摘　要：近年來，城市管道天然氣進(jìn)網(wǎng)氣源種類越發(fā)繁多，天然氣質(zhì)量變化大，各類型民用燃?xì)庠罹呤欠襁m應(yīng)這種天然氣氣質(zhì)變化、燃燒特性是否達(dá)標(biāo)、日常使用是否受影響等問題均亟需考證。本文通過對65臺目前中國燃具市場上常見的民用大氣式燃?xì)庠罹郀t頭進(jìn)行調(diào)研，統(tǒng)計分析了各爐頭參數(shù)設(shè)計情況，在此基礎(chǔ)上定義了一無因次參數(shù)(￡=爐頭外徑計算面積／火孔總面積)，來綜合描述民用燃?xì)庠顮t頭火孔大小、間距、個數(shù)同爐頭大小的關(guān)系，從而評價爐頭設(shè)計情況。并對部分灶具進(jìn)行燃燒性能測試，分析不同爐頭設(shè)計的灶具對氣源氣質(zhì)變化的適應(yīng)性，以此總結(jié)歸納了適應(yīng)性較強(qiáng)的燃?xì)庠顮t頭設(shè)計參數(shù)。

關(guān)鍵詞：天然氣　民用燃?xì)庠睢t頭　適應(yīng)性

1　引言

民用領(lǐng)域作為燃?xì)庑枨蟀l(fā)展最快的一個領(lǐng)域，天然氣消費(fèi)量占比從2000年的l9.0％上升到2007年的25.9％，從2001年到2005年城市民用燃具用戶從3200萬戶增加到7100萬戶^[1]。2010年人工煤氣供應(yīng)總量279.9億m³，管道長度為38877km；天然氣供應(yīng)總量為487.6億m³，管道長度256429km；液化石油氣供應(yīng)總量0.1268億t，管道長度為l3374km。管道總長度為308680km，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％。城市燃?xì)庥脷馊丝?span lang="EN-US">3.63億人，比2009年增加5.5％^[2]。龐大的民用燃?xì)庥脩簦厝粠砭薮蟮拿裼萌細(xì)庠罹咝枨?，中國國?nèi)越來越多的品牌開始研發(fā)和推出新型的大氣式燃?xì)庠罹?，各種不同火孔型式、火孔尺寸、火蓋樣式、灶頭大小以及引射方式應(yīng)運(yùn)而生。然而，近年來隨著城市管道天然氣氣源種類越來越多，進(jìn)網(wǎng)天然氣質(zhì)量變化大，各類型民用燃?xì)庠罹呤欠襁m應(yīng)這種天然氣氣質(zhì)變化、燃燒性能是否達(dá)標(biāo)、日常使用是否受影響等問題均亟需考證^[3-7]。

本文通過對65臺目前中國燃具市場上常見的民用大氣式燃?xì)庠罹郀t頭進(jìn)行調(diào)研，著重統(tǒng)計分析了目前中國灶具廠商出廠的各類灶具爐頭的不同火孔類型、火孔尺寸、火孔間距、火孔數(shù)量、火孔熱強(qiáng)度以及灶具額定熱負(fù)荷等數(shù)據(jù)，并對部分樣本灶具進(jìn)行不同氣質(zhì)情況下的熱效率和CO排放性能分析，以驗證不同爐頭設(shè)計對氣源氣質(zhì)變化的適應(yīng)能力。

2　樣本選擇與參數(shù)統(tǒng)計

樣本選取主要選擇國內(nèi)市場知名度較高的幾個燃?xì)庠钇放平鼛啄晖瞥龅男吞?，基本代表各制造商日前的設(shè)計、加工制造水平。嵌入式灶具因其外觀漂亮，便于清潔而日益成為主流，臺式灶因其價格優(yōu)勢還占有一定的市場比例；燃燒器的火孔形式，選擇常用的圓形火孔和旋縫火孔，圓形火也因其設(shè)計資料完善且加工簡單而廣為采用，另一方面，近來在一些知名廠家的推動下，旨在利用旋轉(zhuǎn)氣流來增強(qiáng)傳熱、提高效率的三維旋轉(zhuǎn)條縫形火孔開始逐漸流行起來。綜合上述因素，本文共選取了65臺樣本，其中包括52臺嵌入式灶和13臺臺式灶，又分為28臺網(wǎng)形火孔灶和37臺旋縫火孔灶。

