2019, Vol. 51
2. 同济大学 燃气工程研究所，上海 201804
2. HVAC & Gas Institute, Tongji University, Shanghai 201804, China
进入21世纪，中国天然气工业开始迅猛发展. 2007年，中国天然气消费量为711亿m3，2017年，消费量猛增至2 404亿m3，10年间年均增长率达13%以上[1].据预测，到2025年天然气的总供应量将达到6 000亿m3[2].
为提高燃气供应的可靠性，中国许多省、市在资源允许情况下均引入多种气源，多气源供气的格局逐渐形成.例如，广东省已规划建设的3 200 km省级管网，引入了陆地天然气、近海天然气和LNG，13个气源联合供气；上海现有5个气源，北京引入6个气源.不同气源之间存在组成的差异，同一燃烧设备使用不同燃气组成时，是否影响燃烧的稳定性以及影响程度，目前尚未开展过系统的研究.
在民用燃具方面，家用燃气灶(简称家用灶)已成为居民生活中使用数量最多的燃烧设备，年产销量在3 000万台左右[3].GB16410—2007《家用燃气灶具》[4]规定：家用灶功率在3.5 kW以上，其热效率与CO排放应同时满足一定的指标要求.当天然气组成发生变化时, CO如何变化，对于灶具的安全设计和入网气质的管理均非常重要.
燃烧设备的CO排放规律随气源组成的变化属于“燃气互换性”研究.欧美各研究机构通过大量的实验确立了不少预测方法，如AGA指数法、Weaver指数法、Dutton图形法、Delbourg图形法等.这些预测方法均是针对当时的燃烧方式、燃烧器结构以及可能出现的气源而开展的[5]，并且随着气源的变化、燃烧器结构的改变而不断通过实验来调整.文献[6-7]对中国燃气互换性问题做了综述，提出了研究方向，并对燃气互换性与燃气气质管理、燃气分类以及燃具适用性之间的关系进行了阐述.文献[8-10]关注气源的离焰、回火等问题，应用AGA指数对中国各地区气源的情况进行互换指数计算.张杨竣等[11]通过在基准燃烧器上的实验对AGA方法中的参数范围进行了修改，增强了其预测离焰、回火问题的准确性.王启等[12]通过实验，得到了i-C4H12、N2和H2 3种组分燃气以华白数、燃烧势作为表征燃具适应性的燃烧特性指数的结论.国内现有的研究主要是解决家用灶的离焰和回火问题，并没有能预测家用灶在不同燃气组成下CO排放的方法[13].
本文参考Dutton图形法的研究路线[14]，选用一台市场上典型家用灶，使用6组具有代表性的天然气及其三组分燃气，测试在不同功率和不同一次空气系数下的CO排放情况，确立了CH4、C3H8、N2三组分燃气在CO排放方面与原组成天然气的等价性.这将简化传统的、耗时费力的燃气配气工作.同时提供了PN数这一基于燃气组成的燃气气质参数来代替传统的燃烧势.另外，测试了在某一初始状态下，使用不同三组分天然气的CO排放情况，得到了目标家用灶在不同三组分燃气下的CO排放规律以及等CO排放线簇，可用于家用灶的CO排放预测，根据管理部门设定的允许值，可明确该种天然气可否进入天然气管网.最后，提出了一种寻找CO界限气的思路，可为后续的气质管理工作提供参考依据.
1 研究 1.1 实验测试用气考察中国天然气气源组分，选出6种具有代表性的天然气气源，其华白数和PN数范围可涵盖中国天然气气源.其中PN为三组分燃气中的丙烷与氮气的体积分数之和.根据Dutton法，分别计算出其等价三组分燃气，见表 1.其中原组成天然气的编号为O，对应三组分燃气的编号为T.
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表 1 测试用天然气及对应的三组分燃气 Tab. 1 Constituents of the test gas and the corresponding three-component gas |
测试台架参考GB16410—2007《家用燃气灶具》[4]设计，包括连续自动配气系统、烟气分析系统和燃具燃烧系统3部分, 如图 1所示.
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图 1 测试台架系统示意 Fig. 1 Schematic illustration of test system |
连续自动配气系统由5路质量流量计(MFC，S48 300/HMT)组成，分别连接中压管道天然气(PNG)和单一组分高压气体钢瓶.需配制的目标燃气组成、流量等可通过电脑设定和控制.配置原组成天然气时，向PNG中掺混C2H6、C3H8、N2等组分获得.
