(guān)閉調(diào)節(jié)器，又可找出產(chǎn)生黃焰端的另一個點位。這是在同一火孔負荷下產(chǎn)生的兩種現(xiàn)象。在火孔負荷相同時用空氣調(diào)節(jié)器改變一次空氣的引入量，也可保證在每一條件下，燃燒器頭部的溫度為常值（5）。
同樣，如用同一種燃氣在一個已定的燃燒器上對不同火孔負荷和已知燃燒器頭部溫度條件下進行運行試驗，就可得到該燃氣完整的離焰和黃焰端的極限特性曲線。同時也指明了發(fā)生離焰和黃焰端時相應(yīng)一次空氣百分數(shù)的最大值和最小值。
這樣所得的特性曲線只對應(yīng)選定的試驗燃燒器。如同一試驗燃燒器繼續(xù)采用不同燃燒特性的燃氣作試驗，就明顯的可看出其中的差別，并可做出比較[5]。用美國燃氣協(xié)會(A.G.A)的精密燃燒器所得前述高熱值天然氣和高惰性天然氣試驗得到的典型曲線可見.圖4.
A.G.A.精密燃燒器上試驗所得的曲線也適用于其它燃燒器和燃具，只要在替代時遵循采用與已知條件相同的比例(相同的一次空氣引入量、火孔負荷、溫度等參數(shù))，這樣處理后，所得特性曲線的意義也就更大。其實質(zhì)是，以前對一個已知燃燒器用統(tǒng)一燃氣運行所得的特性曲線，將來對燃燒器的調(diào)定要參照這些極限曲線時，應(yīng)預(yù)先作出所使用的燃燒器與獲得曲線的燃燒器相同的假設(shè)。這是從互換性角度出發(fā)研究這些特性曲線的重要前提。眾所周知，在已知溫度下，任何燃燒器的運行性能都是根據(jù)火孔負荷、燃燒器頭部的一次空氣百分數(shù)和燃氣的化學組分來控制的。燃氣的熱值和相對密度的變化用來表示燃燒器運行點的變化，而化學組分的變化則表示極限曲線本身所發(fā)生的變化。燃燒器的涮定應(yīng)使其運行點處于離焰、回火和黃焰端極限特性曲線內(nèi)的滿意運行范圍之內(nèi)。作為互換性的要求，代表燃燒器的調(diào)定點，在由一種燃氣置換另一種燃氣后，必須保持在置換氣的極限特性曲線范圍之內(nèi)?？梢钥闯?，即使在燃氣的組分只有極少的變化時也會發(fā)生不滿意的結(jié)果。在此以高熱值天然氣和高惰性天然氣的比較為例。在同一燃燒器上得到這兩種燃氣的離焰和黃焰端的極限特性曲線如圖4所示。實線A代表高熱值的天然氣(調(diào)定氣)，虛線S代表高惰性天然氣(置換氣)。
如前所述，本文是介紹美國燃氣互換性的求解公式，在此，先說明燃氣互換前后，火孔負荷和一次空氣系數(shù)發(fā)生變化的計算公式，以加深對這些公式應(yīng)用的理解。公式導(dǎo)出的過程則隨后有所論證。
這說明用高熱值天然氣調(diào)定后的燃燒器在改用高惰性天然氣置換后，其運行工作點x。已高于高惰性天然氣的離焰極限曲線值(見圖4中X1的位置)，會發(fā)生離焰。顯然，如調(diào)定點x置于調(diào)定氣的極限曲線上(一次空氣系數(shù)接近60％一見圖4)，則置換后的工作點X1將遠高于置換氣的離焰曲線(圖上未表示)，這一運行工況是完全不能接受的。在這一特殊的假設(shè)條件下，如燃燒器的調(diào)定是在同樣的火孔負荷下，但一次空氣系數(shù)略低于50％(約為42％，其工作點在圖4上用X1表示，則在用高惰性天然氣置換后，一次空氣百分數(shù)增加到PAx3=PAX2×1.1744=0.42×1.1744=0.4932即49.30％
即圖4中置換后的工作點X3，就不會遇到離焰情況。從燃燒器的設(shè)計要求來看，對一次空氣系數(shù)就有規(guī)定的要求。以上只是從離焰曲線論離焰，不能認為調(diào)整一次空氣系數(shù)就可解決燃氣的互換問題。