熱負(fù)荷作為反映民用灶具的最基本的參數(shù)，所選的65臺灶具額定熱負(fù)荷范圍為3.0kw～5.5kW，其中在3.5kW～4.0kW之間的灶具占了66％，其次4.0kW～4.5kW之間的灶具占l9％，功率大于4.5kW的民用灶具在市場上很難見到，僅占了所有樣本的3％。然而，實際灶具熱負(fù)荷和其銘牌所標(biāo)額定熱負(fù)荷存在一定出入，本文選擇其中25臺不同灶具，進(jìn)行l2T-0實測折算熱負(fù)荷測試，計算實測折算熱負(fù)荷約為額定熱負(fù)荷的95％。為了得到主火蓋外圈火孔的火孔熱強(qiáng)度，還必須確定主火蓋和全火蓋功率比，為此選用了7臺燃?xì)庠顦颖?，進(jìn)行主火蓋與全火蓋熱負(fù)荷比測試，測試數(shù)據(jù)得到主火蓋熱負(fù)荷約占全火蓋熱負(fù)荷的82％。

圓形火孔灶具爐頭參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示，通過對樣本的統(tǒng)計分析可以得到，圓形火孔的火孔直徑較多地集中在2.4mm～2.6mm之間，占了總樣本數(shù)量的46％；主火蓋外圈火孔的火孔熱強(qiáng)度集中分布在7w／mm²～9w／mm²，占了所有樣本數(shù)量的47％；火孔間距在3mm～4mm、4mm～5mm和5mm～6mm的占據(jù)了相對多的比例，分別為21％、25％和22％；爐頭外徑大小集中在120mm～130mm，占總樣本數(shù)的54％；火孔個數(shù)大多為70個～80個，此類灶具占總樣本數(shù)的39％。

條縫形火孔灶具爐頭參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示，因條縫形火孔大多是旋縫型的，很難測得其實際的火孔面積大小，采用測量其邊長并相乘的方式作為條縫形火孔的火孔面積，得到的結(jié)果往往比實際火孔面積大，火孔熱強(qiáng)度偏小。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，單火孔面積在l0mm²～20mm²占了多數(shù)，為30％；火孔熱強(qiáng)度在3w／mm²～6w／mm²占了57％；大多條縫形火孔的火孔間距分布在10mm～15mm，占了總樣本數(shù)量的43％，條縫形火孔相當(dāng)于數(shù)個方形火孔相連，因此與二次空氣接觸較差，易出現(xiàn)黃焰，所以條縫形火孔的火孔間距相比圓形火孔的要大很多；爐頭外徑大小集中在110mm～120mm，占總樣本數(shù)的41％；火孔個數(shù)大多為20～30個，此類灶具占總樣本數(shù)的51％。

3　性能響應(yīng)測試

本義根據(jù)國標(biāo)GBl6410—2007中的測試方法^[8]，對65臺灶具中的50臺灶具進(jìn)行r不同氣源組分情況下的性能響應(yīng)測試，包括熱負(fù)荷、熱效率、炯?xì)馀欧乓约盎鹧嫘螒B(tài)等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)選取其中20臺嵌入式樣本(包括10臺圓形火孔和l0臺旋縫火孔)的熱效率和CO排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以說明不同爐頭設(shè)計對氣源組分變化的性能響應(yīng)能力。

對于大氣式燃燒器，其典型燃燒特性曲線如圖4所示。，當(dāng)氣源氣質(zhì)發(fā)生變化時，燃燒器設(shè)計火孔熱強(qiáng)度過大，極易出現(xiàn)CO排放問題；而設(shè)計一次空氣系數(shù)過大且火孔熱強(qiáng)度過小，燃燒器容易發(fā)?；鼗?，火孔熱強(qiáng)度設(shè)計過大則易導(dǎo)致離焰；對于一次空氣系數(shù)過小的燃燃燒器爐頭，選擇合適的設(shè)計工況點(一次空氣系數(shù)和火孔熱強(qiáng)度)，將直接影響燃燒器應(yīng)對氣源氣質(zhì)變化的適應(yīng)能力。另一方面，火孔尺寸過大、火孔間距過小、爐頭外徑偏小，易使得火孔分布緊密、火焰變軟連焰，從而導(dǎo)致CO排放增加、熱效率降低；反之則火孔過于分散、火焰較硬、傳熱效果變差，熱效率不理想，某些情況同樣會導(dǎo)致燃燒不完全，出現(xiàn)污染物排放問題^[10]。就此，根據(jù)上面爐頭設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，本文定義一無因次參數(shù)e來綜合捕述民用灶具爐頭火孔大小、間距、個數(shù)同爐頭大小的關(guān)系，從而評價爐頭設(shè)計情況：

