摘 要

6　從一個實例分析36號公告法與韋弗法的異同(1)設調定氣a(塔里小氣田氣)的組分為：CH4-96.27％，C2H6-1.77％，C3H8-0.30％，iC4H10-0.06％，nC4H10-0.08％，C5H12-0.13％，N2-1.39％。置換氣S(澳大利亞

6　從一個實例分析36號公告法與韋弗法的異同

(1)設調定氣a(塔里小氣田氣)的組分為：CH4-96.27％，C2H6-1.77％，C3H8-0.30％，iC4H10-0.06％，nC4H10-0.08％，C5H12-0.13％，N2-1.39％。

置換氣S(澳大利亞等LNG)的組分為：CH4-89.3％，C2H6-7.1％，C3H8-2.5％，C4⁺-1.0％，N2-0.1％

用36號公告法和韋弗法計算互換結果，并對兩種方法作細部分析。

(2)基本數(shù)據(jù)計算結果見表l：

 

(3)兩種方法的計算結果如下：

36號公告法：

IL=0.956＜1

IF=1.032＜1.18

IY=0.8492＜1.0（不可接受）

韋弗法：

JA=1.053＞1（不可接受）

JI=0.072＞0（不可接受）

JY=0.162＞0.14（不可接受）

JH=1.0549＞1.05（不可接受）

JF=-0.0457＜0.08

JL=1.083＞0.64

結論：S氣不能與a氣互換；36號公告原因為黃焰端；韋弗法為黃焰端與不完全燃燒。韋弗法在人力與一次空氣指數(shù)兩項亦不可接受。

(4)兩種方法的細部分析

①離焰：

由式（9）知：

 

上式中：

 

因此：

 

可看作為1

于是用36號公告法中的離焰權限常數(shù)K也可近似的算出韋弗離焰指數(shù)（簡化法）。在本例中

 

上式中

 

可知

 

即

 

而

 

兩者十分接近。

且韋弗式

 

也接近于1.0772，兩種方法的差異甚小。

②回火

由上述可知，式(14)、(15)或(16)式可反映JF與IF的差別。

由來自36號公告法的(16)式可知

 

＝1.022≈離焰計算中的1.023

或

 

也說明兩種方法的差異甚小。

③黃焰端

可用

 

值對韋弗法和36號公告法作比較：

按式(20)，在韋弗法中：

 

按式(21)，在36號公告法中：

 

均接近于l.053的值。

④不完全燃燒

圖36號公告法中無單獨的不完全燃燒公式，韋弗法無從比較。

7　互換性指數(shù)的應用

在討論互換性指數(shù)的應用時，韋弗先做了一個比喻^[1]：如果我們決定是否可用一塊長的木板在小溪上搭起一個小橋，首先就必需考慮兩個因數(shù)，即準確的量測板的長度和估計小溪的寬度。一個燃氣公司或公用事業(yè)的管委會在決定所供燃氣的變化是否需要調整或直接使用時所出現(xiàn)的問題也相類似?；Q性的某些指數(shù)相當于板的量測方法(即確定燃氣的組分變化對已調定燃具運行的影響)，小溪的寬度則相當于已有燃具的全部調定情況或大部燃具正在使用的狀況。進一步做出決定時，必然會考慮到小溪的岸邊是否是不能受力的軟土帶?木板能否到達堅硬的彼岸?是否會成為一座不能滿意的小橋?或者認為有它總比沒有好?與此類似的是：應該確認所供燃氣的變化是否會使某些燃具的運行發(fā)生困難?不能正常運行的燃具太多或是出現(xiàn)問題的性質太嚴重?也就是如何根據(jù)燃具的失效分析來確定指數(shù)的應用范圍。韋弗認為，至今論文所涉及的還只是一些容易解決的問題，遺憾的是在評估中某些困難的部分或有創(chuàng)新的設計可能在觀察中已完全被忽略，做進一步論述可能會有所幫助。

最明顯的是一條小溪并不一定都有同樣的寬度，相當于燃具的種類很多，并不是所有類型的燃具毋須再調定就能容許使用，或同類燃具在原始調定時所采用的標準就不同。實際上，原始調定時就隨調定人員對當時燃氣組成的特性要求就有理解上的差別，有一定的多樣性。如燃具按天然氣進行調定時，大部分燃具可能按接近于離焰的位置調定，燃燒時滿足額定負荷和有最高熱效率的要求。也可能是多數(shù)燃具按不完全燃燒進界的位置調定，既可合理的處理黃焰端，又擴大了回火的安全范圍。調定人員各自掌握的程度也不同，又不可能留下記錄。這些均對互換性指數(shù)的使用范圍的確定造成困難。從筆者在本刊對36號公告法的介紹數(shù)據(jù)中可看出端倪。

