摘 要

摘要：綜述近年來(lái)中國(guó)在燃?xì)饣Q性研究方面取得的進(jìn)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(yàn)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(yàn)氣配

摘要：綜述近年來(lái)中國(guó)在燃?xì)饣Q性研究方面取得的進(jìn)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(yàn)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(yàn)氣配制及燃具適應(yīng)性試驗(yàn)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(jì)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?xì)猓?span lang="EN-US">  燃?xì)饣Q性；  燃具適應(yīng)性；  互換域；  適應(yīng)域；  試驗(yàn)氣配制

Research Progress in Interchangeability of Gases in China

Abstract: The progress in research on interchangeability of gases in China in recent years is summarized. The core results include determining the combustion characteristics indexes characterizing adaptability of atmospheric gas appliance and the experimental gas blending range，proposing the methods for city gas source configuration and multi-gas sources conversion，building the test equipment for experimental gas blending and adaptability of appliance，developing a technical method determining the multi-gas sources common interchange domain，and establishing a research idea considering technical and economic effectiveness in city multi-gas sources configuration and interchangeability.

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(guó)城市燃?xì)夤?yīng)總量及供氣管道規(guī)模中^[1]，人工煤氣供應(yīng)總量為279.9×10⁸ m³，管道長(zhǎng)度為38 877 km；天然氣供應(yīng)總量為487.6×10⁸ m³，管道長(zhǎng)度為256 429 km；液化石油氣供應(yīng)總量為0.1268×10⁸ t，管道長(zhǎng)度為l3 374 km。管道總長(zhǎng)度為30 868×10⁴ km，比2009年增加12.9%。燃?xì)馄占奥蕿?span lang="EN-US">92.04%，比2009年增加0.63%。城市用氣人口3.63×10⁸人，比2009年增加5.5%^[1]。城市燃?xì)庹幵谝粋€(gè)大發(fā)展時(shí)期，以人工煤氣、液化石油氣作為主要?dú)庠吹木置?，已?jīng)隨著天然氣在城市燃?xì)庵械难杆僭鲩L(zhǎng)，發(fā)生重大轉(zhuǎn)變^[2]。

中國(guó)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(diǎn)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(guó)管道相連。到2020年，將形成國(guó)產(chǎn)氣管道、進(jìn)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(shí)現(xiàn)全國(guó)天然氣聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)。隨著全國(guó)不同氣田天然氣長(zhǎng)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(cè)，到2015年，中國(guó)天然氣消費(fèi)量將達(dá)到2 400×10⁸ m³。2015年缺口為(500～600)×10⁸ m³，2020年缺l5將達(dá)到900×10⁸ m³。清潔能源的大規(guī)模利用和節(jié)能減排的客觀要求，加劇了天然氣的消耗，用氣緊張現(xiàn)象在全國(guó)多次出現(xiàn)，為保障供氣安全，亟待引入多種備用和調(diào)峰氣源，由此引發(fā)了廣大學(xué)者對(duì)氣源轉(zhuǎn)換、燃?xì)饣Q性、燃具適應(yīng)性的深入研究。

隨著天然氣的快速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)獾墓?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(wèn)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(jì)、快速地進(jìn)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(wèn)題中，較為突出的是燃?xì)饣Q性、燃具適應(yīng)性、能源供應(yīng)的安全性、燃具運(yùn)行效率與節(jié)約用氣等問(wèn)題。其中，在多氣源格局下，進(jìn)行城市氣源配置和轉(zhuǎn)換，并最大限度地保障燃?xì)庥脩羝椒€(wěn)、安全用氣，是當(dāng)前燃?xì)庑袠I(yè)一直存在的技術(shù)難題。因此，開展城市燃?xì)饣Q性理論與應(yīng)用技術(shù)的研究工作，對(duì)氣源轉(zhuǎn)換和節(jié)能減排具有重要的理論和實(shí)際意義。

