摘要：綜述近年來中國在燃氣互換性研究方面取得的進展。核心成果包括：確定表征大氣式燃具適應性的燃燒特性指數及試驗氣配氣區間，提出城市氣源配置與多氣源轉換方法，建立試驗氣配制及燃具適應性試驗裝置，建立確定多氣源共同互換域的技術方法，建立兼顧技術經濟性的城市多氣源配置與互換性的研究思路。
關鍵詞：城市燃氣； 燃氣互換性； 燃具適應性； 互換域； 適應域； 試驗氣配制
Research Progress in Interchangeability of Gases in
Abstract: The progress in research on interchangeability of gases in
Key words: city gas；interchangeability of gases；adaptability of gas appliance；interchange domain；adaptation domain；experimental gas blending
1 多氣源共存的格局
2010年，在中國城市燃氣供應總量及供氣管道規模中[1]，人工煤氣供應總量為279.9×
中國正逐步加快天然氣管網的建設速度，規劃中的天然氣管網將以目前的西氣東輸管線、陜京一二三線、忠武線、澀寧蘭線等為主，再興建一批重點干線和支線管道，向南延伸到珠海、北海，向北、向西延伸到黑龍江、新疆與俄羅斯等跨國管道相連。到2020年，將形成國產氣管道、進口氣管道和沿海LNG管道相互連通的天然氣管網。各氣源互相銜接，資源統配，實現全國天然氣聯網供應。隨著全國不同氣田天然氣長距離輸送、多管網互連互通輸配模式的形成，各城市已經或正在面臨著多氣源共用同一配氣管網的客觀情況。
相關部門預測，到2015年，中國天然氣消費量將達到2 400×
隨著天然氣的快速發展，我國城鎮燃氣的供應與管理體系發生了重大變化，要完全適應以天然氣為主氣源的狀況還存在許多技術和管理上的問題。只有規范氣源轉換技術，才能使每座城市安全、高效、經濟、快速地進行原有氣源與天然氣、天然氣與備用調峰氣源的轉換。目前面臨的諸多問題中，較為突出的是燃氣互換性、燃具適應性、能源供應的安全性、燃具運行效率與節約用氣等問題。其中，在多氣源格局下，進行城市氣源配置和轉換，并最大限度地保障燃氣用戶平穩、安全用氣，是當前燃氣行業一直存在的技術難題。因此，開展城市燃氣互換性理論與應用技術的研究工作，對氣源轉換和節能減排具有重要的理論和實際意義。
在中國，燃氣燃燒應用的領域主要是居民用氣、工業燃料、燃氣空調、燃氣汽車、燃氣發電。燃具主要有家用燃具、燃氣工業爐、燃氣內燃機、燃氣輪機等[3]。美國燃氣互換性研究工作組(由美國國家天然氣委員會NGC牽頭，聯合LNG、天然氣管道、城市燃氣、發電、化工、燃氣設備生產、天然氣處理等行業的近百家企業以及部分政府和科研機構組成的工作組，簡稱NGC+)將燃具進行了如下分類：一般燃氣燃燒設備；工業鍋爐、窯爐和工藝加熱裝置；往復式發動機(包括天然氣汽車)；燃氣輪機；非燃燒類利用裝置，包括城市天然氣液化調峰設施、化工生產設施[4]。不同燃具適應燃氣組成變化的能力不同，特別是城市在用燃具。當燃氣組成變化較大時，易對燃具的正常運行產生影響，甚至惡化燃燒環境，發生事故。因此，燃具適應性研究具有重要意義。我國應用的主要天然氣燃燒特性指數(
2燃氣互換性研究概況
2.1 國際研究概況
美國燃氣互換性研究工作組對燃氣互換性的定義是：在不明顯影響燃具運行安全、效率和性能，不明顯增加空氣污染物排放量的情況下，采用一種燃氣替代另一種燃氣的能力。這與傳統定義有所不同，傳統定義主要關注燃具的燃燒性能是否受到影響，新的定義從燃具運行安全、高效節能、污染物排放量的控制出發，對燃氣互換性進行全面評價。
長期以來，應用最廣泛的燃氣互換性判定方法為法國的德爾布燃氣互換性判定法、英國的達頓圖形判定法、美國的A.G.A多元指數判定法和由此發展出來的韋弗指數判定法等。這些判定方法都是基于常用燃具，于20世紀80年代前形成和提出的，主要適用于以本生火焰為主的大氣式燃燒方式。
