摘要：利用管輸天然氣摻混乙烷形成配制氣模擬LNG的方法，測試了3種不同結構型式的家用燃氣灶在不同的管輸氣與配制氣摻混比例下燃燒性能的變化情況。隨著配制氣摻混比例的提高，燃氣灶的熱負荷增大，熱效率降低，CO排放量的變化規(guī)律隨灶具結構型式而異。天然氣互換性問題的解決需要同時從氣源和燃具兩方面進行。
關鍵詞：液化天然氣；管輸天然氣；互換性；實驗研究
Experimental Research on Interchangeability between LNG and Pipeline Natural Gas
REN Xing-chao，WU Zhi-iin，DAI Wan-neng
Abstract：The synthetic gas is formed by mixing pipeline natural gas with ethane to simulate LNG. The variation in combustion performance of three different types of domestic gas ranges at different mixing ratios of pipeline natural gas and synthetic gas is measured. With increasing of mixing ratio of synthetic gas，the heat load of gas range is increased，and the thermal efficiency is decreased. The variation in CO emission depends on the type of gas range. The solution of natural gas interchangeability should be based on both gas source and gas appliance.
Key words：LNG；pipeline natural gas；interchangeability；experimental research
1 概述
管輸天然氣在天然氣貿(mào)易中一直占較大比例，長距離高壓輸送必須脫除易凝析的組分，因此管輸天然氣的熱值較低。LNG貿(mào)易初期，一些進口國在LNG接收站建立了加工廠，提取乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、正己烷等，作為單獨產(chǎn)品出售，同時保證外輸天然氣的組成與管輸天然氣相當，形成了天然氣凝析液(Natural Gas Liquid，NGL)工業(yè)[1]。隨著LNG價格的升高，凝析液提取工藝的經(jīng)濟性降低，外輸天然氣中開始保留比管輸天然氣更多的高熱值組分。表1給出了國內(nèi)一些城市的管輸天然氣與LNG的華白數(shù)和低熱值，其中LNG的低熱值和華白數(shù)普遍高于管輸氣。
此外，由于液化工藝的要求，LNG中N2極少，幾乎不含CO2，而這些組分在管輸天然氣中普遍存在。管輸天然氣與LNG在熱值和組成方面的不同，導致了天然氣互換性問題[2、3]，該問題涉及家用、工業(yè)和商用[4]。工業(yè)燃燒器，尤其是低污染的新型燃燒器，對氣源的波動耐受度更差，但工業(yè)燃燒器的數(shù)量比家用和商用燃燒器要少得多，且多為專線供氣、專人維護，其所用燃氣的互換性問題解決起來相對容易。家用、商用燃燒器對氣源要求較低，對氣源波動有一定的適應能力，但量大面廣，工作人員很難深入到每家每戶現(xiàn)場解決問題。
與國外較多的使用LNG來永久替換管輸天然氣的情況不同，上海市的LNG與管輸天然氣都接入到同一個高壓管網(wǎng)中。這樣，就可能發(fā)生在管網(wǎng)的不同接入點、用戶處的天然氣組成隨著季節(jié)、輸送條件的變化而變化的情況。有學者對氣源變動時天然氣互換性問題進行了理論計算[5、6]，但任何一種互換性判定方法都建立在大量的實驗基礎上。國外的互換性判定方法能否用于國內(nèi)的天然氣互換性判定，仍需要實驗驗證。因此，為預先了解LNG接入上海市天然氣管網(wǎng)之后家用燃燒裝置可能出現(xiàn)的問題，本文選擇了較為常見的嵌入式、臺式家用燃氣灶，采用管輸天然氣摻混乙烷的方法模擬上海市即將進口的LNG，系統(tǒng)地測試了在不同的LNG與西氣東輸天然氣(以下簡稱西氣)摻混比例下，家用燃氣灶的CO排放量、熱效率、熱負荷等性能參數(shù)的變化情況。