在中國(guó)，燃?xì)馊紵龖?yīng)用的領(lǐng)域主要是居民用氣、工業(yè)燃料、燃?xì)饪照{(diào)、燃?xì)馄嚒⑷細(xì)獍l(fā)電。燃具主要有家用燃具、燃?xì)夤I(yè)爐、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等^[3]。美國(guó)燃?xì)饣Q性研究工作組(由美國(guó)國(guó)家天然氣委員會(huì)NGC牽頭，聯(lián)合LNG、天然氣管道、城市燃?xì)?、發(fā)電、化工、燃?xì)庠O(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(jī)構(gòu)組成的工作組，簡(jiǎn)稱NGC+)將燃具進(jìn)行了如下分類：一般燃?xì)馊紵O(shè)備；工業(yè)鍋爐、窯爐和工藝加熱裝置；往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)(包括天然氣汽車)；燃?xì)廨啓C(jī)；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?xì)饨M成變化的能力不同，特別是城市在用燃具。當(dāng)燃?xì)饨M成變化較大時(shí)，易對(duì)燃具的正常運(yùn)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(guó)應(yīng)用的主要天然氣燃燒特性指數(shù)(15℃、l01.325kPa、干氣)及類別見(jiàn)表1^[5-6]。文中的華白數(shù)，均指高華白數(shù)。

 

 

 

2燃?xì)饣Q性研究概況

2.1  國(guó)際研究概況

美國(guó)燃?xì)饣Q性研究工作組對(duì)燃?xì)饣Q性的定義是：在不明顯影響燃具運(yùn)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?xì)馓娲硪环N燃?xì)獾哪芰Α＿@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(yùn)行安全、高效節(jié)能、污染物排放量的控制出發(fā)，對(duì)燃?xì)饣Q性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

長(zhǎng)期以來(lái)，應(yīng)用最廣泛的燃?xì)饣Q性判定方法為法國(guó)的德?tīng)柌既細(xì)饣Q性判定法、英國(guó)的達(dá)頓圖形判定法、美國(guó)的A.G.A多元指數(shù)判定法和由此發(fā)展出來(lái)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(jì)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?xì)饽茉唇灰缀侠砘瘏f(xié)會(huì)(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(duì)密度這3個(gè)燃燒特性指數(shù)中的任意兩個(gè)，定義了燃?xì)獾幕Q域，并給出了華白數(shù)的上限值和下限值^[7]。2005年2月，美國(guó)燃?xì)饣Q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?xì)饣Q性研究方法的不足，討論了“擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域后的”天然氣互換性研究方法，提出更為實(shí)用的“工作區(qū)間”概念。

2.2我國(guó)研究概況

自20世紀(jì)70年代始，我國(guó)城市燃?xì)庥腥斯っ簹狻⑻烊粴?、液化石油氣等氣源并存。根?jù)燃?xì)饣Q性研究工作的需要，城市煤氣設(shè)計(jì)規(guī)范管理組于1980年12月，在上海同濟(jì)大學(xué)，將上海、沈陽(yáng)兩地常用的家用燃?xì)庠钭鳛樵囼?yàn)對(duì)象，對(duì)燃?xì)饣Q性及燃具適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋求華白數(shù)、燃燒勢(shì)的允許波動(dòng)范圍。l982年2月，家用煤氣灶標(biāo)準(zhǔn)編寫組完成了《國(guó)內(nèi)典型家用煤氣灶燃燒穩(wěn)定性》報(bào)告，通過(guò)配制試驗(yàn)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?xì)庠畹狞S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(shì)波動(dòng)范圍，為制定城市燃?xì)赓|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、城市燃?xì)夥诸惡腿季咴囼?yàn)氣配制方法提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，1992年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T l361l-92《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸悺?，?guī)定了城市燃?xì)獾姆诸愒瓌t、指標(biāo)計(jì)算方法和指標(biāo)要求。目前與城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣疤匦杂嘘P(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要是GB l3611-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴贰?span lang="EN-US">GB l7820-2012《天然氣》等。在已出版的《燃?xì)鈾z測(cè)技術(shù)手冊(cè)》、《天然氣燃燒過(guò)程與應(yīng)用手冊(cè)》、《燃?xì)馊紵c應(yīng)用》、《煤氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》等專著中，均有與互換性相關(guān)的論述。