歐盟于2002年成立了歐洲燃氣能源交易合理化協會(EASEE-Gas)，在其起草的《協調統一的天然氣質量》(2005-001／01)文件中，基于高熱值、華白數、相對密度這3個燃燒特性指數中的任意兩個，定義了燃氣的互換域，并給出了華白數的上限值和下限值[7]。2005年2月，美國燃氣互換性研究工作組發布了《天然氣可互換性及非燃燒應用白皮書》[4]，指出了傳統燃氣互換性研究方法的不足，討論了“擴大應用領域后的”天然氣互換性研究方法，提出更為實用的“工作區間”概念。
2.2我國研究概況
自20世紀70年代始，我國城市燃氣有人工煤氣、天然氣、液化石油氣等氣源并存。根據燃氣互換性研究工作的需要，城市煤氣設計規范管理組于1980年12月，在上海同濟大學，將上海、沈陽兩地常用的家用燃氣灶作為試驗對象，對燃氣互換性及燃具適應性進行試驗研究，尋求華白數、燃燒勢的允許波動范圍。l982年2月，家用煤氣灶標準編寫組完成了《國內典型家用煤氣灶燃燒穩定性》報告，通過配制試驗氣的方法，分別在0.5倍燃具額定壓力及1.5倍燃具額定壓力下，確定了家用燃氣灶的黃焰、回火、脫火極限范圍，得到了燃燒穩定性三角圖。在該范圍內確定氣源允許的華白數、燃燒勢波動范圍，為制定城市燃氣質量標準、城市燃氣分類和燃具試驗氣配制方法提供了依據。在此基礎上，1992年發布了國家標準GB／T l
陜京一線天然氣管道于l997年9月竣工投產，由此拉開了大規模利用天然氣的序幕，開始了城市人工煤氣、液化石油氣混空氣轉換天然氣的工程實踐及應用。國內相關學者及單位對采用天然氣改制、天然氣混低熱值人工煤氣、天然氣混空氣、液化石油氣混空氣等方式進行氣源轉換的工藝進行了研究[8-10]。雖然取得了一系列成果，但沒有形成完整的氣源轉換與燃氣互換性理論體系。燃具測試、燃燒性能隨使用年限的變化規律、燃具適應性、燃氣互換性等研究處于起步階段，尚未形成完備的技術標準，互換性和試驗氣配制技術理論與應用的總體效果還不十分理想，不能對城市多氣源轉換過程提供技術指導。
為此，國內多家科研單位針對上述問題展開了研究。2006年，在國家“十一五”科技支撐計劃項目中，推出了“城市燃氣氣源儲配及應用關鍵技術”課題，提出進行“城市燃氣轉換理論與改造技術”的專題系統研究。
2.3 我國燃氣互換性研究進展
隨著燃氣燃燒設備的多樣化，更多高效率、低排放的燃燒設備進入家庭和企業，形成了不同燃燒方式(擴散式、大氣式、全預混式)共存的格局。氣源轉換的技術要求、工程標準和質量控制體系、不同氣源平衡利用、燃具適配多氣源轉換、等效試驗氣配制都是現實的技術問題。
2005年，國家燃氣用具質量監督檢驗中心(隸屬于中國市政工程華北設計研究總院)成立了燃氣多氣源互換性研究課題組(以下簡稱課題組)，基于“城市燃氣轉換理論與改造技術”專題，開展了多氣源城市燃氣互換性研究，取得了一系列成果，并于
主要研究內容包括：建立各類氣源互換性測試模擬系統，研究各類氣源質量及燃具適應邊界條件，發展備用調峰氣源在已建系統中替代天然氣的工程轉換及燃具適應性改造的實施對策與技術，氣源轉換評估技術體系。
主要成果為：提出了確定燃氣互換域和燃具適應域的技術方法。提出了城市氣源配置與多氣源轉換的技術方法，進行了工程實踐。建立了試驗氣配制與燃具適應域測試技術與裝置，完成了一系列手工及自動化配氣設備的研發，取得了多項專利[11-16]。通過燃具適應域的試驗測定，掌握和確定了我國典型燃具對不同氣源燃氣的適應能力和適應域，為燃具生產、設計提供關鍵技術數據；可以形成城市內最廣泛在用燃具的適應域及不同類型燃具的共同適應域，并借此形成確定的、量化的燃氣互換域，得到保證燃具正常工作的燃氣組成變化范圍，指導燃具產品的區域市場準入與城市氣源轉換實踐。
3 有關成果
3.1 燃燒特性指數的確定
①主要的燃燒特性指數
我國在1982年正式借鑒了法國德爾布燃氣互換性判定法，提出采用華白數、燃燒勢兩個燃燒特性指數分析和判定燃氣互換性。隨著研究的深入，發展到采用華白數、燃燒勢、黃焰、結炭等指標對燃氣互換性進行判定。