在美國，一些已經使用煉油廠副產氣的地方，多數(shù)燃具是按臨近于回火的位置調定，保證一次空氣量以防止煙塵的產生。由于燃氣中的H2含量較高，義能遠離離焰，但卻減小廠不完全燃燒的安全范圍如該地區(qū)燃氣公司的燃具調定政策中規(guī)定壓力應接近于最大值，經過培訓的科技人員又堅持燃具額定入力的要求，則在通常情況下，當燃氣的J1在0.0～0.5的范圍內時，可認為是安全、合理的。遺憾的是，該公司的供氣系統(tǒng)內裝有許多無排煙道的輻射采暖器，調定時未考慮到壓力變化的瞬時情況，燃具的入力可能高于額定值，用戶又喜歡這一狀態(tài)，但是要Ji略有增加，某些用戶的生命就可能發(fā)生危險。對這類無法應付的突發(fā)危險，為了安全，只能做出一個相對嚴格的規(guī)定。如汽車運行中的車速規(guī)定或熱煙道的本質建筑材料之間隔離層要求。這一事例說明，互換性指數(shù)的應用必須考慮到各種類別的燃具。

以上說明，確定互換性指數(shù)的應用范圍是十分復雜的，在許多不確定因素條件下，要做好失效分析。既要考慮燃具的多樣性，又要考慮初次調定的情況；既要考慮實驗室的研究數(shù)據(jù)，又要考慮到廣大用戶的使用條件。一個國家燃氣使用的歷史越久，用戶的情況就越復雜。韋弗以1106-A研究報告所得的數(shù)據(jù)為基礎，提出了互換性指數(shù)的制定范同，并認為比一般燃氣公司或規(guī)程管理部門的規(guī)定要優(yōu)越。

規(guī)定的離焰指數(shù)JL不應小于0.64(應大于0.64)；回火指數(shù)JF不大于0.08(應小于0.08)；黃焰端指數(shù)Jy不應大于0.14(應小于0.14)；不完全燃燒指數(shù)不應大于0.0(應小于0.0)；此外，還有0.95≤JH≤1.05和JA=1的基本要求。

實際應用中，常遇到以下幾種情況：

(1)評估一種替代燃氣能否用于當前使用的各種燃具?作為尋求對策的依據(jù)。問題的復雜性在于替代燃氣與當前使用的燃氣不屬于同一時間段。燃具只能保證使用原用燃氣時有最佳的性能。燃氣公司要求用戶購買燃具時并未向用戶或燃具制造廠提出任何需要適應其他燃氣的要求，顯然責任不在用戶而在供氣方。如果用戶只有簡單的燃氣灶，問題較易解決(可換燃具)。遇到這類問題時供氣方要做出評估，先確定這兩種燃氣能否互換；不能互換時要研究對策。燃氣使用歷史悠久的國家都是盡可能采用調整供氣質量的方法，回避與用戶發(fā)生糾紛。歷史上這類例子很多。

(2)評估調峰燃氣的互換性。，調峰燃氣即本文所指的補充燃氣。如調定氣為天然氣，有地下氣庫設施，用儲氣方法調峰則毋須評估；如地下儲氣量不足以滿足冬季用氣高峰的需要，就必須另選補充燃氣(美國首都華盛頓雖有地下氣庫，但每年仍有7天需用丙烷-空氣混合氣作補充燃氣)。補充燃氣的種類很多，根據(jù)地區(qū)的經濟性，可用煤、油、LPG或LNG作原料。補充燃氣的成本很高，通常與原供燃氣按一定比例摻混后使用，這就要根據(jù)互換性原理算出可摻混補充燃氣的百分比(可見本利2007.8燃氣質量中的互換性問題一文)。

如補充燃氣有兩種，加上原基礎燃氣有三種，如三種燃氣混合的比例各以5％作為一種燃氣的體積變化量組成方案，用36號公告法每次計算IL、IF和Iy三個指數(shù)，就需獨立計算231個方案，美國編有計算機程序(Catalog No.XH9301)可使用。在計算機未出現(xiàn)前，美國也有簡化的計算方法，分粗算與精算兩步。粗算時，假設互換性指數(shù)與燃氣組分的變化呈線性關系，先取兩個組成，得出結果后對其他組分用外推法求定，再根據(jù)邏輯推理，排除不必計算的部分后，對剩下的少數(shù)方案進行精算，求出轉換燃氣最合適的比例。韋弗在他的論文中，對此亦有介紹^[1]。

(3)當今遇到的燃氣互換問題是液化天然氣與原管道天然氣的互換，要用增熱法或減熱法等，并滿足非本生火焰裝置的互換需要。作為一個重要的燃氣質量問題，國際上至今仍在繼續(xù)研究。

