工業(yè)燃?xì)馊紵骰Q性實驗測試方法研究

劉鵬君 秦朝葵 楊賢潮

（同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院）

由于國外燃油燃?xì)忮仩t大量涌入國內(nèi)市場，國產(chǎn)燃油燃?xì)忮仩t也得到很大發(fā)展，這些客觀因素促使燃油燃?xì)忮仩t應(yīng)用越來越多，已逐步取代燃煤鍋爐且呈逐年上升的趨勢［1］。天然氣作為一種清潔能源，在消除霧霾天氣以及節(jié)能減排上發(fā)揮著日益重要的作用。以天然氣為主要燃料的自動燃?xì)馊紵鲗﹀仩t的性能起著關(guān)鍵作用，且其自身具有的優(yōu)點決定了其巨大的需求潛力和市場前景。

隨著國家調(diào)整能源結(jié)構(gòu)力度不斷加大，天然氣市場快速發(fā)展。與此同時，國內(nèi)很多地區(qū)基本形成“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸”的多氣源供應(yīng)格局。燃燒設(shè)備（如民用灶具、商業(yè)燃燒器燃?xì)廨啓C、工業(yè)燃燒器等）的運行水平會受到氣源組分變化（氣源組成、熱值、燃燒性質(zhì)等）的一定影響。對于民用灶具、熱水器、燃?xì)廨啓C在氣源組分變化下的燃?xì)饣Q性研究都是基于一定的檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測方法。然而，目前對工業(yè)燃燒器的互換性試驗，仍缺乏全面的研究資料。為此，本文參照歐標(biāo)BS EN 676－2003“Automatic forced draught burners for gaseous fuels”［2］和 GB／T 19839－2005《工業(yè)燃油燃器燃燒器通用技術(shù)條件》［3］，提出一套針對工業(yè)用燃?xì)馊紵髟诓煌M分氣源下實驗研究的原則與方法，并用實驗測試結(jié)果校驗該方法的可靠性。

1 燃?xì)馊紵鞯慕榻B

燃?xì)馊紵魇且环N將燃料和空氣按所要求的濃度、速度、湍流度和混合方式送入爐膛，并使燃料能在爐膛內(nèi)穩(wěn)定著火與燃燒的熱能裝置。該裝置一般應(yīng)用于中小型燃?xì)忮仩t上，也廣泛用于各種工業(yè)窯爐中。燃?xì)馊紵黝愋秃芏?，而這里主要涉及強制鼓風(fēng)燃?xì)馊紵鳎ㄎ闹泻喎Q為燃?xì)馊紵鳎┑难芯?。在實際運行過程中，不同裝置、不同工藝對燃?xì)馊紵饔胁煌囊蟆娜細(xì)馊紵鲗崿F(xiàn)的功能可將其分為5大系統(tǒng)：送風(fēng)系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、電控系統(tǒng)。當(dāng)燃?xì)饨?jīng)微電腦控制系統(tǒng)按程序控制進(jìn)入燃燒器的燃燒頭內(nèi)，由一次風(fēng)與可燃?xì)怏w混合，點火燃燒，同時二次風(fēng)助燃，實現(xiàn)充分燃燒。

1.1 燃?xì)馊紵鞴ぷ髟?/h3>

一般來說，燃?xì)馊紵鞴ぷ鬟^程分4個階段：準(zhǔn)備階段、預(yù)吹掃階段、點火階段和正常燃燒階段。圖1為某一燃?xì)馊紵鞯墓ぷ髟砹鞒虉D。當(dāng)燃燒器電源開關(guān)接通電源，進(jìn)行燃?xì)鈮毫z測及溫度控制信號判斷是否允許啟動燃燒器。若條件滿足，則啟動風(fēng)機電動機，風(fēng)門開到最大，進(jìn)入前吹掃，這段時間內(nèi)要進(jìn)行風(fēng)壓檢測。在燃燒器工作的整個過程中，控制系統(tǒng)會判斷燃?xì)鈮毫η闆r、溫度控制信號，如不在工作范圍內(nèi)，則燃燒器停機；等到條件滿足后，會自動重新啟動燃燒器。

1.2 燃?xì)馊紵鞯募夹g(shù)要求

在燃?xì)忮仩t中，對燃燒器的技術(shù)要求主要有以下幾個方面：

（1）在額定燃?xì)鈮毫ο拢紵髂苓_(dá)到額定壓力。

（2）火焰的形狀與尺寸應(yīng)和爐膛結(jié)構(gòu)尺寸相匹配，同時應(yīng)有良好的火焰充滿度。

（3）具有良好的調(diào)節(jié)特性，在鍋爐最低負(fù)荷至最高負(fù)荷運行時，燃燒工況應(yīng)穩(wěn)定，即有較大的調(diào)節(jié)比。

