含氫天然氣在家用天然氣燃具上的燃燒性能測試

嚴(yán)榮松 高文學(xué) 張楊竣 張建海

隨著風(fēng)能和太陽能的增長為電解水制造可再生氫提供越來越多的剩余電力，以可再生氫作為提高天然氣中可再生能源占比水平的一種新方式，已具備了一定的條件和技術(shù)能力。國外部分機(jī)構(gòu)已先期進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的研究，2002 2006年歐洲委員會共同資助的第六框架項(xiàng)目NaturalHy，致力于推動利用現(xiàn)有的天然氣系統(tǒng)作為催化劑的氫氣經(jīng)濟(jì)變革。NaturalHy聲明，向天然氣中注入氫氣可以使溫室氣體總排放量顯著降低，是一種有效“綠色”天然氣的手段[1]。德國DVGW研究了天然氣加氫在燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)各部件以及終端家用燃?xì)饩呤褂玫膯栴}。GasTerra、Stedin和KiWa燃?xì)庠诤商m進(jìn)行“阿默蘭島可持續(xù)發(fā)展”項(xiàng)目試點(diǎn)，通過低熱格羅寧根天然氣（G25）注入氫氣的示范應(yīng)用，積累關(guān)于混合氣對荷蘭燃?xì)夤芫W(wǎng)以及傳統(tǒng)燃?xì)饩哂绊懙确矫娴慕?jīng)驗(yàn)[2]。

為適應(yīng)《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃（2014 2020年）》專項(xiàng)規(guī)劃中提出的確保實(shí)現(xiàn)2020年碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%～45%的預(yù)期目標(biāo)，以及“十三五”規(guī)劃提出的“實(shí)施優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建低碳能源體系，落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念”，我國城市燃?xì)饧捌湎嚓P(guān)行業(yè)也應(yīng)積極向低碳化、多元化的燃?xì)饫梅较虬l(fā)展。為此，筆者針對我國現(xiàn)有家用的燃燒器具，理論分析了氫氣加入天然氣對燃燒穩(wěn)定性與互換性的影響，并基于12T基準(zhǔn)天然氣測試驗(yàn)證了天然氣混氫氣對家用燃具能效的影響。

1 理論分析

1.1 氫氣/天然氣基本物性

影響燃燒的因素有許多，其中氫氣與典型天然氣（主要成分為甲烷）顯著不同，其物理化學(xué)性質(zhì)有很大的差別（表1）。

表1 氫氣和甲烷物理化學(xué)性質(zhì)對比表

由表1可知，氫氣單位體積的熱值（H）約為甲烷的32%，相對密度（d）遠(yuǎn)低于甲烷，理論空氣量約為甲烷的25%。作為評價(jià)性能的重要參數(shù)華白數(shù)（W），其值為甲烷的90%。因此，加入了氫氣的天然氣若想作為城市氣源直接在現(xiàn)有家用系統(tǒng)中應(yīng)用，就不能無限量地直接摻混氫氣，需要明確一定的比例[3-4]。

1.2 基于現(xiàn)有氣源的氫氣含量確定

任何燃具都是按一定的燃?xì)獬煞衷O(shè)計(jì)的。當(dāng)燃?xì)獬煞职l(fā)生變化而導(dǎo)致其熱值、密度和燃燒特性發(fā)生變化時，燃具燃燒器的熱負(fù)荷、一次空氣系數(shù)、燃燒穩(wěn)定性、火焰結(jié)構(gòu)等燃燒工況就會改變。當(dāng)氫氣加入到天然氣中導(dǎo)致燃?xì)獬煞职l(fā)生變化時，燃具燃燒器的燃燒工況就會改變，從而影響燃具的性能，甚至導(dǎo)致原有的燃具不能正常工作。

根據(jù)燃?xì)饣Q性的要求，當(dāng)氣源供給用戶的燃?xì)庑再|(zhì)發(fā)生改變時，置換氣必須和基準(zhǔn)氣具有互換性，否則就不能保證用戶安全、滿意和經(jīng)濟(jì)地用氣[5-7]。因此，將氫氣加入天然氣用作替代氣源時，就必須考慮互換性問題或給出氣質(zhì)參數(shù)的波動范圍。筆者將依據(jù)天然氣的波動范圍，給出氫氣的最佳摻入比例。