表1 各種天然氣的燃燒特性
|
氣源
|
華白數(shù)/(MJ·m-3)
|
低熱值/(MJ·m-3)
|
|
陜甘寧1
|
48.24
|
33.46
|
|
陜甘寧2
|
47.08
|
32.65
|
|
塔里木1
|
50.28
|
34.42
|
|
塔里木2
|
50.35
|
33.96
|
|
廣西北海1
|
50.18
|
36.84
|
|
廣西北海2
|
53.62
|
39.07
|
|
成都
|
48.31
|
32.87
|
|
東海平湖
|
48.50
|
34.68
|
|
青島
|
50.12
|
34.21
|
|
昌邑
|
45.93
|
33.75
|
|
渤海
|
45.93
|
33.43
|
|
四川普光
|
47.53
|
32.80
|
|
迪那2號
|
52.20
|
37.39
|
|
克拉2號
|
50.19
|
34.27
|
|
華北油田
|
51.18
|
37.11
|
|
珠海海上
|
51.69
|
35.89
|
|
廣東LNG
|
53.18
|
38.26
|
|
福建LNG
|
46.70
|
37.12
|
|
海南LNG
|
53.23
|
39.19
|
|
新疆LNG
|
52.69
|
38.81
|
|
中原LNG
|
51.23
|
35.11
|
|
上海LNG
|
53.30
|
38.50
|
2 配氣
2.1 配氣方案
表2列出了西氣與即將進口的LNG的組成和燃燒特性。顯然，LNG中非甲烷烴類的含量較多，與西氣相比，其低熱值高13%，華白數(shù)高7%。
表2 上海市西氣與LNG的組成和燃燒特性
|
項目
|
西氣
|
LNG
|
|
|
體積分數(shù)/%
|
CH4
|
98.10
|
89.39
|
|
C2H6
|
0.51
|
5.76
|
|
|
C3H8
|
0.04
|
3.30
|
|
|
i-C4H10
|
0.01
|
0.78
|
|
|
n-C4H10
|
0.01
|
0.66
|
|
|
C5H12
|
0.05
|
0.00
|
|
|
N2
|
0.70
|
0.11
|
|
|
CO2
|
0.58
|
0.00
|
|
|
相對密度
|
0.57
|
0.64
|
|
|
低熱值/(MJ·m-3)
|
33.81
|
38.50
|
|
|
華白數(shù)/(MJ·m-3)
|
49.84
|
53.30
|
|
|
燃燒勢
|
39.59
|
43.93
|
|
因目前尚無真實LNG可供實驗測試，故采用西氣摻混乙烷的方法來配制LNG，使其華白數(shù)、燃燒勢與LNG一致。與丙烷摻混氮氣、氫氣的方法相比，此方法不但可更真實地反映LNG的組成、熱值等特性參數(shù)，而且兩組分配氣操作更簡單，影響配氣結果的因素更少，準確度更高。
2.2 配氣系統(tǒng)及流程
配氣系統(tǒng)由供氣和儲氣兩部分組成(見圖1)。由于采取西氣摻混乙烷的配氣方案，供氣管道得以簡化，乙烷與西氣使用同一個燃氣表進行計量，進入濕式儲氣罐之后，利用頂置風機攪拌、加強混合，使得配制氣最大程度地混合均勻。
首次配氣時，先將氮氣瓶中氣態(tài)N2充入濕式儲氣罐中，置換濕式儲氣罐中殘余空氣3次，直至其中O2體積分數(shù)＜0.3%；然后用西氣再置換濕式儲氣罐內(nèi)氣體3次。以后的配氣則不再用N2置換，只用西氣置換即可。
為消除配氣管道及濕式儲氣罐內(nèi)殘余氣體對配氣準確度的影響，即保證計量體積為實際進入罐內(nèi)的氣體體積，采用西氣、乙烷、西氣的進氣順序。配氣前和配氣后管道中殘留的氣體均為西氣(最后配入的西氣體積大于配氣管道體積的3倍)，抵消了這部分管道體積對計量的影響。乙烷瓶中的液態(tài)乙烷自然氣化，經(jīng)過計量后配入濕式儲氣罐中。實際配制時，若需要乙烷量較大，則將乙烷分兩次配入，即采用西氣、乙烷、西氣、乙烷、西氣的進氣次序，既可緩解乙烷氣化后減壓、降溫對減壓閥性能及體積計量的影響，也可保證天然氣在最先和最后進入濕式儲氣罐的原則。