3．1　圓形火孔燃?xì)庠?span lang="EN-US">

對10臺圓形火孔樣本的CO排放和熱效率性能在11種氣源情況下的響應(yīng)分析列于圖5。其中，樣本1～4所有測試工況下的CO排放響應(yīng)值均在國標(biāo)要求的500×10^-6以下，且除樣本l的5個測試工況外，其他所有測試工況點的熱效率響應(yīng)均在國標(biāo)規(guī)定的50％以上。說明這4臺樣本的適應(yīng)能力較強(qiáng)，能較好的應(yīng)對氣源氣質(zhì)變化。統(tǒng)計4臺樣本的爐頭設(shè)計發(fā)現(xiàn)，設(shè)計火孔熱強(qiáng)度為7.2W／mm² ～8.4W／mm²，爐頭外徑選擇在125mm～135mm內(nèi)，設(shè)計火孔總面積為350mm²～430mm²，e值分布在30～40之間。樣本5～10的CO排放響應(yīng)表現(xiàn)并不理想，其中樣本6和9所有測試工況CO排放均在500×10^-6以上，其他4臺樣本過半數(shù)測試工況點CO排放超標(biāo)；熱效率響應(yīng)方面除樣本8和9外，其他4臺樣本表現(xiàn)尚屬理想；但若同時考慮CO排放和熱效率，則發(fā)現(xiàn)樣本5～10的沒計，均是在保證熱效率達(dá)標(biāo)的前提下犧牲了CO排放，實際應(yīng)用中不建議采用這類“高效率高排放”的燃?xì)庠睢＝y(tǒng)計6臺樣本的爐頭設(shè)計發(fā)現(xiàn)，其中5臺樣本的設(shè)計火孔熱強(qiáng)度均大于llW／mm²，最大達(dá)到了l5.2W／mm²，爐頭外徑則集中在l20mm～130mm和l40mm～150mm兩個范圍，設(shè)計火孔總面積為260mm²～300mm²，e值整體較大分布在40～65之間。故，如圖4所示高火孔熱強(qiáng)度易出現(xiàn)CO排放問題；爐頭直徑過大則會導(dǎo)致中心火焰二次空氣供給變差，燃燒效率降低，污染物排放不理想；e值選擇過大，則反映出爐頭火孔分布不合理，火孔過于分散，火焰較硬，傳熱效果變差影響熱效率。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)對氣源氣質(zhì)變化適應(yīng)能力較強(qiáng)的圓形火孔燃?xì)庠罹?，其爐頭參數(shù)設(shè)計為：火孔熱強(qiáng)度為7.2W／mm²～8.4W／mm²，爐頭外徑選擇在125mm～l35mm內(nèi)，火孔總面積為350mm²～430mm²，e值分布在30～40之間。

3．2　旋縫火孔燃?xì)庠?span lang="EN-US">

對10臺旋縫火孔樣本的CO排放和熱效率性能在11種氣源情況下的響應(yīng)分析列于圖6。其中，樣本11～16基本所有測試工況下的CO排放響應(yīng)值均在國標(biāo)要求的500×10^-6以下，且除樣本l5和16外，其他4臺樣本的熱效率響應(yīng)基本均在國標(biāo)規(guī)定的50％以上。說明樣本ll～14這4臺樣本的適應(yīng)能力較強(qiáng)，能較好的應(yīng)對氣源氣質(zhì)變化，統(tǒng)計其爐頭設(shè)計發(fā)現(xiàn)，設(shè)計火孔熱強(qiáng)度為8.5W／mm²～ll.5W／mm²，爐頭外徑選擇在120mm～130mm內(nèi)，設(shè)計火孔總面積為250mm²～350mm²，e值分布在35～45之間。樣本17～20的CO排放響應(yīng)表現(xiàn)并不理想，所有4臺樣本在所有測試工況下CO排放均在500×10^-6以上；熱效率響應(yīng)方而4臺樣本表現(xiàn)尚屬理想；但若同時考慮CO排放和熱效率，則發(fā)現(xiàn)旋縫火孔樣本同樣出現(xiàn)網(wǎng)形火孔樣本的問題，均是在熱效率達(dá)標(biāo)的情況下CO排放嚴(yán)重超標(biāo)。統(tǒng)計樣本l5～20這6臺樣本的爐頭設(shè)計發(fā)現(xiàn)，設(shè)計火孔熱強(qiáng)度偏小，均小于7W/mm²，最小達(dá)到了3.7W／mm²；爐頭外徑則集中在120mm～130mm之間，設(shè)計火孔總面積偏大，均大于440mm²，最大達(dá)到了832mm²，e值整體較大分布在10～30之間。綜合樣本15～20的爐頭設(shè)計統(tǒng)計數(shù)據(jù)，火孔憩面積設(shè)計偏大且e值選擇偏小，則爐頭火孔分布過于集中，火焰易連焰變軟，二次空氣供給變差燃燒不完全，從而影響燃燒效率，增加污染物排放。