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(shí)踐及應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者及單位對(duì)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(jìn)行氣源轉(zhuǎn)換的工藝進(jìn)行了研究^[8-10]。雖然取得了一系列成果，但沒(méi)有形成完整的氣源轉(zhuǎn)換與燃?xì)饣Q性理論體系。燃具測(cè)試、燃燒性能隨使用年限的變化規(guī)律、燃具適應(yīng)性、燃?xì)饣Q性等研究處于起步階段，尚未形成完備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，互換性和試驗(yàn)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(duì)城市多氣源轉(zhuǎn)換過(guò)程提供技術(shù)指導(dǎo)。

為此，國(guó)內(nèi)多家科研單位針對(duì)上述問(wèn)題展開了研究。2006年，在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目中，推出了“城市燃?xì)鈿庠磧?chǔ)配及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”課題，提出進(jìn)行“城市燃?xì)廪D(zhuǎn)換理論與改造技術(shù)”的專題系統(tǒng)研究。

2.3 我國(guó)燃?xì)饣Q性研究進(jìn)展

隨著燃?xì)馊紵O(shè)備的多樣化，更多高效率、低排放的燃燒設(shè)備進(jìn)入家庭和企業(yè)，形成了不同燃燒方式(擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)氣配制都是現(xiàn)實(shí)的技術(shù)問(wèn)題。

2005年，國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(隸屬于中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院)成立了燃?xì)舛鄽庠椿Q性研究課題組(以下簡(jiǎn)稱課題組)，基于“城市燃?xì)廪D(zhuǎn)換理論與改造技術(shù)”專題，開展了多氣源城市燃?xì)饣Q性研究，取得了一系列成果，并于2011年3月14日通過(guò)了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的課題驗(yàn)收。

主要研究?jī)?nèi)容包括：建立各類氣源互換性測(cè)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(shí)施對(duì)策與技術(shù)，氣源轉(zhuǎn)換評(píng)估技術(shù)體系。

主要成果為：提出了確定燃?xì)饣Q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(jìn)行了工程實(shí)踐。建立了試驗(yàn)氣配制與燃具適應(yīng)域測(cè)試技術(shù)與裝置，完成了一系列手工及自動(dòng)化配氣設(shè)備的研發(fā)，取得了多項(xiàng)專利^[11-16]。通過(guò)燃具適應(yīng)域的試驗(yàn)測(cè)定，掌握和確定了我國(guó)典型燃具對(duì)不同氣源燃?xì)獾倪m應(yīng)能力和適應(yīng)域，為燃具生產(chǎn)、設(shè)計(jì)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?xì)饣Q域，得到保證燃具正常工作的燃?xì)饨M成變化范圍，指導(dǎo)燃具產(chǎn)品的區(qū)域市場(chǎng)準(zhǔn)入與城市氣源轉(zhuǎn)換實(shí)踐。

3 有關(guān)成果

3.1 燃燒特性指數(shù)的確定

3.1.1 大氣式燃燒方式

①主要的燃燒特性指數(shù)

我國(guó)在1982年正式借鑒了法國(guó)德?tīng)柌既細(xì)饣Q性判定法，提出采用華白數(shù)、燃燒勢(shì)兩個(gè)燃燒特性指數(shù)分析和判定燃?xì)饣Q性。隨著研究的深入，發(fā)展到采用華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰、結(jié)炭等指標(biāo)對(duì)燃?xì)饣Q性進(jìn)行判定。

