天然氣組分變化時燃?xì)鉄崴鞯男阅茼憫?yīng)研究

摘 要

摘要：使用管道天然氣摻混乙烷、氮氣的方法模擬LNG，并配制不同比例管道天然氣與LNG的摻混氣，對上海市場上幾種熱水器的熱工性能進(jìn)行響應(yīng)測試。測試結(jié)果表明：隨LNG比例的增加，熱水
摘要：使用管道天然氣摻混乙烷、氮氣的方法模擬LNG，并配制不同比例管道天然氣與LNG的摻混氣，對上海市場上幾種熱水器的熱工性能進(jìn)行響應(yīng)測試。測試結(jié)果表明：隨LNG比例的增加，熱水器負(fù)荷增加，熱效率下降，C0排放基本處于國標(biāo)允許的范圍內(nèi)，N0x排放無顯著變化。熱效率的變化會引起能效指標(biāo)管理方面的混亂，需引起重視。
關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄崴?；上海；響?yīng)；實驗研究；天然氣；互換性
Experimental Study on Response of Water Heaters to Different Composition of Natural Gas
College of Mechanie Engineering，Tongii University Yang Xianchao，Qin Chaokui，Tong Chao
Abstract：Pipeline natural gas(PNG)in lab was blended with ethane and nitrogen to simulate liquefied natural gas(LNG).The mixed gases of LNG and PNG at different proportions were used to test performance response of several water heaters popular in Shanghai markets.The result shows that when the percentage of LNG increased from 0% to 100%，the heat load of water heater increased，the thermal efficiency decreased.the CO emission is basically less than 500ppm，which comply with the national standard，and no significant change was observed in NOx emission.Serious attention should be paid to thermal efficiency changes，close related to Energy Efficiency Administration.
Keywords：gas-fired water heater；shanghai；response；experimental study；natural gas；interchangeability
1 背景
    目前上海市燃?xì)夤芫W(wǎng)中有4種氣源：西氣東輸天然氣(下簡稱西氣)、東海天然氣(下簡稱東氣)、川氣和進(jìn)口LNG。在組分與燃燒特性上，LNG與前三種天然氣存在較大差別。因此，管網(wǎng)中的用戶將會面對波動的氣源組分，所使用的天然氣為管道天然氣與LNG的某種混合氣體。對于這種可能出現(xiàn)的組分波動，燃具會發(fā)生何種變化？是否能夠保持良好的適應(yīng)性？這是多氣源天然氣供應(yīng)格局下必須回答的問題。
    燃?xì)饫弥械陌踩珕栴}一直以來都被人們高度關(guān)注。已有的互換性指標(biāo)(如AGA指數(shù)法、Weaver指數(shù)法以及德爾布法等)均是從安全要求出發(fā)來判斷燃具的互換性，國外制定的這些判別法也是針對其自身氣源和燃具，而我國的燃具設(shè)計理念、制造技術(shù)、氣源成分等均與國外有較大區(qū)別。這些判別法能否適用，尚需進(jìn)行實驗驗證。
    天然氣的普及使燃?xì)鉄崴鞯靡钥焖侔l(fā)展，家用快速熱水器已成為居民必備的燃?xì)饩咧弧橄到y(tǒng)考察LNG接入天然氣管網(wǎng)后，用戶處可能發(fā)生的問題，本文選擇上海燃具市場上具有代表性的7臺燃?xì)鉄崴?，通過配制不同比例管輸氣與LNG的摻混氣，測試熱水器的熱負(fù)荷、熱效率、C0排放等性能指標(biāo)的變化情況。
2 實驗用氣
    用戶處的氣源應(yīng)為不同比例的管輸氣與LNG的混合氣體，最富時為LNG，最貧時為管輸氣。重點需考察當(dāng)氣源由100%管輸氣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?00%的LNG時，熱水器的熱負(fù)荷、效率、C0、NOx等發(fā)生的變化。已知西氣、東氣、川氣及LNG 4種氣源組分，但在實驗進(jìn)行時LNG尚未引進(jìn)上海燃?xì)夤芫W(wǎng)。因此，在實驗室內(nèi)采用管輸氣摻混乙烷、氮氣的方法配制LNG，此種方法既反映了LNG乙烷含量較高的特點，又簡化了實際配氣流程。通過配氣后的色譜取樣分析，發(fā)現(xiàn)配制氣與目標(biāo)氣LNG之間華白數(shù)與燃燒勢偏差基本穩(wěn)定在±0.1%左右，符合國標(biāo)關(guān)于配氣的規(guī)定[1]。
    按照上述方案配制的LNG以不同比例(0、20%、40%、60%、80%、100%)與實驗室管輸氣摻混即可模擬真實情況下用戶處的氣源組分。配氣裝置見圖1，配氣時采取西氣-乙烷-氮氣多次交替進(jìn)入的方式，盡可能保證均勻。監(jiān)測膜式燃?xì)獗硖幍娜細(xì)鉁囟?，以便于進(jìn)氣量的修正。配氣的目標(biāo)原則是華白數(shù)與目標(biāo)氣一致，燃燒勢盡可能接近。表1給出了實驗室配制的測試用氣組分及特性，以LNG比例作為標(biāo)識。作為對比，同時給出了LNG的實際組分。

