张杨竣 秦朝葵 肖利涛

（同济大学机械工程学院）

2011年，我国天然气消费总量为1307×108m3，其中进口液化天然气（LNG）为166.2×108m3，约占13%［1］；我国第一座LNG接收站于2006年在广东大鹏投产使用，年接受能力为370×104t，预计到2017年我国将在沿海各主要城市建成10座以上LNG接收站，总接受能力将达3035×104t／a［2］，进口LNG在我国天然气消费结构中将逐渐占据重要地位。相比于管道天然气（PNG），LNG重烃含量高，热值较高，华白数偏大。随着进口LNG大量进入城市天然气管网，燃气末端设备不同程度上出现了燃烧问题，如民用热水器和燃气灶出现回火、离焰、黄焰以及不完全燃烧造成的污染物排放增加，燃气轮机和燃气发电机等出现燃烧传热、NOx排放以及“敲缸”等现象。为此，一些国家针对LNG与原有管道天然气的互换性开展了一些研究。美国AGA和GRI先后于1992年、2002年和2003年对AGA和Weaver指数法进行了系统的实验修正［3－5］。2005年，美国 NGC＋发表了《天然气互换性白皮书》，对非燃烧类用户设备的天然气互换性进行了研究［6］。同年，欧盟EASEE－gas发表《天然气质量协调报告》，提出了天然气质量一体化的“通用商业实践CBP”［7］。2007年美国FERC在燃气轮机互换性方面的实验研究表明：组分不同但华白数相同的两种天然气，其在燃具上的响应可能完全不同，且驳回了NGC＋的建议书，要求继续跟踪可能的问题，并对其严重程度进行评估［8－10］。2008年，欧盟发表了《LNG互换性研究报告》，并于2010年IGU委托英国BP石油公司进行LNG与天然气互换性研究，发表了《燃气互换性和质量控制手册》，对LNG与天然气引发的互换性问题在不同燃烧装置上进行实验研究［11］。

燃气互换的定义：在一种燃气应用中，当其运行的安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面无实质性的变化时，一种燃气替代另一种燃气的能力［6，12］。预测燃气互换性的方法有指数法和图形法两种，其中图形法以法国Delbourg图形法和英国Dutton图形法较常见，指数法则以AGA指数法和Weaver指数法较常用［13］。我国一般采用指数法预测天然气互换性。AGA指数法包括离焰IL、回火IF和黄焰IY三个互换指数，由美国燃气协会（A.G.A）于1946年提出；Weaver指数法包括热负荷因数JH、空气引射量JA、回火JF、离焰JL、CO排放JI和黄焰JY六个判定指数，1951年Elmer R.Weaver结合AGA的研究方法和结果，通过大量的实验研究和总结归纳后提出［14－17］。

AGA和Weaver指数法的提出，主要是通过对天然气与人工煤气、液化气的互换性研究得出的结论，其对各国实际情况的天然气互换性预测，是否完全适用已经被质疑［18－20］。我国目前已经开始大量进口LNG，随着对气源质量控制的逐渐严格，单以现有国外使用的AGA和Weaver指数，来对我国天然气进行互换性预测和进网天然气质量控制，势必会引起一些问题。因此应对现有的两种指数法的互换性预测适用性进行研究，以期得到适合我国气源情况和末端设备的气源质量控制规范和互换性预测方法。本文基于国外现有的AGA和Weaver指数的互换性研究方法及各自的预测结果，结合我国目前燃气具结构特点和天然气气源情况，进行了互换性实验研究。

1 实验介绍

1.1 实验样本

2009年至2020年间，广东省天然气管网将出现海上天然气（OSG）、管道天然气（PNG）和进口LNG三大种类九大气源联合供气局面。实验用样本气以广东省天然气管网中目前在供的和规划中可能出现的10种气源，外加GB／T 13611－2006《城镇燃气分类和基本特性》中规定的12T基准气［21］（定义为PNG3）共同作为实验样本气原形，通过配气的方式得到11种实验样本气的组分特性，列于表1。其中11种气源中以PNG1华白数最小，LNG6华白数最大，12T－0（PNG3）气质特性与 LNG2类似，处于全部气源的中间位置。