8　評述

(1)本世紀以來，自美國發(fā)表《天然氣的互換性與非燃燒終端使用的白皮書》以來，燃氣互換性的研究進入了一個新的階段。國際燃氣聯(lián)盟再次立項研究，作為重要的燃氣質量問題仍在繼續(xù)研究中。

歷史上各種燃氣的互換性研究來自各種燃氣混合中出現(xiàn)的問題。隨著城市燃氣的發(fā)展，也是從煤制氣發(fā)展到油制氣、液化石油氣和天然氣；燃具也是從民用到工業(yè)和交通運輸，從本生火焰到預混空氣的發(fā)動機、燃氣輪機等，節(jié)能和排放要求也日益嚴格。如今天然氣已成為世界能源的一個重要組成部分，液化天然氣的國際貿易量日益增長，組成的多樣化又產生了LNG與原管道天然氣的互換問題，也涉及到許多技術經濟問題，研究工作必須與時俱進。

(2)我國城市燃氣起步雖早，但發(fā)展緩慢。國外在“二戰(zhàn)”后蓬勃發(fā)展時期的研究資料已甚難完整的看到，加上長期停留在解決燃氣的有無問題，饑不擇食，甚難考慮到燃氣的質量要求。從上世紀末到本世紀初，由于“陜氣進京”和“西氣東輸”，城市燃氣才開始有較快的發(fā)展，至今已有兩億多人用上了天然氣(“十二五”期末的目標是2.5億人)，已成為天然氣的使用大國，但從技術和管理角度看，調峰與儲氣還不健全，應用中的事故率也較高。行業(yè)至今沒有國家重點實驗室，對許多問題難以開展深入的研究。

(3)各國已有對燃氣互換性的制定方法，都是為本國燃氣的發(fā)展服務的。有的國家，如俄羅斯，天然氣的利用規(guī)模僅次于美國，但從未見有燃氣互換性的研究資料發(fā)表，原因是天然氣的組分長期來十分穩(wěn)定，調峰儲氣靠地下氣庫，因而出版的書籍中從未有燃氣互換性的內容介紹，只有在他們介紹的國外資料中，才能看到極為一般性的內容。亞洲國家如日本，由于對進口天然氣有必須增熱的法律規(guī)定，長期保持了燃氣質量的穩(wěn)定，也未見到本國對燃氣互換性研究資料的發(fā)表，僅在書籍中有國外資料的一般介紹，如我國有譯本的《煤氣應用手冊》。歐洲國家發(fā)表的許多燃氣互換性預測方法也是為本國的燃氣發(fā)展服務的。在我國書籍中介紹最多的是美國的幾種方法和法國的德爾布法。對人工燃氣互換性的研究較多，天然氣的較少和較晚。法國局限在拉總氣田的天然氣，英國局限在北海氣田。英、法同為歐洲國家，但采用的狀態(tài)條件不同，自身也有不同的評價，在我國的出版書籍中也有介紹。

值得注意的是美國的AGA36號公告法和韋弗法。這兩個方法的最后計算公式在我國的書籍中均有一般的介紹，對公式形成的來龍去脈不清，讀到原文后，筆者認為對公式中形成的各個互換性參數(shù)可以有清晰的概念，思路的演變脈絡十分清楚，到目前為止未看到有中文資料的介紹，因此認為有必要做一個全面的論述。由于原文較長，實驗數(shù)據(jù)很多，只能取其精華，發(fā)表在本刊上供火家參考。筆者認為研究了這些資料后，對其他方法的認識和理解可大大提高一步，也不難做出評價。

(4)各個工業(yè)領域都有互換性的問題，如機械工程中，互換性表示互換的組件能完全與原來的安裝空間和操作要求相符；電氣工程中，則還要增加一項相同的電力性能。在燃氣工業(yè)中，一方面毋須再作鑒定，用戶使用新燃氣在燃具上燃燒時，不會增加使用麻煩和危險，另一方面要求新氣的燃燒性能完全雷同于原用氣，且應用和配氣方式與原來完全沒有差別。

美國的燃氣著作中談到互換性的涵義時，捕述為“政府中讓戰(zhàn)爭離開將軍們太重要了；讓互換性課題完全離開化學工作者和用戶也太重要了。對系統(tǒng)的規(guī)劃人員，配氣人員和生產、運行人員而言，互換性都是致命的課題。、”“燃氣T業(yè)巾充滿著一些外行人員、甚至外行業(yè)的工程師們用所謂‘委婉’的設計以隱藏一些原始的缺陷”。以上這些情況都值得我們深思^[2]。