2.3 配氣結果
配氣完成之后，對配制氣取樣進行色譜分析。在實驗測試過程中，多次進行取樣分析。表3為某次LNG配制氣通過色譜分析后得到的組成結果。
表3 配制氣組成分析
|
項目
|
取樣1
|
取樣2
|
取樣3
|
取樣4
|
|
|
體積分數(shù)/%
|
CH4
|
75.47
|
75.46
|
75.48
|
75.47
|
|
C2H6
|
21.96
|
21.99
|
21.97
|
21.97
|
|
|
C3H8
|
0.70
|
0.70
|
0.70
|
0.70
|
|
|
i-C4H10
|
0.09
|
0.09
|
0.08
|
0.09
|
|
|
n-C4H10
|
0.09
|
0.08
|
0.08
|
0.09
|
|
|
C5H12
|
0.03
|
0.04
|
0.04
|
0.04
|
|
|
N2
|
1.08
|
1.06
|
1.06
|
1.06
|
|
|
C02
|
0.58
|
0.58
|
0.59
|
0.58
|
|
|
華白數(shù)/(MJ·m-3)
|
53.35
|
53.34
|
53.36
|
53.36
|
|
|
華白數(shù)相對偏差/%
|
0.09
|
0.09
|
0.11
|
0.11
|
|
|
燃燒勢
|
43.99
|
43.99
|
44.00
|
44.00
|
|
|
燃燒勢相對偏差/%
|
0.12
|
0.12
|
0.13
|
0.13
|
|
幾次取樣結果顯示配制氣與目標氣之間的華白數(shù)及燃燒勢偏差都在0.1%左右，且較為穩(wěn)定，說明西氣、乙烷兩組分配氣方案具有較好的配氣準確度。
3 測試過程
3.1 燃氣灶選擇
選擇臺式灶1臺(簡稱A型灶)、條縫火孔的嵌入式灶1臺(簡稱B型灶)、圓火孔嵌入式灶1臺(簡稱C型灶)，對這3種不同類型的家用燃氣灶進行測試。
3.2 測試步驟
文獻[7]對測試用氣的種類和壓力進行了詳細的規(guī)定。國內(nèi)家用燃氣灶結構型式多樣，為簡單起見，針對用戶處可能出現(xiàn)的真實問題，制訂如下的測試步驟：
① 以西氣為基準氣，保持2kPa的灶前壓力，對燃氣灶一次風門進行調(diào)節(jié)，使火焰內(nèi)錐明亮、高度適中。在風門由最小到最大的過程中，內(nèi)錐高度會出現(xiàn)由長到短、再拉長的變化，這種變化的程度隨著灶具結構的不同而不同。嵌入式灶進風阻力較大，出現(xiàn)內(nèi)錐明亮狀態(tài)的風門位置較窄、容易確定；對臺式灶，風門可能會在相當大的范圍內(nèi)變化而火焰狀態(tài)沒有明顯的變化。置換氣可否置換基準氣與燃具的初始調(diào)節(jié)工況有關，而其中最關鍵的因素則是一次風門的開度。用戶在實際安裝使用時，一般不會對購買的灶具進行專業(yè)的調(diào)整。因此按照上述方法確定的內(nèi)錐明亮、高度適中的火焰狀態(tài)，可認為是最佳初始狀態(tài)。
② 按照文獻[7]的規(guī)定，進行C0排放量、熱負荷、熱效率的測試。
③ 保持一次風門開度不變，利用配制氣測試CO排放量、熱負荷、熱效率等指標。
④ 依次配制不同比例的配制氣與西氣的混合氣，重復步驟③。
4 測試結果與分析
A、B、C型家用燃氣灶性能隨氣源組成的變化分別列于表4～6。
對這3種灶具，總體上熱負荷均隨著配制氣比例的增加而增大，這是由于西氣摻混配制氣后華白數(shù)增大造成的。但B型灶熱負荷的增大規(guī)律與A、C型略有不同。分析原因，可能是B型灶的噴嘴的噴射性能與A、c型灶不同。
3種灶具的熱效率總體隨著配制氣比例增加而減小，但規(guī)律性不顯著。分析認為，配制氣中含有較多的非甲烷烴類，一次空氣進口不變的情況下，配制氣含量的增加使一次空氣系數(shù)減小、火焰長度增加，火焰與鍋底的相對位置發(fā)生變化而導致熱效率變化。由于各型灶具的結構、工藝不盡相同，熱效率隨配制氣含量變化的關系也有各自的特點。