（4）燃燒完全，煙氣中有害氣體CO2、CO、NOX和SOX排放少。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊、安裝操作方便、調(diào)節(jié)靈活、噪音小。

因此，在研究其互換性的時候，可根據(jù)以上要求，將燃?xì)馊紵鞯幕Q性評判指標(biāo)列為熱負(fù)荷、污染物排放、燃燒穩(wěn)定性、火焰形態(tài)等。

2 互換性內(nèi)容的介紹

燃?xì)庥捎谄鋪碓吹牟煌瑢?dǎo)致其種類、性質(zhì)差異較大，在其他條件不變的情況下，當(dāng)燃?xì)庑再|(zhì)發(fā)生變化時，燃燒器的工況就會發(fā)生一定程度的變化。研究燃?xì)饣Q性的主要目的，就是考察這些變化是否超出允許的范圍，從而界定氣質(zhì)組分的允許變化范圍，在實際應(yīng)用中有針對性地采取一些互換性管理措施，以預(yù)防問題的出現(xiàn)。

傳統(tǒng)意義上，互換性被定義為一種氣體替代另一種氣體在同一燃燒設(shè)備上燃燒，其燃燒性能不受影響。隨著燃?xì)獾膽?yīng)用范圍擴大，傳統(tǒng)民用與商業(yè)用氣在總量中所占的比重逐漸減少，工業(yè)用戶、發(fā)電行業(yè)及其他非燃燒設(shè)備用氣比重逐步增加。另外，大量進(jìn)口的LNG、發(fā)展非常規(guī)天然氣和生物質(zhì)氣與現(xiàn)用管道天然氣的互補性必然會促使氣質(zhì)發(fā)生變化，這將帶來許多新的互換性問題。早期的互換性理念已經(jīng)不適用于當(dāng)今的研究。

經(jīng)過幾年的討論，燃?xì)饣Q性的定義已開始采用美國NGC＋出版的白皮書的表達(dá)來作為一個共同的概念［4］，即在某燃燒設(shè)備中，用一種氣體燃料替換另一種氣體燃料，而不會顯著改變其操作安全性、效率和性能，也不會顯著增加污染物排放量。

根據(jù)最新定義，現(xiàn)在關(guān)注互換性已不僅限于民用式燃燒器，而是擴大到工業(yè)、發(fā)電等領(lǐng)域，并重視節(jié)能減排，重點關(guān)注效率與排放這兩個指標(biāo)。

3 參考標(biāo)準(zhǔn)與方法依據(jù)

燃?xì)馊紵饔捎谄渥陨淼奶攸c，加之其燃燒產(chǎn)物會對環(huán)境造成污染，世界上許多國家對燃燒器安全性能和環(huán)保性能提出強制性要求，并針對被廣泛應(yīng)用的全自動燃燒器，制定了相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)［5］。文獻(xiàn)［2］對國內(nèi)外燃油／氣燃燒器法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)以及測試內(nèi)容進(jìn)行了介紹，指出了各國燃燒器法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的組成和特點，而我國目前關(guān)于燃燒器測試方面的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也是參照歐標(biāo)EN 676。EN 676規(guī)定了全自動鼓風(fēng)式燃?xì)馊紵鞯男阅軝z測內(nèi)容及方法，是本文研究的依據(jù)所在。本文參照EN 676，同時結(jié)合其他燃燒器測試標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 19839－2005等），制定了在氣源組分變化下燃?xì)馊紵鞯幕Q性檢測流程和方法。

4 初始工況點的確定

眾所周知，互換性的研究不僅與基準(zhǔn)氣和置換氣的特性有關(guān)，在很大程度上還受到燃具初始調(diào)節(jié)狀態(tài)即基準(zhǔn)點初始工況點的影響。研究互換性是在調(diào)節(jié)好初始工況點、僅改變供氣氣源來進(jìn)行的。燃?xì)馊紵鞯男阅軝z測不是單獨進(jìn)行的，而是基于一定的檢測裝置，如配套燃?xì)忮仩t，因此，鍋爐的背壓對其互換性的研究也有一定的影響。故在調(diào)節(jié)燃?xì)馊紵鞯幕鶞?zhǔn)點時，應(yīng)從燃?xì)夤鈮毫Α⑷紵黝~定功率、測試爐膛背壓以及風(fēng)機風(fēng)門開度這4個方面進(jìn)行確定。