表1 气源组分特性Table 1 Characteristics of natural gas component

同时根据广东省燃气具市场，选择了17台具有代表性的燃气灶具作为实验用样本灶具，包括11种不同品牌和三种火孔型式（圆火孔、方火孔和条缝火孔）。所选灶具结构型式均为目前我国民用燃气灶中普遍使用的大气式燃烧器。相比于上世纪美国AGA互换性研究所选用的以铸铁圆火孔和铸铁方火孔为主的燃气灶具［13，15－16］，目前我国市场上普遍使用的民用燃具的引射器一般为铸铁材料，分气盘一般采用铝或者铁进行加工，火盖普遍采用铜材料。且我国民用灶具的火孔热强度远小于AGA实验样本火孔热强度，一般在7.0～9.0W／mm2之间。可见在末端设备侧，我国与美国存在着巨大的差异，同时各国对于设备各种性能响应的检测标准和方法并不完全相同，若完全照搬美国现有的互换性预测指数，即AGA指数和Weaver指数，来预测我国目前多气源天然气彼此之间的互换性，并不科学。

由于目前我国还没有形成一套针对本国国情的有效互换性预测方法，本文先以现有美国的AGA和Weaver指数法为预测方法，对上述选择的11种气源的互换性进行初步预测，从而确定一种基准气，并以该基准气对选用的17台样本灶具进行初始状态调节以达到各自最佳燃烧工况，再对17台样本灶具在11种气源情况下的各性能响应进行测试，得出各性能测试数据进行分析总结，最后对现有AGA和Weaver指数进行修正，提出适合我国天然气和民用燃具现状的各指数可互换范围。

1.2 基准气选择

GB／T 13611－2006《城镇燃气分类和基本特性》中规定，对以12T设计的燃气灶具，选用12T－0（100%CH4）为基准气进行初状态调试。因此，以12T－0为基准气，对上述11种气源进行AGA和Weaver指数计算。结果显示，在与LNG5和LNG6互换时出现IY、JH和JI指数超标，在与PNG1和OSG2互换时会出现JH和IY指数超标。根据指数计算结果，选择12T－0为基准气其互换效果并不理想。为此，有必要重新确定一种基准气，以使与11种气源的互换达到最优化。

从上文中确定的广东省10种气源中选出其中一种气源作为基准气。根据12T－0的指数互换性预测结果，若选择10种气源中华白数最小和最大的两种气源，则势必会导致互换效果更严重，而选择华白数与12T－0相似的气源则预测结果也极可能类似，因此暂选择华白数略大于12T－0且处于中间偏富位置的LNG4作为基准气，进行AGA和Weaver指数的互换性预测，各指数预测结果见表2。

表2 AGA和Weaver指数计算结果Table 2 Calculated results of AGA and Weaver index

通过AGA和Weaver指数的预测看出，若以LNG4为基准气进行置换时，除了在PNG1和OSG1两种贫气情况下，会导致末端燃烧设备热负荷发生变化，Weaver热负荷指数JH超标，以及在OSG2情况下会出现黄焰现象，AGA黄焰指数IY超标外，其他气源均不会使末端设备产生燃烧不稳定现象，即认定所有气源均可互换。因此，选用LNG4作为11种气源的基准气，理论上是可行的。

1.3 测试方法

本实验选用LNG4作为基准气，并对所有实验样本灶进行初始状态调节，调节原则主要依据AGA火焰分级原则（见表3），对各样本灶在基准气情况下的火焰形态进行调节。通过调节一次风门开度，以使样本灶的火焰形态处于表3中定义的－2～＋2级别，便认为样本灶燃烧性能处于最佳状态。通过此法调节后，17台样本灶燃烧性能表现良好，在基准气情况下，均未出现离焰、回火、黄焰以及CO排放超标等现象，此后将一次风门开度保持不变，对样本灶分别进行其他10种气源的性能响应测试。