天然氣的供氣質(zhì)量在GB 17820 2012《天然氣》、GB 50028 2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 13611 2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴分卸加芯唧w的規(guī)定。GB 17820 2012《天然氣》指出：“作為民用燃料的天然氣，總硫和硫化氫含量應(yīng)符合一類氣或二類氣的技術(shù)指標(biāo)，一類天然氣高位發(fā)熱量不小于36.0 MJ/m3，二類天然氣高位發(fā)熱量不小于31.4 MJ/m3”。GB 50028 2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中對燃?xì)赓|(zhì)量要求為：①城鎮(zhèn)燃?xì)猓☉?yīng)按基準(zhǔn)氣分類）的發(fā)熱量和組分的波動應(yīng)符合城鎮(zhèn)燃?xì)饣Q的要求；②城鎮(zhèn)燃?xì)馄x基準(zhǔn)氣的波動范圍宜按現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴返囊?guī)定，并應(yīng)適當(dāng)留有余地[8]。

我國城市燃?xì)夤?yīng)一般以12T天然氣為主。在2016年修訂GB/T 13611 2006時，除保留了12T天然氣的高華白數(shù)范圍為45.66～54.77 MJ/m3的規(guī)定外，還明確了其高熱值的范圍為31.97～43.57 MJ/m3，12T天然氣的基準(zhǔn)氣的高華白數(shù)為50.72 MJ/m3、高熱值為37.78 MJ/m3。

相對于基準(zhǔn)氣的上限高華白數(shù)波動值為：

相對于基準(zhǔn)氣的下限高華白數(shù)波動值為：

即12T天然氣的高華白數(shù)允許波動范圍介于－9.97%～＋7.98%。

相對于基準(zhǔn)氣的上限高熱值波動值為：

相對于基準(zhǔn)氣的下限高熱值波動值為：

即12T天然氣的高熱值允許波動范圍介于－15.38%～ ＋15.33%。

在氫氣與天然氣摻混后，氣體組分的基本特性會發(fā)生變化，其熱值、密度、相對密度和華白數(shù)都會迅速降低至12T天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。不同氣源天然氣可摻混氫氣的最大比例，取決于該燃?xì)獾某跏继匦?。匯總部分城市現(xiàn)有氣源的氣質(zhì)情況，在GB 13611 2006所述12T氣質(zhì)波動范圍選擇熱值、華白數(shù)較大的氣源1種，熱值、華白數(shù)較低的1種，中間氣源1種，進(jìn)行摻混比例的核算。如圖1所示，城市現(xiàn)有氣源在12T燃?xì)夥秶鷥?nèi)可分為3類：①H類，主要?dú)庠礊長NG，包括大鵬灣LNG、海南LNG和新疆LNG等；②L類，主要有普光氣田氣、渤海氣、東海平湖氣等；③M類，包括12T-0、陜甘寧氣、塔里木氣、廣西北海氣、忠武線氣等。這其中以M類燃?xì)鈿庠淳佣唷＿x擇3類中具有代表性的12T-0、大鵬灣LNG和普光氣田氣為樣本，繪制含有不同比例氫氣的混合燃?xì)獾母呷A白數(shù)與高熱值。

圖1 城市現(xiàn)有天然氣分布及摻混氫氣后華白數(shù)和熱值變化情況圖

當(dāng)氫氣與大鵬灣LNG摻混時，在滿足GB/T 13611 2006對12T界限要求的情況下，可摻混氫氣的最大比例約為35%；當(dāng)氫氣與普光氣田氣摻混時，因其初始特性參數(shù)較低，可摻混氫氣最大比例約為15%；當(dāng)氫氣與12T基準(zhǔn)氣摻混時，可摻混氫氣的最大比例約為23%。

由于不精確的燃燒器調(diào)節(jié)、空氣系數(shù)、制造過程的變化及其他因素的額外影響，很難在所有實(shí)際應(yīng)用過程中實(shí)現(xiàn)高摻混比例的“適用性”。為有效解決燃?xì)獾幕Q性問題，并考慮氣源的普適性，確定天然氣中摻入氫氣含量應(yīng)不大于20%。

1.3 氫氣加入對燃?xì)馓匦詤?shù)影響

與燃?xì)饣Q性相關(guān)的燃燒特性指數(shù)主要包括：高熱值或低熱值、高華白數(shù)或低華白數(shù)、燃燒勢、相對密度等。在歐洲，除了比利時、法國等少數(shù)國家采用華白數(shù)、燃燒勢外，英國等國家采用華白數(shù)、韋弗火焰速度指數(shù)、燃?xì)猱?dāng)量組分（如當(dāng)量丙烷和氮?dú)獾龋┑葏?shù)；其余國家一般采用熱值、華白數(shù)等來表示燃?xì)獾幕Q性和質(zhì)量控制指標(biāo)。中國自1987年開始正式推出法國德爾布燃?xì)饣Q性理論，并提出采用燃?xì)馊A白數(shù)、燃燒勢兩個主要參考指標(biāo)來分析和判斷燃?xì)獾幕Q性[9]。