3 實驗燃具
    實驗燃具的選擇是互換性實驗中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，只有采用一定市場占有率且具有結(jié)構(gòu)代表性[2]的燃具進(jìn)行實驗，得出的結(jié)論才具有一定的代表性。南、由上海市燃?xì)庑袠I(yè)管理部門結(jié)合燃具牛產(chǎn)氽業(yè)的銷售情況，篩選了上海市場上占有率最高的4個品牌燃?xì)鉄崴鳎暨x各自有代表性的型號(共7臺)進(jìn)行測試。樣機基本情況如表2。必須說明的是：熱水器不同于燃?xì)庠?，沒有任何用戶可以干預(yù)的調(diào)節(jié)手段，而燃?xì)庠畋仨氝M(jìn)行必要的一次空氣調(diào)節(jié)，以獲取較好的初始狀態(tài)。
 
表2 燃?xì)鉄崴鳒y試的樣機概況
序號
品牌
型號
型式
額定功率
額定效率
1
1
A
室內(nèi)強排型
20kW
88%
2
1
B
戶外強排型
22kW
88%
3
2
A
室內(nèi)強排型
20kW
88%
4
2
B
數(shù)碼恒溫型
26kW
88%
5
3
A
數(shù)碼恒溫型
21kW
84%
6
3
B
室內(nèi)強排型
21kW
84%
7
4
A
室內(nèi)強排型
21kW
88%
4 測試方法與流程
    試驗參照GB6932—2001《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌芬?guī)定的試驗條件、試驗條目和試驗方法，重點考察燃?xì)鉄崴髟跓o風(fēng)條件下的燃燒工況(火焰狀態(tài)及排放)以及熱負(fù)荷、熱效率的變化，部分測試細(xì)節(jié)根據(jù)具體情況有所調(diào)整，于是制定以下測試流程：
    (1) 選定待測熱水器，進(jìn)行安裝，凋試。對于非恒溫機，將燃?xì)忾y門開至最大，調(diào)節(jié)出水溫度比進(jìn)水溫度高40±1℃，當(dāng)不能調(diào)節(jié)至此溫度時，在熱水器溫度可調(diào)范圍內(nèi)，淵節(jié)至最接近的溫度。對于恒溫機，將溫度設(shè)定在最高狀態(tài)，適當(dāng)提高進(jìn)水樂力，使熱水器在最大負(fù)荷狀態(tài)下工作；
    (2) 使用管輸氣預(yù)熱熱水器15min，切換到測試用氣，煙氣取樣管放置到熱水器排煙管內(nèi)；預(yù)熱的做法相對國標(biāo)有改動，其主要目的在于節(jié)省配制氣用量；
    (3) 操作員A提示實驗開始并計時，同時操作員C開始稱取熱水，操作員A負(fù)責(zé)計量燃?xì)饬髁亢妥x取進(jìn)水溫度，操作員B負(fù)責(zé)讀取出水溫度和煙氣中C0、N0x、02含量，此后A與C間隔1Os讀取進(jìn)出水溫度；
    (4) 待流量計走動2圈，A提示實驗結(jié)束并結(jié)束計時，同時C停止稱取熱水，關(guān)閉煙氣分析儀；
(5) 停水溫升的測試。讀取當(dāng)前出水溫度，關(guān)閉熱水器，1min后開啟熱水器，讀取熱水的最高出水溫度。
 