一般地，與燃氣互換性有關的主要燃燒特性指數為高熱值、相對密度、理論空氣量、火焰燃燒速度、華白數、燃燒勢、黃焰指數等。常規燃氣互換性配氣指數，主要有華白數、燃燒勢、黃焰指數等[6,17]。配制試驗氣的常用原料氣主要為CH4、H2、N2；C3H8(C4H8)、H2、N2；LPG、空氣等。
②燃燒特性指數的篩選
為了確定表征燃具適應性的燃燒特性指數，課題組建立了試驗裝置，選擇大氣式燃具(主要為家用燃氣灶具，包括嵌入式灶、臺式灶)，進行了燃燒工況測試。分別測量灶具在脫火、回火、C0超標時的燃氣組成，由此計算各極限情況下的燃燒特性指數。并根據華白數、高熱值、相對密度、火焰燃燒速度、燃燒勢等關鍵指數，繪制試驗數據圖形(直角坐標系)，確定表征燃具適應性的燃燒特性指數。
這里給出以1臺大氣式燃具(嵌入式灶)作為試驗對象的燃燒特性曲線，見圖l～4。由圖1～4可知，當選擇華白數-高熱值、華白數-相對密度作為表征燃具適應性的燃燒特性指數時，各極限曲線不規則。當選擇華白數-火焰燃燒速度作為表征燃具適應性的燃燒特性指數時，C0極限曲線較短。當選擇華白數-燃燒勢作為表征燃具適應性的燃燒特性指數時，各條極限曲線均比較平滑。因此，將華白數、燃燒勢作為表征燃具適應性的燃燒特性指數是科學合理的。在i-C4H10、N2、H2三組分試驗氣全域區間內灶具對應界限氣的華白數-燃燒勢曲線見圖5。
③基本配氣區間分布
由于城市氣源的多樣性和復雜性，在燃氣供應與應用、燃具生產與調節、燃氣燃燒測試等環節中，不可能具備各種氣源，因此要用到等效試驗氣。為保證試驗氣具有與基準氣相同的化學性質、熱工性能，須對試驗氣的配制過程進行控制，對配制方法進行研究和設計，以獲得與基準氣等效的試驗氣。
基于互換性原理進行的試驗氣配制，一般將甲烷、H2、N2三組分、丙(丁)烷、H2、N2三組分作為原料氣，控制試驗氣的華白數、燃燒勢、黃焰指數等關鍵燃燒特性指數與基準氣相等，并進行以華白數、燃燒勢為主要控制指標的配制設計[7]，建立配制試驗氣的整體分布區間。以CH4、H2、N2三組分，C3H8、H2、N2三組分，n-C4H10、H2、N2三組分，i-C4H10、H2、N2三組分為原料氣，在以華白數、燃燒勢為變量的直角坐標系中形成的配氣區間見圖6。由圖6可知，各組原料氣形成的配氣區間邊界線并不全為直線，任兩種可燃氣體形成的配氣邊界線為指數曲線，而N2與H2、N2與另一種烷烴可燃氣體形成的配氣邊界線為直線。
研究發現，基于互換性原理，控制華白數、燃燒勢等燃燒特性指數配制的試驗氣，應用在大氣式燃具上可獲得較好的燃燒性能。但是應用于全預混式燃具上，燃燒效果和排放指標差別較大。全預混燃燒方式主要應用于家用冷凝式燃氣熱水器、工業窯爐、燃氣輪機、燃氣內燃機等燃具及用氣設備中，用氣量較大。隨著全預混式燃具的市場份額日漸增加，與大氣式燃具適應性相關的燃燒特性指數，是否可以應用于全預混式燃具，是亟待探究的技術問題。課題組正在進行全預混式燃具的相關研究，并獲得了一定進展。
3.2 城市氣源配置與多氣源轉換方法
城市氣源的配置與在用燃具的燃燒性能直接相關，民用、工業、商業等各種燃氣用戶對燃氣質量有不同的要求，由于燃燒工藝和燃燒方式不同，各種燃具對燃氣組成變化的容忍度也不相同。課題組采用燃氣互換性理論分析與燃具及用氣設備燃燒測試相結合的技術路線，提出廠城市多氣源互換性與燃具適應性相匹配，并以經濟合理為指導原則的城市基準氣的確定方法，拓展了燃氣互換性理論應用范圍，為解決城市迎接西氣東輸二、三線及其他新氣源的燃具適應性問題，提供了指導思想和技術方案。
課題組在進行城市燃氣氣源配置與多氣源轉換方法研究時，將燃氣利用領域擴展至對燃氣質量要求更為嚴格的燃氣電廠，針對城市內居民、工業、商業用戶，特別是燃氣電廠、燃氣汽車等燃氣用戶，根據燃燒工藝特點以及用戶對燃氣質量要求，建立了有區別的氣源應用、轉換、調度及配置方案和方法。對多氣源供應方式、摻混可行性、同網運行穩定性進行了基本研究，提出了可行的基準氣組成和波動范圍。對各種用戶，分別研究了多氣源條件下的燃氣互換性。分析并提出了保證燃氣管網穩定運行的技術路線和對策，為政府和企業選擇基準氣源、備用調峰氣源提供技術依據。在以上研究的基礎上，進行了相關工程實踐應用。