一般地，與燃?xì)饣Q性有關(guān)的主要燃燒特性指數(shù)為高熱值、相對(duì)密度、理論空氣量、火焰燃燒速度、華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰指數(shù)等。常規(guī)燃?xì)饣Q性配氣指數(shù)，主要有華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰指數(shù)等^[6,17]。配制試驗(yàn)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(yàn)裝置，選擇大氣式燃具(主要為家用燃?xì)庠罹?，包括嵌入式灶、臺(tái)式灶)，進(jìn)行了燃燒工況測(cè)試。分別測(cè)量灶具在脫火、回火、C0超標(biāo)時(shí)的燃?xì)饨M成，由此計(jì)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(duì)密度、火焰燃燒速度、燃燒勢(shì)等關(guān)鍵指數(shù)，繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖形(直角坐標(biāo)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(tái)大氣式燃具(嵌入式灶)作為試驗(yàn)對(duì)象的燃燒特性曲線，見(jiàn)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(duì)密度作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)時(shí)，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(shí)，C0極限曲線較短。當(dāng)選擇華白數(shù)-燃燒勢(shì)作為表征燃具適應(yīng)性的燃燒特性指數(shù)時(shí)，各條極限曲線均比較平滑。因此，將華白數(shù)、燃燒勢(shì)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(yàn)氣全域區(qū)間內(nèi)灶具對(duì)應(yīng)界限氣的華白數(shù)-燃燒勢(shì)曲線見(jiàn)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?xì)夤?yīng)與應(yīng)用、燃具生產(chǎn)與調(diào)節(jié)、燃?xì)馊紵郎y(cè)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(yàn)氣。為保證試驗(yàn)氣具有與基準(zhǔn)氣相同的化學(xué)性質(zhì)、熱工性能，須對(duì)試驗(yàn)氣的配制過(guò)程進(jìn)行控制，對(duì)配制方法進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，以獲得與基準(zhǔn)氣等效的試驗(yàn)氣。

基于互換性原理進(jìn)行的試驗(yàn)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(yàn)氣的華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰指數(shù)等關(guān)鍵燃燒特性指數(shù)與基準(zhǔn)氣相等，并進(jìn)行以華白數(shù)、燃燒勢(shì)為主要控制指標(biāo)的配制設(shè)計(jì)^[7]，建立配制試驗(yàn)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(shì)為變量的直角坐標(biāo)系中形成的配氣區(qū)間見(jiàn)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?xì)怏w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?xì)怏w形成的配氣邊界線為直線。

 

3.1.2 全預(yù)混式燃燒方式

研究發(fā)現(xiàn)，基于互換性原理，控制華白數(shù)、燃燒勢(shì)等燃燒特性指數(shù)配制的試驗(yàn)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(biāo)差別較大。全預(yù)混燃燒方式主要應(yīng)用于家用冷凝式燃?xì)鉄崴鳌⒐I(yè)窯爐、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(chǎng)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(wèn)題。課題組正在進(jìn)行全預(yù)混式燃具的相關(guān)研究，并獲得了一定進(jìn)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?xì)庥脩魧?duì)燃?xì)赓|(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(duì)燃?xì)饨M成變化的容忍度也不相同。課題組采用燃?xì)饣Q性理論分析與燃具及用氣設(shè)備燃燒測(cè)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(jì)合理為指導(dǎo)原則的城市基準(zhǔn)氣的確定方法，拓展了燃?xì)饣Q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(wèn)題，提供了指導(dǎo)思想和技術(shù)方案。

課題組在進(jìn)行城市燃?xì)鈿庠磁渲门c多氣源轉(zhuǎn)換方法研究時(shí)，將燃?xì)饫妙I(lǐng)域擴(kuò)展至對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量要求更為嚴(yán)格的燃?xì)怆姀S，針對(duì)城市內(nèi)居民、工業(yè)、商業(yè)用戶，特別是燃?xì)怆姀S、燃?xì)馄嚨热細(xì)庥脩?，根?jù)燃燒工藝特點(diǎn)以及用戶對(duì)燃?xì)赓|(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(duì)多氣源供應(yīng)方式、摻混可行性、同網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了基本研究，提出了可行的基準(zhǔn)氣組成和波動(dòng)范圍。對(duì)各種用戶，分別研究了多氣源條件下的燃?xì)饣Q性。分析并提出了保證燃?xì)夤芫W(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)路線和對(duì)策，為政府和企業(yè)選擇基準(zhǔn)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(jìn)行了相關(guān)工程實(shí)踐應(yīng)用。

