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家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用1)

2022-08-19杨沐村于文涛鲁仰辉刘泓芳安振华王金华兰雪影时婷婷常雪伦

力学与实践 2022年4期
关键词:热值民用甲烷

杨沐村 刘 伟 孙 晨 ,2) 于文涛 鲁仰辉 刘泓芳 安振华 王金华 兰雪影 时婷婷 常雪伦

*(国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京 102209)

†(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049)

氢能作为零碳燃料,成为世界公认的重要能源载体[1]。然而由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善、氢安全的不确定性,目前国内对于氢能的利用尚存在局限性,主要聚焦在交通领域。在工业和民用领域,由于缺少相关的行业标准、国家标准,仍缺乏成熟的应用场景和商业模式。目前天然气生产、输运、供给以及终端使用系统已较为完善,利用现有天然气网络掺氢,然后实现氢消纳是加速化石能源向氢能过渡的有效方案,是一种较好的实现大规模氢能应用及高效运输氢的方式[2]。同时,天然气掺氢的研究和应用可以为氢燃料的推广使用积累经验[3]。

天然气掺氢不仅可以提高天然气的燃烧效率,扩展天然气的稳定稀燃极限,而且可以减少污染物与碳排放[4]。为了进一步拓宽天然气掺氢的应用范围,美国、荷兰、英国等西方国家相继开展了天然气掺氢民用示范项目,通过天然气管网运输掺氢天然气应用于民用燃气终端。英国HyDeploy天然气掺氢示范项目对民用燃气灶具进行了适应性评估,并已向100户居民供应含氢比例20%的掺氢天然气[5]。美国SoCalGas天然气掺氢示范计划到2030年将氢气掺混比例提升为20%供居民用户使用[6]。国内尚未有天然气掺氢入户的先例。依托现有天然气管道网将掺混氢气的天然气输送至居民家庭,通过燃具燃烧利用是消纳氢气的行之有效的方法,但是目前天然气掺氢燃具以及天然气掺氢燃气相关的国家以及行业标准欠缺,不便于评价燃具使用天然气掺氢时的性能。对此,有人建议必须使用能够使用天然气和可再生燃料的所有混合燃料的燃烧器头,以应对不断变化的市场结构[7]。但在燃气供应系统中这样做实际上是有很大困难的,因为即使一个气化率不高的中等城市,也有成千上万只燃具(这里主要指民用燃具)分散在千家万户。不论气源性质发生长时期的一次性变化还是经常反复地变化,从技术上和经济上都不可能将全部燃烧器逐个更换或重新调整。因此,以一种燃气代替另一种燃气时,必须考虑互换性问题。然而燃气互换性评估主要来自热值换算,燃烧特性实测较少,无法根据燃气具实际燃烧工况下的测试数据论证燃气互换性。

国家电投集团科学技术研究院有限公司(简称国家电投中央研究院)自2019年开始发展天然气掺氢相关业务,在国内率先建设了首例绿电制氢掺混入天然气管道的输运示范和终端应用示范。2021年,基于朝阳示范项目(20%掺氢)需求和提供的实际场景,系统开展了现役家用燃气灶具使用掺氢天然气的燃烧性能测评和现场示范应用研究,在模拟厨房场景中验证民用燃气具使用掺氢天然气的适应性、安全性和经济性,以解决氢进万家落地实施中的最后一公里难题。

1 燃气燃烧特性理论分析

我国绝大部分地区供应的天然气属于《城镇燃气分类和基本特性》(GB/T 13611—2006)中规定的12T天然气,因此,以12T天然气的高热值、高华白数(燃气热负荷参数)和燃烧势(燃气燃烧速度参数)作为掺氢后互换性的评判依据,从而确定在天然气中掺氢的最高比例[8-9]。由于各地气源成分不同,且主要成分为甲烷(CH4),本文以表1中的纯甲烷为基础气(忽略0.1%微量杂质的影响)进行理论计算分析。根据华白数和燃烧势的计算公式计算结果,得到试验气的高华白数和燃烧势与掺氢比例的关系。

表1 试验气种类和性质Table 1 type and properties of test gas

本文采用CHEMKIN软件进行高热值、高华白数和燃烧势的计算分析。建立计算模型并验证其可靠性后,通过该模型计算多种含氢比例的掺氢天然气的高热值、高华白数和燃烧势(以12T测试气为基准),其中高华白数和燃烧势选用燃气的高热值参数进行计算,所得结果如表1。将计算结果作图整理,得到试验气的高热值、高华白数和燃烧势与氢气掺混比例的关系图,如图1。

图1 (a) 高华白数,(b) 高热值和 (c) 燃烧势与氢气掺混比例关系Fig.1 Relation of hydrogen ration and (a) high Wobbe number, (b) high heating value and (c) combustion potential