表3 AGA火焰分级描述［5］Table 3 Description for the classified AGA flame

根据AGA和Weaver指数，本文针对民用燃具的性能检测主要关注燃具的火焰稳定性（离焰、回火和黄焰）以及CO排放。本实验对上述各性能的检测方法主要是根据GB 16410－2007《家用燃气灶具》规定进行。各项检测方法简述见表4。

表4 各性能检测方法［22］Table 4 Methods for detecting performances

1.4 实验设备

本次实验设备主要分为两部分：配气系统和灶具性能测试系统。

配气系统主要用以配置实验选用的11种样本气，本实验选用单一纯组分气体进行配置，以确保所配样本气与所选的原气具有相同的华白数、燃烧势和组分配比，配气系统具体组成如图1所示。在实际配气中，以实验室原有管道天然气为基础，先对储气罐（5m3）进行冲洗，将储气罐内残留的杂质气体洗干净后，通过配气管路依次通入各单一纯气，同时通过一个最大量程为10m3／h、满量程误差为±0.2%的燃气流量表对各组分气体的流量进行控制，并辅以U形压力计和循环水套恒温，以达到配气最佳精度。在储气罐顶部设有螺旋桨搅拌器，用以保证进入储气罐内的各单一组分气体能够充分混合均匀。配气所选用的各单一组分气体的摩尔分数（y）分别为 CH499%，C2H699.5%，C3H899.95%，C4H1099.95%，N299.999%，CO299.6%。配置完成后，待搅拌静置3～5h左右，对储气罐内气体进行取样，通过气相色谱分析仪对配得的气体组分特性进行分析，当各组分比例与原组分偏差均在色谱分析允许范围内（见表5），且华白数、热值和燃烧势等物理特性差异不大时，即认为所配气体为选择的目标气。

表5 气相色谱分析精度［23］Table 5 Analytic precision of gas chromatography

灶具性能测试系统根据GB 16410－2007《家用燃气灶具》进行搭建，主要用以测定民用燃具的火焰形态和烟气排放等，系统组成见图2，包括燃气流量监测、烟气数据采集和环境数据采集。其中燃气流量监测包括湿式流量计、压力计和测定时间用秒表；烟气数据采集使用英国Kane公司KM9106型号烟气分析仪；环境数据采集主要包括大气压力计、室内及燃气温度计和湿度计。同时，对样本灶具燃烧稳定后的火焰形态进行照片记录，使用CanonEos50D数码相机，照片尺寸4752x3168，72dpi，光圈f／5，曝光1／100，ISO感光为自动。

表6 各仪表用途和精度Table 6 Use and accuracy of instruments

2 测试结果分析

对于大气式燃烧器，其典型燃烧特性曲线如图3所示。对一次空气系数过大且火孔热强度过小的燃气灶，当发生气源置换时极易出现回火；而对于一次空气系数过小的燃气灶，置换时则很容易发生黄焰。而本次实验，先对样本灶在基准气条件下进行调试，使其处于最佳燃烧状态，通过测试，所有灶具均未出现回火和黄焰现象。因此本次研究主要针对离焰预测指数和CO排放指数的适用性进行讨论。

2.1 测试CO排放与Weaver指数预测结果对比

通过实验，分别对17台样本灶在11种不同气源情况下的性能响应进行测试，得出CO排放测试结果见图4（所有样本灶品牌均用字母代替）。

GB 16410－2007《家用燃气灶具》规定，当灶前压力维持在2kPa用基准气测试时，干烟气中CO体积浓度，即φ（COα＝1）≤500×10－6，此时界定为CO排放合格。通过对测试样本灶CO排放合格数的统计，结果如表7所示。

根据表7，除了LNG6、LNG5和LNG2三种气源情况下，CO排放合格样本数不到总样本数的80%外，其余气源情况下均高于80%。

根据NGC＋互换性的定义，有理由认为当某气源发生置换时，若CO排放合格的样本数超过总样本数80%，认定为不会引起末端设备发生实质性的CO等污染物排放增加，即认定为该气源为可互换。故根据上述分析，认定在广东地区以LNG4为基准气进行天然气互换时，LNG6、LNG5和LNG2情况下，会引起CO排放超标。