當(dāng)氫氣與天然氣摻混時，不超過20%含量的氫氣對天然氣燃燒特性指標(biāo)的改變情況如圖2所示。

隨著氫氣的加入，天然氣的密度、熱值和華白數(shù)等參數(shù)以及其燃燒特性均有所變化[10-13]。在計(jì)量參比條件為15 ℃、101.325 kPa時，對摻混不同比例氫氣后甲烷的相對密度、熱值和華白數(shù)等特性進(jìn)行計(jì)算，由圖2可以得：①互混后，混合氣相對密度隨著氫氣含量的增加呈下降趨勢，當(dāng)氫氣含量達(dá)到20%時，相對密度變化為0.457 8，與甲烷相對密度同比下降17.5%；②混合氣的熱值隨著氫氣含量增加呈下降趨勢，當(dāng)氫氣含量達(dá)到20%時，混合氣的高熱值變化為32.64 MJ/m3，與甲烷高熱值同比下降13.6%，混合氣的低熱值變化為29.26 MJ/m3，與甲烷低熱值同比下降13.9%；③混合氣的華白數(shù)隨著氫氣含量增加呈下降趨勢，當(dāng)氫氣含量達(dá)到20%時，混合氣的高華白數(shù)變?yōu)?8.25 MJ/m3，與甲烷高華白數(shù)同比下降4.9%，混合氣的低華白數(shù)變?yōu)?3.24 MJ/m3，與甲烷低華白數(shù)同比下降5.3%。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 燃燒穩(wěn)定性分析

圖2 混合氣特性參數(shù)隨氫氣含量的變化圖

按照GB 16410 2007《家用燃?xì)庠罹摺贰J/T 386 2012《集成灶》、GB 6932 2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌泛虶B 25034 2010 《燃?xì)獠膳療崴疇t》[14-16]，測試燃具在使用12T基準(zhǔn)天然氣時其安全適應(yīng)性：點(diǎn)火率、火焰穩(wěn)定性等性能，測試結(jié)果表明所選樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在燃?xì)饩卟蛔鋈魏握{(diào)整情況下，進(jìn)行不同氫氣含量的混合氣試驗(yàn)，其點(diǎn)火率、火焰穩(wěn)定性性能全部合格，未見明顯的回火與火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象，說明所選含氫量范圍可以在實(shí)際中應(yīng)用，且不會對燃具安全性構(gòu)成影響。

2.2 負(fù)荷相對偏差分析

在使用含氫量不大于20%的12T基準(zhǔn)天然氣摻混氣時，灶具、熱水器、采暖熱水爐等家用燃具（大氣式燃具和全預(yù)混燃具）上獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 家用燃具熱負(fù)荷偏差圖

測試結(jié)果表明，隨著氫氣含量的增加、氣源華白數(shù)的降低，所測燃具的熱負(fù)荷降低。家用燃?xì)庠罹叩臏y試熱負(fù)荷相對偏差最大為－7.5%，熱水器測試熱負(fù)荷相對偏差最大為－8.8%，采暖熱水爐測試熱負(fù)荷相對偏差最大為－6.0%。由圖3可知，當(dāng)氫氣含量在20%時，燃具負(fù)荷比理論計(jì)算值將降低4.9%。計(jì)算熱負(fù)荷與實(shí)測熱負(fù)荷偏差1.9%～3.9%。

2.3 熱效率分析

按照GB 16410 2007《家用燃?xì)庠罹摺?、CJ/T 386 2012《集成灶》的相關(guān)技術(shù)要求，對紅外灶、嵌入式灶、臺式灶和集成灶等4類燃具進(jìn)行熱效率測試。測試結(jié)果顯示：在整個測試氣氛下，均滿足GB 16410 2007中臺式灶熱效率大于等于55%、嵌入式灶熱效率大于等于50%的要求；集成灶的熱效率滿足CJ/T 386 2012中熱效率不小于50%的要求；且4類燃具在不同含氫量的氣氛下燃燒時滿足 GB 30720 2014《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃墶分杏嘘P(guān)臺式灶、嵌入式灶和紅外灶對各自能效2級要求（圖4）。總體來看，幾種燃?xì)庠罹邔赓|(zhì)的適應(yīng)性較好，隨氫氣含量的增大，華白數(shù)降低，但幾類灶具樣本對熱效率的響應(yīng)相對保持穩(wěn)定，變化不大。