5 實驗結(jié)果與分析
5.1 測試結(jié)果
    對7臺燃?xì)鉄崴髟?種氣源下進(jìn)行了重復(fù)測試，獲得了每臺熱水器的熱負(fù)荷、熱效率及C0和N0x排放變化情況，如圖3～圖6所示。采用數(shù)字表示品牌，字母表示型號。
5.1.1熱負(fù)荷
    為了能夠準(zhǔn)確反映出不同燃?xì)饨M分下的熱負(fù)荷變化情況，采用實測熱負(fù)荷指標(biāo)來衡量熱水器在用戶側(cè)的熱負(fù)荷性能。具體計算方法參見GB16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺逢P(guān)于實測熱負(fù)荷的規(guī)定。

    圖3為LNG比例對熱水器熱負(fù)荷的影響。熱水器的熱負(fù)荷隨著LNG比例的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，其變化規(guī)律隨著熱水器結(jié)構(gòu)型式與品牌的不同而不同。
    理論上似乎可以用華白數(shù)來預(yù)測熱負(fù)荷的變化，從100%管輸氣變化到100%LNG，華白數(shù)增加了6%，對于不同品牌的熱水器，熱負(fù)荷的增加基本上未超出5%，熱水器1-B達(dá)到最高的偏差4.6%。個別點的熱負(fù)荷與總體變化趨勢的偏離可以認(rèn)為是燃?xì)庹扯葘?dǎo)致噴嘴流量發(fā)生變化所致。
    比較各型號熱水器在設(shè)計氣下的熱負(fù)荷，得出在氣源從100%管輸氣變化到100%LNG時每種熱水器的熱負(fù)荷偏差值。表巾熱負(fù)荷偏差較大者用棕色底紋標(biāo)識出?？芍獰崴?-A與4-A在氣源變化時會發(fā)生比較明顯的響應(yīng)，可能導(dǎo)致用戶處的不滿。
5.1.2熱效率
    熱效率為強制性指標(biāo)，必須嚴(yán)格服從現(xiàn)有的熱水器能效等級管理制度。
    圖4為LNG比例對熱水器熱效率的影響。熱水器的效率隨LNG比例的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)由管輸氣變化到摻混20%LNG時，效率的下降最為明顯，之后隨著LNG比例的增加，效率基本趨于穩(wěn)定。

    效率并非燃具互換性判斷的必要條件。目前的熱水器能效管理制度[3]規(guī)定，三級能效不小于84%，二級不小于88%，一級不小于96%。氣源組分的變化所造成的效率變化，可能會引發(fā)熱水器實際工作效率與能效標(biāo)識不吻合的情況。以二級能效88%為考量基準(zhǔn)，熱水器1-A、1-B、2-A、2-B和4-A在20%～100%LNG下均達(dá)不到產(chǎn)品標(biāo)識的能效，而熱水器3-A和3-B均達(dá)到要求的三級能效84%。天然氣組分的變化引起的此類問題應(yīng)加以注意。
5.1.3 C0排放
    C0作為安全指標(biāo)，是室內(nèi)機安全性能的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。煙氣的值應(yīng)在炯?xì)庵?2含量≤14%時進(jìn)行讀取?？紤]到煙氣被空氣稀釋的程度不同，應(yīng)將煙氣中的C0體積分?jǐn)?shù)換算成過?？諝庀禂?shù)α=1時的體積分?jǐn)?shù)，具體換算公式參見文獻(xiàn)[5]。