燃氣的互換性來源于混合燃氣的研究，目的是尋求一種可付諸應用的互換性預測方法。在當前已有的方法巾，美國的AGA36號公告和韋弗法是屬于多指數(shù)法，通過多個互換指數(shù)的計算和允許范圍來制定置換氣對調定氣的互換性。為廠得出多指數(shù)的計算公式，必須以大量的實驗數(shù)據(jù)作基礎，上兩種方法的實驗規(guī)模是很大的。同時，也要做大量的現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場的用戶試驗和調查可更清楚的反映用戶的實際使用條件與實驗室的差別。通過用戶燃具現(xiàn)場使用的失效分析，以及實驗室研究中所得數(shù)據(jù)的分布情況可合理的制定所得計算公式的允許使用范圍。

本文限于篇幅，對每一互換性指數(shù)，只能介紹少量的實驗數(shù)據(jù)。即使如此，也可看出實驗數(shù)據(jù)的離散性很大。究其原因，實與原始的調定情況有一定的關系。同一燃具，調定人員的調定尺度本身就具有一定的隨機性。稍有實驗室工作經驗的人對此都有體會，更何況研究所針對的是要滿足全部各類燃具的要求，而不是某一種燃具。當前天然氣民用炊事燃具在用戶的使用中，由于廚房條件的千差萬別，最易出現(xiàn)的是黃焰端問題，遺憾的是多年來并未引起重視，如表2所示，失效也與燃具的試驗壓力有關。用戶處在管網不同的聯(lián)接位置，對試驗結果也有影響。

 

(5)多年前，我國常有“燃氣的互換性?找個燃具試一下就可解決!”的說法。固不論這種說法是否有輕視燃氣互換性研究之嫌。實際上，燃具試驗是互換性研究中用戶現(xiàn)場試驗的一個內容。燃具的預測試驗必須滿足兩個條件：其一，根據(jù)互換性的定義，必須使用按原氣已調定的燃具，即壓力參數(shù)與一次空氣入口的機械狀態(tài)與原用氣無變化；其二，要對現(xiàn)用不同種類的燃具全部取樣做試驗，不能僅做炊事燃具。由于不同燃具對某一互換性指標的敏感性不同，對民用燃具而言，英國的研究樣本分成5類^[3]：熱水器，標準采暖鍋爐、冷凝鍋爐、炊事燃具和燃氣壁爐。除常規(guī)的離焰、回火，黃端焰外，每種燃具做CO2排放量，CO排放量，CO／CO2比的關系，NOX的排放量、煙氣溫度、凈效率、積碳、燃氣所含的N2和CO2的影響以及與入力有關的壓力影響等，可見參考文獻3，論文長達76頁，可以參考。

長期以來，對待我國城市燃氣中的某些技術問題，常采用粗放的態(tài)度，極少追根求底，提到城市燃氣只想到民用炊事。實際上民用炊事用氣在燃氣用戶中所占的比重很小。統(tǒng)計表明，發(fā)達國家受到電力的沖擊，使用量在逐步減少。一些高層建筑，缺少完善的煙道設施，燃氣使用的安全性甚難保證。另一方面，各種類別的新用戶又在不斷增加，如交通運輸，工業(yè)、冷、熱、電聯(lián)產等涉及到各種利用氣體燃料的發(fā)動機、燃氣輸機等正在日新月異的發(fā)展，也使燃氣質量中互換性問題的內涵發(fā)生變化。以美國為例，液化石油氣和空氣的混合物常用來作為天然氣調峰的補充燃氣，天然氣汽車發(fā)展后，就不能從管道中取出有這類補充燃氣的天然氣壓縮作為汽車燃料。自美國燃氣互換性的白皮書發(fā)布后，發(fā)動機等對天然氣互換性的研究成果^（4）也日益增多，值得注意和研究。

 

參考文獻

1Elmer R．weaver《Formulas and Graphs for Representing the Interchangeability of Fuel Gases》Journal of Research of the National Bureau of Standards Vol．46．No．3 March l951

2E．O．Rossbuch．S．I．Hyman，P．E．《Interchangeability:WHAT IT MEANS》Presented at A．G．A．Distribution ConDrencc．Denver，Colorado May 22，1978，Rivised July 1984

3Terry Williams，Graham MCKay＆Martin Brown《Assessemenl of the lmport of Gas Quality On the Performance of Domestic Appliances(A Pilot Study)》R 7409 July 2004 Advantica United Kingdom

4Chair Marlin Josten，Secretary Stephen Hull UK，Progrannne committel D l：《LNG Qllality a Interchangeability》2006-2009 Trienrcium Work Repoly October 2009 24^th World Gas Conlbxence Argentina．5-9 October 2009

 

本文作者：李猷嘉

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院