圖4 不同氫氣含量天然氣灶具熱效率測試值圖

按照GB 6932 2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌返南嚓P(guān)技術(shù)要求，用標(biāo)準(zhǔn)方法對所選自然排氣式和強(qiáng)制排氣式兩類快速熱水器樣本進(jìn)行熱效率測試。測試結(jié)果顯示：在整個測試氣氛下，快速熱水器熱效率均滿足GB 6932 2015中額定熱負(fù)荷的熱效率不小于84%的要求；且熱水器在不同含氫量的氣氛下燃燒時滿足 GB 20665 2015《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》中有關(guān)熱水器能效2級要求（圖5）。在保持熱效率方面，不同類型的幾種熱水器對摻混氣質(zhì)的適應(yīng)性較好。熱效率隨氫氣含量的增大，相對保持穩(wěn)定，與灶具的性能變化規(guī)律一致。

圖5 不同氫氣含量天然氣快速熱水器熱效率測試值圖

按照GB 25034 2010《燃?xì)獠膳療崴疇t》的相關(guān)技術(shù)要求，用標(biāo)準(zhǔn)方法對所選全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t樣本進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，在保持熱效率方面，不同類型的采暖熱水爐對摻混氣質(zhì)的適應(yīng)性較好。熱效率隨氫氣含量的增大，相對保持穩(wěn)定（圖6）。

圖6 不同氫氣含量天然氣采暖熱水爐熱效率測試值圖

3 結(jié)論

基于家用燃具的燃燒互換性理論和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究測試了家用燃具對摻混氫氣天然氣的安全適應(yīng)性與熱工性能適應(yīng)性（熱負(fù)荷、熱效率等），得到以下結(jié)論：

1）大鵬灣LNG的華白數(shù)值較高，屬于高熱城市天然氣族，在滿足GB/T 13611 2006對12T天然氣熱值與華白數(shù)界限要求的情況下，可摻混氫氣的最大比例為30%；普光氣田氣的華白數(shù)較低，可摻混氫氣最大比例為15%；在12T基準(zhǔn)氣中可摻混氫氣的最大比例約為23%，考慮到不精確的燃燒器調(diào)節(jié)、燃燒空氣的溫度、制造過程的變化及其他因素的額外影響，為有效解決燃?xì)獾幕Q性問題，并考慮氣源的普適性，確定天然氣中摻入氫氣含量應(yīng)不大于20%。

2）實(shí)驗(yàn)測試含氫量在20%以內(nèi)的天然氣時，由于摻氫天然氣的熱值、華白數(shù)均低于12T基準(zhǔn)天然氣的相應(yīng)值，在12T燃具上使用時會出現(xiàn)熱工性能偏差問題，但不改變?nèi)季咴谀苄Х矫娴谋憩F(xiàn)。因此在天然氣中加入氫氣，可以在常規(guī)的天然氣類家用燃?xì)饩呱现苯討?yīng)用，不存在明顯改變?nèi)細(xì)饩甙踩⒐?jié)能和技術(shù)性能等既有狀況的現(xiàn)象。

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（修改回稿日期 2018-01-12 編 輯 陳 嵩）

亞馬爾LNG項(xiàng)目正式進(jìn)入投資回收階段

中石油參股的亞馬爾LNG項(xiàng)目首船份額氣已在西班牙順利完成卸貨。這艘船裝載著7.3h104t LNG，標(biāo)志著中石油在北極圈內(nèi)的第一個LNG項(xiàng)目正式進(jìn)入投資回收階段。

亞馬爾LNG項(xiàng)目地處極寒地帶，全部建成后可年產(chǎn)1 650h104t LNG。項(xiàng)目投產(chǎn)初期生產(chǎn)穩(wěn)定，有一部分LNG現(xiàn)貨，中石油按持股比例可獲取其中的20%。根據(jù)統(tǒng)一部署，中國石油國際事業(yè)有限公司（以下簡稱國際事業(yè)公司）與中油國際俄羅斯公司、賽寧公司提前近一年組成工作組，進(jìn)行銷售前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。項(xiàng)目投產(chǎn)初期由于配套冰級船運(yùn)力有限，加之生產(chǎn)處于調(diào)試階段導(dǎo)致貨物到港時間不確定，給銷售工作帶來極大的挑戰(zhàn)。中油國際俄羅斯公司和賽寧公司與外方股東積極協(xié)調(diào)，國際事業(yè)公司配合賽寧公司深入推進(jìn)與項(xiàng)目方的商務(wù)談判，并充分發(fā)揮全球貿(mào)易運(yùn)作的專長，通過再裝船運(yùn)作突破了項(xiàng)目冰級船運(yùn)力不足的瓶頸，將首船份額氣銷往南歐高價(jià)市場，獲得較好收益。