表7 各气源条件下CO排放合格样本数统计Table 7 Statistical analysis of the acceptable samples of CO emission under each gas condition

根据表2，LNG5和LNG6的CO生成指数JI计算值分别为0.044 7和0.040 9，计算值均在Weaver指数的“允许范围”外，即根据 Weaver指数预测其在与基准气置换时，CO排放不会引起显著变化。

对比Weaver CO生成指数JI预测结果和实验测试结果，可得出这样的结论：

（1）Weaver指数法在预测CO超标方面，不能完全适合于目前我国民用燃气灶的互换性预测，但可用作定性的参考；

（2）若将Weaver CO生成指数JI的允许范围调整为JI≤0.04时，则 Weaver预测结果与实验实测结果基本吻合。

2.2 测试离焰与AGA指数IL和 Weaver指数JL预测结果对比

本次测试发现，在所有气源情况下，17台样本灶具均未出现回火和黄焰现象，但部分测试工况下出现了离焰现象，测试结果如图5所示。样本在华白数较低的气源情况下，较易出现离焰现象，但与气源CH4含量不成规律性变化关系。离焰产生的根本原因是火孔气流出口速度大于燃气火焰传播速度，C3、C4等重烃对于燃气火焰传播速度影响较之CH4更大，且当燃气中含有较高惰性气体N2、CO2等，均会使燃气燃烧温度降低，从而减小燃气混合物的火焰传播速度。因此，对于民用燃具发生气源气质变化时，可以气源华白数为参考，对离焰情况进行初步预测，但由于离焰机理受组分变化的影响，不能单靠华白数一个参数对其进行互换预测。

对不同样本灶在不同气源下的离焰测试进行数理统计，得出发生离焰的样本灶统计结果见表8。

根据表8，当置换气为 PNG1、OSG1、PNG2、LNG1四种气源时，均有超过15%的样本灶会出现离焰现象。根据NGC＋互换性的定义，有理由认为当某气源发生置换时，若发生离焰的样本数超过总样本数的15%时，即认定会引起末端设备发生实质性的燃烧性能变化，该气源不可互换。

表8 各气源条件下发生离焰的样本数统计Table 8 Statistical analysis of the samples of generated unstable flame under each gas condition

根据表2，Weaver离焰指数JL的“允许范围”为JL≥0.64，AGA离焰指数IL的“允许范围”为IL≤1.10，根据AGA和 Weaver离焰指数预测，所有气源与基准气粤西LNG2发生置换时，均不会引起燃气灶离焰。

对比AGA离焰指数IL、Weaver离焰指数JL预测结果和实验测试结果，可得出结论：

（1）AGA和 Weaver指数法在预测离焰时，同样不能完全适合于目前我国民用燃气灶的互换性预测，但可用作定性的参考；

（2）若将Weaver离焰指数JL的允许范围调整为JL≥0.95时，则Weaver预测结果与实验实测结果吻合；

（3）若将AGA离焰指数IL的允许范围调整为IL≤1.05时，则AGA预测结果与实验实测结果基本吻合。

3 结论

本次研究通过对11种天然气气源的互换性理论分析和大量的实验测试，对比AGA、Weaver指数的预测结果和实验测试结果，可得出如下结论：

（1）Weaver指数法在预测CO超标和离焰方面，以及AGA指数法在预测离焰方面，不能完全适合于目前我国民用燃具的天然气互换性预测，但可用作定性的参考。

（2）针对广东地区目前的燃气灶具和气源情况，建议将Weaver CO生成指数JL的预测允许范围调整为JL≤0.04，将Weaver离焰指数JL的预测允许范围调整为JL≥0.95，将AGA离焰指数IL的预测允许范围调整为IL≤1.05。

（3）实验测试结果认定，CO排放合格的样本数超过总样本数“80%”和发生离焰的样本数超过总样本数的“15%”，这两种说法还有待推敲，需要更多样本的实验测试来支持。为此，应结合国外研究经验，组织相关部门进行科学系统的研究，通过大量的实验测试和理论分析，以期总结出一套适合我国国情的互换性预测方法。

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