按照国标《城镇燃气分类和基本特性》GB/T 13611—2006,我国典型燃气灶具适用的12T天然气,其高华白数范围是45.67~54.78 MJ/m3,其高热值范围为31.9~43.57 MJ/m3,其燃烧势范围为36.3~69.3。从图1(a)中可以看出,如果以高华白数作为燃气互换的判定标准,当掺混氢气比例在30%时仍然具有互换性;从图1(b)中可以看出,如果以高热值作为燃气互换的判定标准,当掺混氢气比例在23%时仍然具有互换性;但是互换性应该同时满足燃烧势的要求范围,从图1(c)中可以看出,理论分析结果表明,当12T天然气中的氢气比例低于21%时,满足互换标准。在掺混氢气比例小于21%的标准下,掺混气的高华白数、高热值和燃烧势将都处于适合置换范围之内。重庆大学的学者对掺氢天然气的燃烧特性参数也进行了理论计算(表2),结果显示最高掺氢比例可以达到23%[10]。该结果存在差异的原因考虑为参数计算方法不同。相比于采用甲烷热值与氢气热值按掺混比例加权后计算掺混气热值的方法,本文通过GRI3.0甲烷掺氢燃烧机理计算燃气的热值与相对密度,工况设置为室温298 K,1个大气压。由此看出,理论分析结论具有一定的参考性,但燃气具燃烧特性复杂,需要进一步通过实验测试开展系统验证。

表2 特性参数计算结果Table 2 Calculation results of characteristic parameters

2 实验测试评价

氢气和天然气、汽油等一样,都能作为燃料被使用,并且氢的可燃极限宽,着火浓度低,在稀燃状态下也能正常燃烧,是一种相当先进的燃料。但由于氢的爆炸极限较低,在民用燃具方面的应用还较少。在管道天然气中混入氢气,可以降低混合燃气的最小点火能量、增大火焰扩散速率以及提高火焰温度。但由于氢气和甲烷的燃烧特性差异较大,氢气的火焰扩散速率高,容易发生回火等不稳定现象[11-12]。直接在民用燃具中使用可能导致燃烧过程出现问题,甚至危及到燃气系统的安全运行。为确保终端用户的安全,将掺氢天然气应用到民用燃具中的安全性需要进一步通过实验进行研究验证。对此,国家电投中央研究院联合西安交通大学针对民用燃气终端开展一系列实验测试,包括民用燃气灶具、燃气热水器,以论证现有燃气具不做任何改变的前提下使用掺氢天然气的适应性与可行性。实验气特征参数如表3所示。

表3 实验气特征参数Table 3 Character parameters of experimental gas

2.1 燃气灶具

实验所用燃气灶具为美的家用燃气灶(产品型号:JZT-QW50)。利用西安交通大学GB 16410燃气灶具测试平台对掺氢甲烷(0%,10%,20% H2)进行测试,该平台由燃气灶、标准锅、湿式流量计、计算机、减压阀、压力表、伺服电机、搅拌器和温度探针等组成,可开展使用掺氢天然气的性能评价主要包括气密性试验、热负荷测试、燃烧工况试验、温升试验、安全装置试验、使用性能试验、排放性能试验。热负荷测试数据见表4。

表4 燃气灶具热负荷测试数据表Table 4 Heat load test data of gas stove

燃气灶具测试结果总结如下。

2 .1.1 气密性测试

燃气入口到燃烧器火孔前各部位无漏气现象,燃气通路气密性良好。

2 .1.2 热负荷测试

每个燃烧器的实测折算热负荷与额定热负荷的偏差在±10%以内,灶具热负荷满足国标要求。

2 .1.3 燃烧工况测试

燃烧分为有火焰和无火焰两种方式,火焰又可分为预混火焰和非预混火焰[13]。实验所用燃气具设计为部分预混燃烧方式。部分预混火焰由内焰和外焰两部分组成,内焰焰面是一明亮的界面,呈蓝绿色;外焰的明亮度较内焰弱,但在暗处也能明显看出火焰。

对于甲烷和掺氢甲烷,燃烧器在4 s以内均能着火,无爆燃,无离焰,无熄火,无回火(如图2所示),燃烧工况基本满足国标要求。掺混氢气之后,由于氢气燃烧需要的氧气含量更少,使得火焰高度略有降低,但总体上与纯甲烷工况一致。此外,随着氢气掺混比的增大,火焰的颜色更加偏蓝。总体而言,掺混20%氢气对灶具火焰影响不大。

图2 不同掺氢比例条件下的灶具火焰Fig.2 Combustion flame under different hydrogen ratio conditions

2 .1.4 温升测试

温升测试数据见表5。从温度采集的数据中看出,底板温升整体来说较低。燃料为纯甲烷在前板中有最高的温升,且最高温升随着掺氢比增加而降低。随着掺氢比变化,使得最高温升位置发生变化。整体上来说各部位温升正常,满足国标要求。