因此，應(yīng)對氣源氣質(zhì)變化適應(yīng)能力較強(qiáng)的旋縫火孔燃?xì)庠罹?，其爐頭參數(shù)設(shè)計為：火孔熱強(qiáng)度為8.5W／mm～1l.5W／mm²，爐頭外徑選擇在120mm～130mm內(nèi)，火孔總面積為250mm²～ 350mm²，e值分布在35～45之間。

4　結(jié)論

本文根據(jù)65臺燃?xì)庠顮t頭樣本的設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計，同時結(jié)合20臺樣本的性能響應(yīng)分析，總結(jié)歸納了圓形火孔灶具和旋縫火孔灶具適應(yīng)性較強(qiáng)的爐頭設(shè)計參數(shù)。因條縫形火孔大多是旋縫型的，很難測得其實際的火孔面積大小，采用測量其邊長并相乘的方式作為條縫形火孔的火孔面積，得到的結(jié)果往往比實際火孔面積大，火孔熱強(qiáng)度偏小，所歸納的爐頭設(shè)計參數(shù)可能存在偏差。另一方面，民用燃?xì)庠罹叩娜紵阅懿粌H與爐頭設(shè)計有關(guān)，同時還涉及引射器設(shè)訓(xùn)一、鍋架高度、灶具大小尺寸空間等因素。因此，本文所歸納的適應(yīng)能力較強(qiáng)的民用燃?xì)庠顮t頭設(shè)計參數(shù)只是給出了某種程度的建議。但對于目前國內(nèi)燃?xì)庠?，由于其品牌繁多、設(shè)計不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)迥異、參數(shù)不合理，對氣源的適應(yīng)能力干差萬別、良莠參差，這將極不利于在氣質(zhì)波動下的用戶正常使用，為日常的氣質(zhì)管理帶來極大的不便。為此，建議民用灶具生產(chǎn)廠家在民用燃?xì)庠顮t頭設(shè)計時，就一個城市氣源氣質(zhì)情況慎重選擇爐頭設(shè)計參數(shù)，在保證灶具高性能、高適應(yīng)性的前提下，推陳出新盡量統(tǒng)一灶具結(jié)構(gòu)類型，灶具類型越少整體適應(yīng)能力越強(qiáng)，越利于城市氣源氣質(zhì)管理。

參考文獻(xiàn)

1 International Energy Agency.Natural Gas in China Market Evolution and Strategy[R].2009

2王啟，高文學(xué)，趙自軍等.中國燃?xì)饣Q性研究進(jìn)展[J].煤氣與熱力，2013；33（2）：14-20

3李猷嘉.燃?xì)赓|(zhì)量變化對終端用戶的影響——當(dāng)今液化天然氣質(zhì)量與互換性研究進(jìn)展論述之一[J].城市燃?xì)猓?span lang="EN-US">2011；07：4-15

4李猷嘉.論液化天然氣與管道天然氣互換性[J].城市燃?xì)猓?span lang="EN-US">2009；06：3-14

5李猷嘉．正確處理滅然氣質(zhì)量中的燃?xì)饣Q性問題(第一部分)[J]．城市燃?xì)猓?span lang="EN-US">2008；03：6-10

6李猷嘉．燃?xì)赓|(zhì)量中的互換性問題[J]．城市燃?xì)猓?span lang="EN-US">2007；08：3-9

7金志剛．燃?xì)饣Q性、燃具適應(yīng)性與燃?xì)夥诸?span lang="EN-US">[C]．中國土木工程學(xué)會城市燃?xì)夥謺?yīng)用專業(yè)委員會，2009

8同家質(zhì)檢總局．GB l6410—2007家用燃?xì)庠罹?span lang="EN-US">[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

9 Elmer R．Weaver．Formulas and Graphs for Representing the Interehangeabilit]of Fuel Gases[J]．Journal of Research of the National Bureau of Standards，Vol.46：NO 3，March 1951

10同濟(jì)大學(xué)編著．燃?xì)馊紵c應(yīng)用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000；9：137-149

作者單位：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

本文作者：張楊竣秦朝葵