CO排放量隨著灶具結構型式的不同而呈現(xiàn)不同的特點。對A型灶，因過分追求熱效率指標而導致鍋架設計高度較低，當配制氣比例增加時，CO排放量急劇增高。但在100%配制氣時的CO排放量比80%配制氣時更低，這可能與國家標準規(guī)定的煙氣取樣方式有關。對B、C型灶，即使在100%配制氣的情況下，CO排放量也保持在相對低的水平，沒有超標。進一步分析發(fā)現(xiàn)這兩種灶具的引射能力較好，如B型灶在西氣工況下的一次空氣系數(shù)高達0.7，配制氣的加入并未導致CO排放量的顯著增加。
表4 A型家用燃氣灶性能隨氣源組成的變化
|
配制氣體積分數(shù)/%
|
熱負荷/kW
|
熱效率/%
|
φ(O2)
/%
|
φ(CO)
/%
|
|
0
|
3.54
|
60.6
|
11.1
|
0.042
|
|
20
|
3.61
|
61.0
|
10.4
|
0.060
|
|
40
|
3.69
|
58.0
|
10.7
|
0.052
|
|
60
|
3.77
|
57.8
|
10.2
|
0.112
|
|
80
|
3.81
|
57.7
|
10.7
|
0.139
|
|
100
|
3.99
|
56.9
|
9.3
|
0.056
|
|
注：φ(O2)——干煙氣樣中O2的體積分數(shù)，以下同
φ(CO)——過?？諝庀禂?shù)α=1時，干煙氣樣中CO的體積分數(shù)，以下同
|
||||
表5 B型家用燃氣灶性能隨氣源組成的變化
|
配制氣體積分數(shù)/%
|
熱負荷/kW
|
熱效率/%
|
φ(O2)/%
|
φ(CO)/%
|
|
0
|
3.52
|
55.0
|
12.0
|
0.006
|
|
20
|
3.51
|
54.3
|
13.0
|
0.016
|
|
40
|
3.50
|
50.4
|
13.5
|
0.018
|
|
60
|
3.66
|
48.8
|
13.0
|
0.016
|
|
80
|
3.64
|
51.4
|
12.7
|
0.019
|
|
100
|
3.87
|
48.4
|
11.0
|
0.026
|
表6 C型家用燃氣灶性能隨氣源組成的變化
|
配制氣
體積分數(shù)/%
|
熱負荷
/kW
|
熱效率
/%
|
φ(O2)/%
|
φ(CO)/%
|
|
0
|
3.64
|
53.6
|
12.3
|
0.010
|
|
20
|
3.73
|
53.4
|
12.5
|
0.018
|
|
40
|
3.79
|
51.0
|
11.8
|
0.017
|
|
60
|
3.85
|
50.6
|
11.4
|
0.030
|
|
80
|
3.89
|
52.0
|
8.6
|
0.027
|
|
100
|
4.03
|
50.4
|
12.4
|
0.030
|
5 結論
LNG因生產(chǎn)與運輸工藝的不同而在組成方面與長距離高壓輸送的管道天然氣有一定差別，這種差別會導致燃具性能的變化，由此產(chǎn)生天然氣互換性問題。本文采用實驗研究的方法，以西氣和乙烷的配制氣模擬LNG，對3種常見結構的家用燃氣灶進行了不同摻混比例下的性能測試。結果表明：隨著配制氣比例的增加，熱負荷增加，但熱效率下降；CO排放量隨著灶具結構型式的不同而呈現(xiàn)不同的特點。
互換性問題不能離開燃具而單獨存在。不同燃具對氣源變化的敏感性不盡相同，具有良好適應性的灶具能夠在上海市引入LNG后性能不發(fā)生顯著改變。因此，天然氣互換性問題不應單純從氣源角度考慮，而應同時從氣源和燃具兩方面進行管理和控制，才能妥善解決。
參考文獻：
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[7] GB 16410—2007，家用燃氣灶具[S].
(本文作者：任興超1 吳之覲2 戴萬能2 1.西安秦華天然氣有限公司 陜西西安 710075；2.同濟大學機械工程學院 上海 201804)
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