用高熱值燃氣與天然氣互換時產(chǎn)生的特殊問題是易于產(chǎn)生黃焰端的趨勢。如圖5所示，以高熱值天然氣A作調(diào)定氣，以30％的丁烷氣和70％的丁烷改制氣的混合物作置換氣S的互換性為例。置換氣的熱值為44.64MJ/m3或1198Btu/cf，相對密度為0.84，燃燒的空氣需要量為10.616，化學組成為H2一46.23％，C0—20.48％，CH4-一2.17％，C3H8—6.6％，C4H10一23.4％，C02—0.42，N2—0.7％，沃泊指數(shù)為48.70MJ/m3。
在以A氣調(diào)定時取火孔負荷為32.7kJ/h·mm2或20000Btu/h·in2，一次空氣系數(shù)為35％，在圖5中以點x表示。此點與A氣的離焰和黃焰端極限曲線相比較，處于調(diào)定氣的滿意運行范圍內(nèi)。用丁烷一改制丁烷氣的混合物作置換氣時，火孔負荷將降低，一次空氣量將增加，其運行點在圖5上用X1表示。
顯然，X1點落在丁烷一改制丁烷混合氣的黃焰端極限曲線的下部，即必然有黃焰端的產(chǎn)生。但是，如果燃燒器用A氣調(diào)定時，火孔負荷仍相同，但一次空氣百分數(shù)為50％，即圖中的工作點X2，置換后的工作點為X3，該點的火孔負荷同樣減少為30.7kJ/h·mm2.一次空氣系數(shù)增加至57％，表明無黃焰端產(chǎn)生。
PA3=PA2×1.14=0.5×1.14=0.57即57％
值得注意的是，按上所述，家庭用戶使用的燃具燃燒器就可能有無限多個調(diào)節(jié)方案，其中的一部分非常接近于離焰或黃焰端極限，多數(shù)燃燒器將有一定的適應(yīng)性，允許所供燃氣的組分有一些變化。其范圍應(yīng)采用可控燃燒器在現(xiàn)場使用置換氣的調(diào)節(jié)范罔，使之能代表實際的運行條件。這一范圍即圖1中所示的滿意運行范圍，也即設(shè)計范圍，如設(shè)計時必須達到的火孔負荷和效率要求等銘牌所規(guī)定的數(shù)據(jù)。文獻4還指出，這也是燃具對所供燃氣可能變化的適應(yīng)性范隔。
試驗表明，如改用置換氣后，在滿足上述要求條件下，已不再有燃燒器出現(xiàn)離焰、回火和黃焰端，就可認為這一置換氣已達到了滿意運行條件的期望要求，但仍有一個情況例外[5]，即當調(diào)定氣的一次空氣引入量，即空氣/燃氣比的因數(shù)根號d/h高于0.8時，需要減小風門的開度才能獲得滿意的運行條件，而改用置換氣時，又因一次空氣因數(shù)的減小可能發(fā)生不滿意的燃燒。實際上，不論調(diào)定氣的一次空氣因數(shù)小于或等于0.8，置換氣的一次因數(shù)等于或大于調(diào)定氣(參看后續(xù)的表8)，燃燒器在使用置換氣時均應(yīng)無黃焰端、離焰和回火來表達互換的程度。在后續(xù)的論述中將有深入的說明。
因此，用一種燃氣置換另一種燃氣時，用來預(yù)測燃具性能的公式應(yīng)包括下列因素：
(1)能說明由于燃氣熱值和相對密度的變化引起一次空氣量也變化的因素。
(2)能說明由于燃氣熱值和相對密度的變化引起燃燒器火孔負荷也變化的因素。
(3)能說明由于燃氣組分的變化引起燃燒器燃燒特性極限曲線的位置也發(fā)生變化的因素。
基于上述考慮，所導(dǎo)出的公式應(yīng)能預(yù)測民用燃燒器在根據(jù)一種天然氣調(diào)定后，置換使用其他任何燃氣時的運行特性。
所得的公式包括一個互換結(jié)果產(chǎn)生離焰，一個產(chǎn)生回火和一個產(chǎn)生黃焰端可能性的3個公式。使用這些公式時，需要已知兩種燃氣的化學組分(熱值和相對密度等)以及有關(guān)燃燒器設(shè)計和運行的知識。(未完待續(xù)，見下期)
本文作者：李猷嘉
作者單位：中國市政工程華北設(shè)計研究總院