燃具燃烧系统包含一台测试灶具，选用市场上的一款嵌入式双眼灶(樱花SCG-6530s)，额定热负荷均为3.8 kW.右侧燃烧器的引射器改装为强制混合装置，如图 2所示.一次空气由压缩空气提供，质量流量计(MFC，S48 300/HMT)和湿式燃气表可协同工作，调整并计量一次空气流量.燃烧器分为内外圈，其燃气流量和一次空气流量均可单独控制和计量.三组分燃气与原组成天然气的等价性测试在右侧燃烧器上完成.左侧的大气式燃烧器结构保持不变，一次空气由引射器提供.在某个初始一次空气系数下，燃气组成发生变化时，引射器会自动调整到另一工作状态点.左侧燃烧器用于测试并探讨燃具的等CO排放规律.
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图 2 测试燃具(左侧为自然引射，右侧改装为强制混合) Fig. 2 Test burners (left: injectors; right: modified forced-mixed burner) |
烟气分析系统由烟气分析仪(Agilent GC7890)以及负责数据采集的电脑组成，烟气分析仪中装有真空泵，可通过取样环抽取烟气，分析烟气中的CO、CO2和O2的浓度.
1.3 测试流程 1.3.1 三组分燃气与原组成天然气的CO排放等价性测试GB13611―2006《城镇燃气分类和基本特性》[15]规定了天然气的华白数波动范围(12T天然气的华白数的变化范围限制了燃具的热负荷的变化范围，测试时，燃具的热负荷由90%~110%的额定热负荷调整).测试时的一次空气系数范围是0.40~0.60.一次空气系数、热负荷的变化范围涵盖家用灶可能的工况点.另外，测试过程中，外圈、内圈的燃气流量始终保持为1.0: 3.5，该比例为二者的引射器喷嘴面积之比.
首先设置连续自动配气系统，设定某一热负荷输入.同时，选定初始一次空气系数，计算一次空气量.内外圈的一次空气流量通过MFC调整并通过湿式表计量.待燃烧稳定后，烟气分析仪以1 Hz的采样频率持续采样10 min.之后，改变一次空气系数，重新设定MFC到下一个工况点，重复CO测试.最后，改变热负荷，重复上述测试步骤.即可得到在一系列热负荷下，CO排放随一次空气系数变化的值.
1.3.2 在燃具未经改装的燃烧器上进行等CO线测试首先使用12T-0基准气进行初始状态的调节.保持灶前压力为2 kPa，使燃烧器在额定热负荷下(3.8 kW)工作；调整一次空气，使火焰处于合适的形态，测试记录CO等烟气组分.然后使用不同的三组分燃气，保持灶前压力不变，测试记录对应的烟气组分.为考察华白数W和PN数对CO排放的影响，输入的测试三组分燃气以华白数W、PN数相等为原则.
2 结果与讨论 2.1 三组分燃气与原组成天然气在CO排放上的等价性测试家用灶具的引射器可在不同的状态点下工作，因此评价三组分燃气与原组成天然气在CO排放上的等价性时，应当寻求一种方法可以综合考虑热负荷与一次空气系数这两个工作性能参数的影响.
图 3为基准气(12T-0, 纯甲烷)在若干热负荷下的CO排放与一次空气系数α′的关系，显然，CO的排放随着一次空气系数增大而迅速减小.对比了几种函数形式的R2值和RMSE值，可以发现在保证回归效果最好的情况下，使用“ln(ECO)=u1×(α′)2+u2×(α′)+u3”这一形式来描述是最简便的. 图 4给出了灶具在燃用O1、O2及其对应的三组分燃气T1、T2时，测得的CO排放随一次空气系数和热负荷的变化情况.可以看到，在相同的一次空气系数和热负荷下，三组分燃气的CO排放与原组成天然气非常接近.相似地，CO排放的对数值与热负荷之间成二次函数关系.考察其他组成燃气的排放规律，均可得到相似的结论.
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图 3 不同一次空气系数下的家用灶CO排放(12T-0) Fig. 3 CO emission of gas cooker under various primary air coefficients (12T-0) |
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图 4 不同热负荷下的家用灶CO排放 Fig. 4 CO emission of gas cooker under various heat inputs |
为考察在不同工况下，三组分燃气的CO排放与原组成天然气CO排放的等价程度，即三组分燃气的CO排放在多大程度上与原组成燃气等价，并综合上述分析，即灶具CO排放的对数值与一次空气系数α′和热负荷Q均呈二次函数的关系，可构造函数(1)来描述CO排放随热负荷、一次空气系数的变化情况.不同燃气的系数矩阵A不同，均由函数(1)对原始数据的拟合获得.