3.3 試驗氣配制與燃具適應性試驗裝置
課題組從燃具燃燒安全、節能高效、煙氣排放等控制指標出發，對現行燃氣分類和燃具產品標準進行了發展和延伸，提出通過試驗測定方法，確定燃具適應域。研發了高精度、多指數、可量化的測試試驗裝置及相關軟件，使得燃具適應性研究結果更貼近燃具實際運行狀況，填補了燃具燃燒特性無法量化測試、無檢測試驗平臺的技術空白。對行業檢測標準的發展和燃具生產裝備工藝技術的提高，以及產品質量的提升起到了重要作用。
在深入研究燃氣互換性理淪的基礎上，對當前行業通用的試驗氣“華白數、燃燒勢兩指數”控制方法進行了擴展，通過大量試驗，提出了試驗氣“多組分、多指數”控制方法(如以“華白數、燃燒勢、黃焰指數三指數”為代表的控制方法)。“多組分、多指數”試驗氣配制技術成果已經成功推廣應用到行業知名企業，為行業發展起到了引領和示范作用，相關研究成果已多次在全國行業會議上交流[18-21]。試驗氣配制與燃具適應性試驗裝置已經投放國家燃氣用具質量監督檢驗中心使用，第二、三代試驗樣機分別見圖7、8。
3.4 多氣源共同互換域的確定
課題組探索形成了完整的試驗測定城市多氣源“共同互換域”的方法和技術路線，形成了量化、科學的城市多氣源互換性測試技術。5種常用大氣式燃具在i-C4H10、H2、N2三組分試驗氣全域區間中的共同適應域(即多氣源的共同互換域，圖9中陰影部分)，以及4種超出多氣源共同互換域的氣源見圖9.
當城市具有多種氣源可以選擇時，通常應選擇燃氣組成和燃燒特性指數與城市基準氣最接近的一種或幾種。需要考慮的主要因素包括：燃氣中甲烷含量、惰性氣體含量、重烴含量、華白數、燃燒勢、黃焰指數、相對密度、高熱值、火焰燃燒速度等。由于城市內具有多種燃具，不同燃具對燃氣質量的要求并不一致。若根據對燃氣質量要求最嚴格的燃氣用戶確定燃氣互換域，將使城市內的燃氣組成最穩定，變化幅度最小，運營成本將升高甚至最高。而根據數量和影響面最廣的燃氣用戶(如居民用戶)對燃具適應性的要求確定燃氣互換域時，燃氣組成可在一定范圍內波動，可能會引起少數對燃氣質量要求較嚴格的用戶所使用的燃具及用氣設備燃燒不穩定，但運行成本將降低甚至最低。這需要因地制宜、科學選取和慎重分析。
城市相關部門和燃氣運營企業需要對燃氣氣源調度、備用調峰氣源配置、多氣源互換性進行科學研究，確定城市基準氣組成和波動范圍，合理選定表征不同燃燒方式燃具適應性的燃燒特性指數。燃氣企業宜根據不同氣源，對所能承受的風險和綜合運營成本進行客觀、全面分析，在能夠承受的風險范圍內，選擇合適的燃氣基準氣和允許的變化范圍，形成本城市或本地域內的“燃氣互換性組分數據圖譜”，以合理地進行城市燃氣氣源配置和多氣源互換性的研究和實踐。
城市燃氣互換性研究的具體技術路線一般為：對多氣源互換性的方法進行研究；合理劃分燃氣用戶類型；選擇典型城市燃具試驗樣本；基于燃具類型和燃燒方式，確定適用的燃燒特性指數；進行燃具適應性測試；根據燃具共同適應域，確定城市燃氣的共同互換域；進行研究方案技術經濟性分析與評價，合理劃分燃氣基準組分與波動范圍；選擇管網調度、氣源配置優化方案，確定備用調峰氣源等。
4 結論
近年來，我國在城市燃氣互換性方面進行了很多有益的研究和探索，取得了一些科研成果。主要通過對燃氣互換性和燃具適應性兩個方而進行了試驗和理論研究。核心成果包括：確定表征大氣式燃具適應性的燃燒特性指數及試驗氣配氣區間。提出城市氣源配置與多氣源轉換方法。建立試驗氣配制及燃具適應性試驗裝置。建立確定多氣源共同互換域的技術方法。建立兼顧技術經濟性的城市多氣源配置與互換性的研究思路。
隨著燃具的多樣化和燃燒方式的改進，還需要合理選擇燃氣互換性研究的技術參數、控制指標，并進行大量的試驗研究和技術論證，以建立完整、科學的城市燃氣多氣源互換性體系。
參考文獻：
[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.中國城市建設統計年鑒(2010年)[M].北京：中國計劃出版社，2011：365-368.