4.1 額定功率及背壓

圖2為燃燒器的工作曲線圖，由燃燒器廠商提供。它代表了燃燒器允許的工作范圍，圖中橫坐標(biāo)為燃燒器熱負(fù)荷、縱坐標(biāo)為燃燒室壓力（背壓），A區(qū)域為燃燒器的正常工作區(qū)域，其中點2為大多數(shù)用戶選擇燃燒器的依據(jù)點，是配制風(fēng)機的基礎(chǔ)，也是燃燒器的最大有效工作點，正常工況下都是工作在點2狀態(tài)下的。因此，本文確立將點2的數(shù)值作為燃燒器的額定功率和工作背壓，燃燒器功率通過燃?xì)饬髁块y調(diào)節(jié)好后固定閥門位置，背壓通過煙道擋板調(diào)節(jié)好后固定擋板位置，以上操作一旦就緒，之后測試期間不再作調(diào)整［6］。

4.2 測試壓力情況

對于工作曲線上點2的測試，要求燃燒器燃用額定壓力的標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)?，EN 676對此進(jìn)行了規(guī)定，表1中，第二族類H組燃?xì)鉃槿細(xì)馊紵鞯脑O(shè)計用氣，也是燃燒器正常工作用氣，其額定壓力應(yīng)為2 kPa。如圖3中1處的測量壓力，在互換性測試過程中，要確保該點測量壓力始終為額定壓力2kPa。

表1 燃?xì)馊紵鳒y試壓力的規(guī)定 （p／kPa）Table 1 Test pressures requirements of gas burner

4.3 風(fēng)機風(fēng)門的開度

這里是針對無燃?xì)猓諝獗壤y的鼓風(fēng)式燃燒器而言，具備比例調(diào)節(jié)功能的無需進(jìn)行此調(diào)整。在背壓及燃?xì)饬髁块y調(diào)節(jié)完畢并固定的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)門，同時通過煙氣分析儀實時對煙氣進(jìn)行分析，當(dāng)過剩O2≤3.5%，并且CO、NOX排放表現(xiàn)良好時，固定風(fēng)門位置，之后不再調(diào)整。

5 互換性測試方法的建立

5.1 測試火焰爐膛

由于實驗條件所限，不可能通過一一購置相匹配的燃?xì)忮仩t來進(jìn)行實驗研究，而需要采取模擬的火焰爐膛進(jìn)行。EN 676對燃燒器檢測用的火焰爐有比較詳細(xì)的規(guī)定［2］。而本文實驗的開展也是在一臺實驗室已有的按照EN 676簡易打造的測試爐膛上進(jìn)行的。圖3中的煙道擋板用來制造在燃燒室出口或煙道中不同的壓力降，即燃燒室背壓。通過調(diào)節(jié)壓力擋板的開度，就可調(diào)節(jié)燃燒室內(nèi)的壓力，從而模擬鍋爐實際運行中換熱面阻力大小。但與EN 676相比，該爐膛容積是不可調(diào)節(jié)的，無法通過調(diào)節(jié)爐膛的長短來適應(yīng)熱負(fù)荷的變化。但基于測試都是在天然氣組分變化下，最大程度還原燃燒器應(yīng)用于實際裝置中可能出現(xiàn)的問題，故現(xiàn)有爐膛對于互換性實驗足夠用來模擬燃燒器在鍋爐等應(yīng)用場合下的性能變化情況。

5.2 測試試驗臺架

本次互換性研究主要考察燃燒器熱負(fù)荷、污染物排放、火焰形態(tài)、燃燒穩(wěn)定性等指標(biāo)在氣源組分變化下的變化情況。參照EN 676，以及借鑒民用燃具的研究方法，將實驗的測試臺架按照合理且方便的形式布局，如圖3所示。

為準(zhǔn)確可靠地對以上各種參數(shù)進(jìn)行測量，測試儀器的精度要求較高，溫度測量以熱電偶為主；背壓的測量儀表采用U型壓力計表；燃?xì)饬髁坑赡な搅髁勘頊y得，燃?xì)鉄嶂涤缮V分析儀分析得出；CO、NOX等污染物排放利用英國Kane公司生產(chǎn)的KM9160煙氣分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過Fireworks軟件連續(xù)自動監(jiān)測和記錄。

5.3 測試方法、步驟

調(diào)節(jié)好樣本燃?xì)馊紵鞯某跏紶顟B(tài)點后，采用EN 676規(guī)定的試驗條件、試驗狀態(tài)和試驗方法（部分根據(jù)實際條件有所調(diào)整）制定以下測試流程：