表5 燃气灶具温升测试数据表Table 5 Temperature rise test data of gas stove

2 .1.5 热效率测试

实测热效率为计算所得,计算公式为

需要测得参数为:加入锅中的水质量m1,单位kg;铝锅的质量(含盖子和搅拌器)m2;实际加水量与铝锅换算当量加水量之和m,单位为kg;水的比热容c;水的初温t1,单位℃;水的终温t2,单位℃;实测耗气量V耗,单位m3;15 ℃下、一个标准大气压下实验气低热值Q1实,单位MJ/m3;测定时燃气流量计内燃气温度tg,单位℃;实验时的大气压力Pamb,单位kPa;实验燃气流量计内燃气相对静压力Pm,单位kPa;温度为tg时的饱和水蒸气压力S,单位kPa。

燃气灶具搭配的为标准委员会指定标准锅,对于确定内径的标准锅,其配套的相关配件质量已知。实验所用燃气灶具测试平台较为智能,以上计算内容由平台自身完成。

整体上来说,随着掺氢比的下降,将会导致热效率降低。对于甲烷和掺氢甲烷,灶具热效率均大于60%,满足国标要求。

2 .1.6 排放测试

排放测试数据见表6。可以看出,当改变燃气中氢气的比例时,废气中CO浓度随掺氢比例的增加而降低。

表6 燃气灶具热效率及排放测试数据Table 6 Thermal efficiency and emission of gas stove

2.2 燃气热水器

实验所用燃气热水器为美的家用热水燃气快速热水器(产品型号:JSQ30-16HTL8)。利用西安交通大学GB 6932燃气热水器测试平台对掺氢甲烷(0,10%,20% H2)进行测试,该平台由燃气热水器,湿式流量计,计算机,减压阀,压力表和热电偶等组成,可开展使用掺氢天然气的性能评价主要包括燃气系统气密性试验、热负荷测试、燃烧工况试验、热水性能试验、排放性能试验评价。

燃气热水器测试结果如下。

2 .2.1 燃气系统气密性试验

燃气进口到燃烧器火孔前各部位无漏气现象,燃气通路气密性良好。

2 .2.2 燃烧工况试验

点燃一处火孔后,火焰在2 s内传遍所有火孔,无爆燃现象,火焰清晰、均匀,不发生回火、熄火及妨碍使用的离焰现象,燃烧工况基本满足国标要求。

2 .2.3 热负荷测试

热负荷测试数据见表7。整体来说实测折算热负荷与额定热负荷偏差小于10 %,热水器热负荷满足国标要求。

表7 燃气热水器热负荷及排放测试数据Table 7 Heat input and emission test data of gas water heater

2 .2.4 热水性能试验

对于甲烷和掺氢甲烷,额定负荷热效率均大于90%,额定负荷热水产率均大于90%,热水温升均小于60 K,停水温升均小于18 K,加热时间均小于35 s,热水温度稳定时间均小于60 s,水温超调幅度在±5℃以内,显示精度在±3℃以内;水温波动在±3℃以内,热水性能基本满足国标要求。

综合测试可以得出,在实验所测民用燃气终端中,使用掺氢比例为20%的掺氢天然气是可行的。

3 现场示范测试

2021年,朝阳燕山湖发电有限公司联合国家电投中央研究院在辽宁朝阳开展民用天然气掺氢示范,并于10月邀请国内近20家能源和燃气企业共同见证了掺氢天然气(含氢比例10%)在民用燃气具上的成功点火和食物烹饪(如图3所示),这代表着氢能的综合利用向“氢进万家”又迈出了坚实的一步,也为后续推动天然气掺氢管道输送技术普及奠定了重要基础。

图3 富氢灶具煮饺子Fig.3 Cooking dumplings by hydrogen-blended stove

该示范项目于2021年5月开始筹备,基于上文所述实验室测试结果分析民用掺氢可行性。由北京市煤气热力工程设计院出具模拟厨房场景的燃气管路和安全监测设计方案,由美的和万和集团提供示范所用燃气具,包括燃气灶具、燃气热水器和燃气壁挂炉,历时3个月建设完成投入使用。民用模拟厨房中设有7 台燃气具,包括2 台热水器、2 台壁挂炉和 3 台燃气灶。示范过程中使用掺氢比例为10%的掺氢天然气。

4 结论与展望

本文分析并验证了民用天然气掺氢的可行性,得到关键结论如下。

(1)针对民用燃气灶具和燃气热水器通过理论分析、实验测试和示范验证相结合的多重手段,获得了掺氢天然气燃烧特性参数理论计算数据,基于燃气灶具和燃气热水器的国家标准中要求的实验测试内容验证其使用掺氢天然气的适应性和安全性,掺氢20%时各项测试均基本符合国标要求。

(2)在实验室测试基础上通过模拟民用厨房的示范应用,验证了民用燃气具点火安全性。最终综合上述分析数据,确定了燃气具不做任何调整的前提下可以使用含氢比例不超过20%的掺氢天然气。

由于燃气具种类繁多且使用条件和状态不尽相同,因此某一个燃气具使用掺氢天然气的评价测试结果并不能代表该类燃气具的使用特性。文中所述测试方法和数据结论可为燃气具特性评价相关标准的制定提供参考。

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