[2] 王啟，高文學，趙白軍.多氣源供應的城市燃氣互換性方法研究[C]//2011年中國燃氣新技術、新設備高端學術推廣交流會論文集.張家界：煤氣與熱力雜志社，2011：191-196.
[3] 項友謙，王啟.天然氣燃燒過程與應用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：1-9.
[4] NGC + Interchangeability Work Group. White paper on natural gas interchangeability and non-combustion end use[R].[s.l.]：NGC + Interchangeability Work Group，2005：2-15.
[5] 李猷嘉.論液化天然氣與管道天然氣的互換性[J].城市燃氣，2009(6)：3-14.
[6] 高文學.城市燃氣互換性理論及應用研究(博士學位論文)[D].天津：天津大學，2010：87-127.
[7] 高文學，王啟，趙白軍.燃氣試驗配氣的實踐與研究[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：B31-B35.
[8] 盧祥林.天然氣改制技術在城市燃氣轉換中的應用[J].煤氣與熱力，2002，22(6)：483-486.
[9] 王勇，王鴻，劉永華，等.天然氣混空氣轉換人工煤氣的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(1)：5-7.
[10] 王萍，王生宏，于京春.液化石油氣混空氣與焦爐煤氣的互換性研究[J].煤氣與熱力，2001，21(1)：39-41.
[11] 高文學，王啟，趙白軍，等.燃氣配氣與互換性測試用燃燒器：中國，200810152958.7[P].
[12] 高文學，王啟，趙白軍，等.燃氣轉換與配氣測試用燃燒裝置：中國，200820143748.7[P].
[13] 王啟，高文學，趙自軍.確定燃氣具燃燒特性的測試實驗裝置：中國，201020206874.x[P].
[14] 高文學，王啟，趙白軍.一種確定燃氣具燃燒適應域或燃燒工況的裝置：中國，200920095801.5[P].
[15] 王啟，高文學，趙自軍，等.一種測定燃氣具氣質適應域或燃燒工況的實驗系統：中國，201120219538.3[P].
[16] 高文學，王啟，趙白軍，等.一種組合式遠程控制氣體調壓裝置：中國，201120212165.7[P].
[17] 金志剛，王啟.燃氣檢測技術手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2011：200-228.
[18] 高文學，王啟，陳冠益.基于互換性原理的生物質燃氣的配制[J].太陽能學報，2009，30(12)：1704-1708.
[19] 王啟，高文學.城市燃氣氣源配置與多氣源瓦換性[C]//第3屆中國城市燃氣論壇論文集.深圳：中國城市燃氣學會，2010：126-133.
[20] GAO Wenxue，WANG Qi，CHEN Guanyi，et al. Experimental determination and research on combustion characteristics range of gas appliance[J].Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，201 1(1)：77-80.
[21] 高文學，王啟，唐戎.燃氣具氣質適應域的實驗確定[C]//2011年中國土木工程學會城市燃氣分會應用專業委員會年會論文集.成都：中國土木工程學會城市燃氣分會應用專業委員會，2011：1-11.
本文作者：王啟高文學 趙自軍 羅勤 周理
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