（1）使用實驗室管道氣點燃燃燒器進(jìn)行測試前預(yù)熱，在額定壓力、指定背壓下工作；當(dāng)燃燒趨于穩(wěn)定以及待煙氣溫度的變化不超過±5℃時，準(zhǔn)備進(jìn)行測試。

（2）將氣源切換為測試用氣，調(diào)壓器可保證測試時壓力穩(wěn)定，將背壓調(diào)至燃燒器指定值下。待工作穩(wěn)定，由膜式流量表測定燃?xì)饬髁?，為減少實驗誤差，流量重復(fù)測定2次以上，讀數(shù)誤差小于2%，取2次流量的平均值。同時測試熱負(fù)荷、CO、NOX、火焰穩(wěn)定性等指標(biāo)。

（3）換另一臺燃燒器重復(fù)步驟（1）和（2）的測試工作。

6 測試方法的可靠性

將以上建立的測試方法應(yīng)用于實際的互換性實驗研究中，來驗證其是否具有適用性。在此引用“折算熱負(fù)荷”［7］概念。折算熱負(fù)荷作為統(tǒng)一的基準(zhǔn)用于銘牌標(biāo)稱值的質(zhì)量控制，有其現(xiàn)實意義。它是將實際條件下的測試折算到出廠時的標(biāo)準(zhǔn)條件下，具有在不同測試條件下保持不變的特性，可作為評判測試數(shù)據(jù)可靠性的指標(biāo)。

應(yīng)用本文所述測試方法對3臺市場上的燃?xì)馊紵髟?種不同組分氣源下進(jìn)行互換性實驗測試。各燃燒器在不同氣源下的折算熱負(fù)荷見圖4，每個燃燒器的折算熱負(fù)荷基本在±2%的范圍內(nèi)波動，可以視為保持不變。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］及實測熱負(fù)荷的測量原理和方法，對燃?xì)馊紵鳠嶝?fù)荷測試結(jié)果進(jìn)行了不確定度評定，分析了各輸入量對評定結(jié)果的影響情況，見表2。在試驗過程中，沒有條件對各輸入量進(jìn)行獨立的重復(fù)測量，因此各分量均按不確定度評定中的B類方法進(jìn)行評定。

從表2可看出，影響實測熱負(fù)荷測量結(jié)果不確定度的分量中，試驗氣低熱值和燃?xì)饬髁繉y試結(jié)果的不確定度影響較大。綜合考慮試驗過程中各輸入量對合成結(jié)果的影響，實測熱負(fù)荷的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.14kW，若忽略折算系數(shù)f和所用時間t對合成結(jié)果的影響，則各因素對合成結(jié)果影響不足3%。

實驗中對測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性進(jìn)行了考量，這里僅舉一例分析。對其中一臺樣本在一種氣源下進(jìn)行了3次測試，熱負(fù)荷分別為43.04kW、42.95kW、43.05kW，最大偏差為－0.2%，這表明，實驗的重復(fù)性良好。

表2 實測熱負(fù)荷測量結(jié)果不確定度分析Table 2 Uncertainly analysis of actual heat input

7 結(jié)論

本文根據(jù)歐標(biāo)EN 676，結(jié)合其他燃具測試標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗，建立了一套針對工業(yè)燃?xì)馊紵鞯幕Q性測試方法，并采用此法對3個樣本燃燒器在6種氣源下進(jìn)行了互換性實驗。結(jié)果表明，實驗裝置和方法適用于工業(yè)用燃?xì)馊紵髟跉庠唇M分變化下的互換性研究。這在氣源與天然氣應(yīng)用領(lǐng)域多元化的今天，對天然氣行業(yè)及研究機構(gòu)有著重要的作用。

［1］徐宏偉.燃?xì)馊紵靼l(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009（3）：30－31.

［2］Technical Committee CEN／TC 131.BS EN676－2003Automatic forced draught burners for gaseous fuels［S］.2003.

［3］全國船用機械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB／T 19839－2005工業(yè)燃油燃?xì)馊紵魍ㄓ眉夹g(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［4］Group N I W.White Paper on Natural Gas Interchangeability and Non－Combustion End Use［R］.2005.

［5］竇文宇，郭元亮，廖曉偉，等.國內(nèi)外燃油／氣燃燒器法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與測試內(nèi)容介紹［J］.工業(yè)鍋爐，2009（3）：24－28.

［6］楊賢潮.多氣源天然氣互換性研究與分析－工商業(yè)燃?xì)饩撸跠］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2012.

［7］國家質(zhì)檢總局.GB16410－2007家用燃?xì)庠罹撸跾］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［8］戴萬能，秦朝葵，熊超.家用燃?xì)庠顭嵝蕼y量及不確定度評定［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9（1）：79－84.