3.3 試驗(yàn)氣配制與燃具適應(yīng)性試驗(yàn)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(biāo)出發(fā)，對(duì)現(xiàn)行燃?xì)夥诸惡腿季弋a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了發(fā)展和延伸，提出通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(cè)試試驗(yàn)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(shí)際運(yùn)行狀況，填補(bǔ)了燃具燃燒特性無(wú)法量化測(cè)試、無(wú)檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)空白。對(duì)行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)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?xì)饣Q性理淪的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前行業(yè)通用的試驗(yàn)氣“華白數(shù)、燃燒勢(shì)兩指數(shù)”控制方法進(jìn)行了擴(kuò)展，通過(guò)大量試驗(yàn)，提出了試驗(yàn)氣“多組分、多指數(shù)”控制方法(如以“華白數(shù)、燃燒勢(shì)、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(yàn)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(guó)行業(yè)會(huì)議上交流^[18-21]。試驗(yàn)氣配制與燃具適應(yīng)性試驗(yàn)裝置已經(jīng)投放國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心使用，第二、三代試驗(yàn)樣機(jī)分別見(jiàn)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(yàn)測(cè)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(cè)試技術(shù)。5種常用大氣式燃具在i-C₄H₁₀、H₂、N₂三組分試驗(yàn)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(jiàn)圖9.

 

當(dāng)城市具有多種氣源可以選擇時(shí)，通常應(yīng)選擇燃?xì)饨M成和燃燒特性指數(shù)與城市基準(zhǔn)氣最接近的一種或幾種。需要考慮的主要因素包括：燃?xì)庵屑淄楹俊⒍栊詺怏w含量、重?zé)N含量、華白數(shù)、燃燒勢(shì)、黃焰指數(shù)、相對(duì)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(duì)燃?xì)赓|(zhì)量的要求并不一致。若根據(jù)對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量要求最嚴(yán)格的燃?xì)庥脩舸_定燃?xì)饣Q域，將使城市內(nèi)的燃?xì)饨M成最穩(wěn)定，變化幅度最小，運(yùn)營(yíng)成本將升高甚至最高。而根據(jù)數(shù)量和影響面最廣的燃?xì)庥脩?span lang="EN-US">(如居民用戶)對(duì)燃具適應(yīng)性的要求確定燃?xì)饣Q域時(shí)，燃?xì)饨M成可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，可能會(huì)引起少數(shù)對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量要求較嚴(yán)格的用戶所使用的燃具及用氣設(shè)備燃燒不穩(wěn)定，但運(yùn)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?xì)膺\(yùn)營(yíng)企業(yè)需要對(duì)燃?xì)鈿庠凑{(diào)度、備用調(diào)峰氣源配置、多氣源互換性進(jìn)行科學(xué)研究，確定城市基準(zhǔn)氣組成和波動(dòng)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?xì)馄髽I(yè)宜根據(jù)不同氣源，對(duì)所能承受的風(fēng)險(xiǎn)和綜合運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行客觀、全面分析，在能夠承受的風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)，選擇合適的燃?xì)饣鶞?zhǔn)氣和允許的變化范圍，形成本城市或本地域內(nèi)的“燃?xì)饣Q性組分?jǐn)?shù)據(jù)圖譜”，以合理地進(jìn)行城市燃?xì)鈿庠磁渲煤投鄽庠椿Q性的研究和實(shí)踐。

城市燃?xì)饣Q性研究的具體技術(shù)路線一般為：對(duì)多氣源互換性的方法進(jìn)行研究；合理劃分燃?xì)庥脩纛愋停贿x擇典型城市燃具試驗(yàn)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(jìn)行燃具適應(yīng)性測(cè)試；根據(jù)燃具共同適應(yīng)域，確定城市燃?xì)獾墓餐Q域；進(jìn)行研究方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析與評(píng)價(jià)，合理劃分燃?xì)饣鶞?zhǔn)組分與波動(dòng)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(lái)，我國(guó)在城市燃?xì)饣Q性方面進(jìn)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(guò)對(duì)燃?xì)饣Q性和燃具適應(yīng)性兩個(gè)方而進(jìn)行了試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)氣配制及燃具適應(yīng)性試驗(yàn)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(jì)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(jìn)，還需要合理選擇燃?xì)饣Q性研究的技術(shù)參數(shù)、控制指標(biāo)，并進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和技術(shù)論證，以建立完整、科學(xué)的城市燃?xì)舛鄽庠椿Q性體系。

 

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒(2010年)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011：365-368.