若将ECO视作一次空气系数和热负荷的函数，定义一个参数I，为两个函数差值的绝对值的数学期望，如式(2).明显地，参数I的物理意义是两个ECO排放曲面之间的平均距离.若I < σO+σT(σO、σT分别为原组成ECO排放曲面和三组分燃气ECO排放曲面的面拟合均方根误差)，即可判定三组分燃气的CO排放与原组成燃气的CO排放等价.表 2中列出了6组原组成和三组分燃气之间的I、σO和σT的计算值.
| $ \ln \left( {{E_{{\rm{co}}}}} \right) = \left( {{Q^2}, Q, 1} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{l}} {{A_1}}&{{A_4}}&{{A_7}}\\ {{A_2}}&{{A_5}}&{{A_8}}\\ {{A_3}}&{{A_6}}&{{A_9}} \end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{l}} {{\alpha ^{\prime 2}}}\\ {{\alpha ^\prime }}\\ {\;1} \end{array}} \right), $ | (1) |
| $ I = EV\left( {\left| {\left( {{E_{{\rm{CO}}}}} \right) - \left( {{E_{{\rm{CO}}, {\rm{T}}}}} \right)} \right|} \right) = \frac{{\begin{array}{*{20}{c}} {\iint}\\ {\alpha 'Q} \end{array}\left| {{E_{{\rm{CO}}}} - {E_{{\rm{CO}}, {\rm{T}}}}} \right|{\rm{d}}{\alpha ^\prime }{\rm{d}}Q}}{{\begin{array}{*{20}{c}} {\iint}\\ {\alpha 'Q} \end{array}{\rm{d}}{\alpha ^\prime }{\rm{d}}Q}}. $ | (2) |
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表 2 参数I、σO及σT的计算值 Tab. 2 Value of parameter I, σO,and σT |
式中:ECO为原组成燃气的烟气中CO浓度, 10-6; ECO，T为三组分燃气的烟气中CO浓度, 10-6; Q为家用灶的热负荷, kW; A为拟合的系数参数; α′为一次空气系数.
表 2中的数据显示，各组测试气的I < σO+σT.可认为在这台燃具上，根据12T天然气在Dutton上的范围所选的这6组三组分燃气，其CO排放与原组成燃气的CO排放的等价性良好.因此12T天然气均可通过该三组分转换规则，投影到PN-W图上.
2.2 等一氧化碳线的测试在灶具左侧未经改装的燃烧器上，使用12T-0基准气、调整一次空气系数；之后保持燃烧器结构不变，通入不同组成的三组分燃气，测试对应的燃烧CO排放值，结果见表 3.
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表 3 三组分燃气燃烧的CO排放测试数据 Tab. 3 Experimental data of CO emission of the tested three-component gases |
固定某一华白数，考察CO排放随PN数变化规律，如图 5所示，可知随着PN数的增大，CO排放有增加的趋势，可以用一次函数来描述这一关系，即使加入了丙烷成分，但只要不同燃气的华白数相同，那么其CO排放近似相等，处在相同的水平上.
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图 5 固定华白数下CO排放随PN数的变化 Fig. 5 Change of CO emission with PN under constant W |
在相同的PN数下，考察CO排放随着华白数的变化关系，可知两者之间呈现出一种指数的关系，如图 6所示.这是因为当燃气的华白数变化时，燃烧器的工作状态点发生了偏移.当燃烧器在某一组成下工作，转换到另一组成时，燃烧器的功率之比约等于两种燃气组成华白数的正比，其一次空气系数之比约等于两种燃气组成华白数的反比.图 6中CO排放的变化不仅仅由燃气组成中的化学因素影响，也有当燃气性质改变时，引射器工作状态点改变的物理因素的影响.
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图 6 固定PN数下CO排放随华白数的变化 Fig. 6 Change of CO emission with W under constant PN number |
综合上述分析，可分别知道灶具CO排放与华白数W和PN数之间的关系，由此通过回归分析构造函数(3)来描述不同气源的CO排放.令ECO为定值，例如500×10-6，通过简单的变换，可得到PN-W的函数关系，如式(4).此式为该燃具在不同燃气气源下的等CO排放曲线，在此线上的任意一种燃气，在该燃具使用12T-0调整后运行时，其CO排放均为500×10-6.令ECO为不同的排放值，可得到一系列等CO排放线簇，如图 7所示.