    圖5為LNG比例對熱水器C0排放的影響。隨著LNG比例的增加，熱水器的C0值呈現(xiàn)增大趨勢。
    7臺燃?xì)鉄崴髟诓煌壤齃NG下基本上沒有出現(xiàn)C0排放超標(biāo)問題，均在國標(biāo)允許的范圍之內(nèi)，僅品牌2-A在80%LNG和100%LNG時出現(xiàn)了較為顯著的C0超標(biāo)現(xiàn)象。
    另外，比較圖4的效率曲線發(fā)現(xiàn)C0排放與效率曲線呈現(xiàn)相反的變化趨勢，效率高的熱水器C0排放量較低。LNG比例越高，燃?xì)鉄嶂翟酱?，燃燒所需理論越多，但由于空氣供給量的限制，燃燒不完全程大，導(dǎo)致C0排放增加。同時火焰的長短也發(fā)生，而火孔到燃燒室出口的距離不變，傳熱量下以致效率下降。
5.1.4 NOx排放情況
    NOx的主要部分為thermal-N0x，其生成主要受燃燒溫度的影響。據(jù)資料顯示，當(dāng)溫度高于1800K時N0x的生成才變得重要。為了說明問題，下面也給出了N0x的值，處理方法同CO一樣。

    圖6為LNG比例對熱水器N0x排放的影響。N0x排放隨LNG比例的增加呈現(xiàn)無規(guī)律的變化趨勢，但基本穩(wěn)定在50×10-6～80×10-6之間。由于熱水器的燃燒室體積較小，相對散熱強烈[4]，燃燒室內(nèi)溫度較低，N0x生成量很小。
5.2 結(jié)果分析
    針對7臺熱水器，隨著氣源組分從100%管輸氣變化到100%LNG，華白數(shù)增加，最大變化為6%，此時，
    (1) 熱水器熱負(fù)荷增加，熱效率降低，CO排放增加，N0x無濕著變化；
    (2) 熱負(fù)荷變化最大為+4.8%，不超過+5%；但相對設(shè)計熱負(fù)荷，一些熱水器的熱負(fù)荷出現(xiàn)了較大偏差，尤其是熱水器2-A和4-A，在幾乎所有試驗氣下熱負(fù)荷的變化都超出了5%：
    (3) 熱效率不是互換性指標(biāo)。但是除了3-A和3-B以外，幾乎所有熱水器在試驗氣下熱效率均不達(dá)標(biāo)，這一點應(yīng)加以重視；
    (4) CO排放基本處于國標(biāo)允許的范圍內(nèi)，僅2-A在80%和100%LNG時出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；
    (5) 熱水器實驗不同于灶具實驗，理論上似可以從觀火孔中考察火焰形態(tài)，但由于觀火孔視野小，無法全面觀測，且黃焰受金屬揮發(fā)影響較大，所以，在實際熱水器實驗中，燃燒工況無法得以準(zhǔn)確觀測考量[5]。
6 結(jié)論
   進(jìn)口LNG在參數(shù)特性上與管輸氣的顯著差別使得管網(wǎng)中氣源組分及特性發(fā)生了較大程度的波動，為了考察氣源波動對接入管網(wǎng)中的家用燃?xì)鉄崴餍阅艿挠绊?，采用實驗室管道氣摻混乙烷、氮氣模擬上海即將進(jìn)口的LNG，配制了不同比例LNG與管道氣混合氣，并進(jìn)行了摻混氣的一系列測試，測試結(jié)果表明：
    隨著LNG摻混比例的增加，熱水器熱負(fù)荷顯著增加，一些熱水器的熱負(fù)荷變化會導(dǎo)致用戶處的不滿；當(dāng)LNG比例從0%變化到20%時，效率大幅降低，之后隨LNG比例增加，效率基本維持不變，部分熱水器的效率未達(dá)標(biāo)；CO排放基本處于國標(biāo)允許的范圍之內(nèi)；N0x排放在5×10-5～8×10-5之間波動；燃燒工況即火焰穩(wěn)定性無法準(zhǔn)確考量，需完善觀測手段；熱效率作為強制性指標(biāo)，但不作為互換性判斷指標(biāo)，但實際操作中應(yīng)加以考慮，結(jié)合能效標(biāo)準(zhǔn)來研究熱水器的熱工性能響應(yīng)情況。
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(本文作者：楊賢潮 秦朝葵 童超 同濟(jì)大學(xué) 機械工程學(xué)院 201804)