[2] 王啟，高文學(xué)，趙白軍.多氣源供應(yīng)的城市燃?xì)饣Q性方法研究[C]//2011年中國(guó)燃?xì)庑录夹g(shù)、新設(shè)備高端學(xué)術(shù)推廣交流會(huì)論文集.張家界：煤氣與熱力雜志社，2011：191-196.

[3] 項(xiàng)友謙，王啟.天然氣燃燒過(guò)程與應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：1-9.

[4] NGC + Interchangeability Work Group. White paper on natural gas interchangeability and non-combustion end use[R].[s.l.]：NGC + Interchangeability Work Group，2005：2-15.

[5] 李猷嘉.論液化天然氣與管道天然氣的互換性[J].城市燃?xì)猓?span lang="EN-US">2009(6)：3-14.

[6] 高文學(xué).城市燃?xì)饣Q性理論及應(yīng)用研究(博士學(xué)位論文)[D].天津：天津大學(xué)，2010：87-127.

[7] 高文學(xué)，王啟，趙白軍.燃?xì)庠囼?yàn)配氣的實(shí)踐與研究[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：B31-B35.

[8] 盧祥林.天然氣改制技術(shù)在城市燃?xì)廪D(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2002，22(6)：483-486.

[9] 王勇，王鴻，劉永華，等.天然氣混空氣轉(zhuǎn)換人工煤氣的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(1)：5-7.

[10] 王萍，王生宏，于京春.液化石油氣混空氣與焦?fàn)t煤氣的互換性研究[J].煤氣與熱力，2001，21(1)：39-41.

[11] 高文學(xué)，王啟，趙白軍，等.燃?xì)馀錃馀c互換性測(cè)試用燃燒器：中國(guó)，200810152958.7[P].2010-06-16.

[12] 高文學(xué)，王啟，趙白軍，等.燃?xì)廪D(zhuǎn)換與配氣測(cè)試用燃燒裝置：中國(guó)，200820143748.7[P].2010-02-10.

[13] 王啟，高文學(xué)，趙自軍.確定燃?xì)饩呷紵匦缘臏y(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置：中國(guó)，201020206874.x[P].2011-01-11.

[14] 高文學(xué)，王啟，趙白軍.一種確定燃?xì)饩呷紵m應(yīng)域或燃燒工況的裝置：中國(guó)，200920095801.5[P].2010-01-08.

[15] 王啟，高文學(xué)，趙自軍，等.一種測(cè)定燃?xì)饩邭赓|(zhì)適應(yīng)域或燃燒工況的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：中國(guó)，201120219538.3[P].2011-06-27.

[16] 高文學(xué)，王啟，趙白軍，等.一種組合式遠(yuǎn)程控制氣體調(diào)壓裝置：中國(guó)，201120212165.7[P].2011-06-22

[17] 金志剛，王啟.燃?xì)鈾z測(cè)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011：200-228.

[18] 高文學(xué)，王啟，陳冠益.基于互換性原理的生物質(zhì)燃?xì)獾呐渲?span lang="EN-US">[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30(12)：1704-1708.

[19] 王啟，高文學(xué).城市燃?xì)鈿庠磁渲门c多氣源瓦換性[C]//第3屆中國(guó)城市燃?xì)庹搲撐募?span lang="EN-US">.深圳：中國(guó)城市燃?xì)鈱W(xué)會(huì)，2010：126-133.

[20] GAO Wenxue，WANG Qi，CHEN Guanyi，et al. Experimental determination and research on combustion characteristics range of gas appliance[J].Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，201 1(1)：77-80.

[21] 高文學(xué)，王啟，唐戎.燃?xì)饩邭赓|(zhì)適應(yīng)域的實(shí)驗(yàn)確定[C]//2011年中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市燃?xì)夥謺?huì)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)年會(huì)論文集.成都：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市燃?xì)夥謺?huì)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)，2011：1-11.

 

本文作者：王啟高文學(xué) 趙自軍 羅勤 周理

作者單位：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì) 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院