| $ \begin{array}{*{20}{c}} {{E_{{\rm{CO}}}} = (a \times PN + b){{\rm{e}}^{{\rm{c}} \times W}} = }\\ {\left( {1.52 \times {{10}^{ - 4}} \times PN + 0.01095} \right){{\rm{e}}^{0.202 \times W}}, } \end{array} $ | (3) |
| $ W = - 4.950\ln \left( {1.52 \times {{10}^{ - 4}} \times PN + 0.01095} \right) + 30.77. $ | (4) |
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图 7 测试燃具在不同三组分气下的CO排放以及等CO线图 Fig. 7 CO emission of test burner under various three-component gases and CO isolines |
式中:PN为三组分燃气中的丙烷与氮气的体积分数之和, %; W为三组分燃气的华白数, MJ/Nm3; a、b、c为拟合系数.
为验证上述方法的准确性，在等CO线上选取若干点，人为设置一些三组分燃气，计算出各组分体积分数，输入燃烧器中测试其CO排放，见表 4.从实测CO排放与经过该测点的等CO线看，等CO线簇可以较为准确的预测不同三组分燃气的CO排放.对于经过12T-0初始调节的灶具，在其他组成天然气下的CO排放可准确地预测.
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表 4 验证三组分燃气及其CO排放 Tab. 4 Verified three-component gas and the measured CO emission |
GB16410—2007《家用燃气灶具》[4]规定，燃具的CO排放测试使用基准气纯甲烷，在纯甲烷的测试下，CO排放不超过500×10-6即可判定为“合格”，但是这个规定并未考虑到不同气源下的CO排放情况.各个城市管网中的天然气来源复杂，家用灶一般不是燃烧纯甲烷，因此应当在不同的燃气组成下考察家用灶的运行情况，并判定其CO排放是否合格.界限气是根据燃气允许的波动范围配置的标准气体.应当寻找一种界限气替代纯甲烷气，如果燃具在此界限气下测试CO排放合格，那么此燃具燃烧在12T天然气范围内的任一燃气时，其CO排放均合格.
由式(3)可知，实验燃具的CO排放随着PN数的增加，呈线性递增趋势，同时其CO排放随着华白数的增加，呈指数递增趋势.因此可以认为适用于12T天然气的燃具，其CO排放最差的情况，出现在天然气华白数和PN数同时达到最大值的情况.在Dutton图上，做出12T天然气的范围，如图 8所示，该区域内CO排放最差的点出现在M点，该点对应的燃气即可作为界限气使用.家用灶使用该点所代表的三组分燃气测试，若CO排放合格，那么保持该家用灶结构不变，通入该区域内的其他三组分燃气，
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图 8 12T天然气在Dutton图上的范围以及CO界限气示意 Fig. 8 12T gas on Dutton diagram and CO limit gas |
家用灶的CO排放均低于M点的CO排放.M点所代表的三组分燃气由CH4、C3H8以及N2组成，为了测试时配气方便，可以进一步简化为CH4和C3H8两种组分.即过M点，做等CO排放线与CH4-C3H8线交于一点，该点所代表的二组分燃气的CO排放与M点相同，可作为CO排放的界限气使用.
需要指出的是，该界限气的结论是在本文实验用家用灶的某一初始状态下得到的，也考察了该家用灶在其他初始状态下的CO排放情况，可以得到相同的结论，即对于该家用灶而言，M点在CH4-C3H8线上的CO排放等价点始终可以作为该家用灶的界限气.但是对于其他不同结构形式的家用灶，是否存在相似的结论，还需进一步的实验与理论研究.
3 结论1) 对于某一组成的燃气，一台家用灶的CO排放随着热负荷Q和一次空气系数α′呈现一种曲面关系；定义一个参数I，以表征该家用灶在两种不同组成燃气下的CO排放差异，即两个曲面之间的平均距离.通过对比参数I与曲面拟合的均方根误差，可得结论：在12T范围内，三组分燃气与原组成天然气的CO排放等价.
2) 将不同W、PN的三组分燃气通入家用灶燃烧器，考察CO的变化规律.对应于某一初始状态点，CO排放随燃气组成变化的规律可以用函数ECO=(1.52×10-4×PN+0.010 95)e0.202×W来描述.在Dutton图上，确定的灶具存在对应的等CO线簇.
3) 阐述一种寻找12T天然气的CO排放界限气的思路.一台家用灶在某一初始状态下使用该界限气进行CO排放测试，如果排放合格，那么该家用灶在这一初始状态下，在12T天然气的范围内，使用任何一种燃气，其CO排放均合格.
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