摘 要

6　從一個實(shí)例分析36號公告法與韋弗法的異同(1)設(shè)調(diào)定氣a(塔里小氣田氣)的組分為：CH4-96.27％，C2H6-1.77％，C3H8-0.30％，iC4H10-0.06％，nC4H10-0.08％，C5H12-0.13％，N2-1.39％。置換氣S(澳大利亞

6　從一個實(shí)例分析36號公告法與韋弗法的異同

(1)設(shè)調(diào)定氣a(塔里小氣田氣)的組分為：CH4-96.27％，C2H6-1.77％，C3H8-0.30％，iC4H10-0.06％，nC4H10-0.08％，C5H12-0.13％，N2-1.39％。

置換氣S(澳大利亞等LNG)的組分為：CH4-89.3％，C2H6-7.1％，C3H8-2.5％，C4⁺-1.0％，N2-0.1％

用36號公告法和韋弗法計(jì)算互換結(jié)果，并對兩種方法作細(xì)部分析。

(2)基本數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見表l：

 

(3)兩種方法的計(jì)算結(jié)果如下：

36號公告法：

IL=0.956＜1

IF=1.032＜1.18

IY=0.8492＜1.0（不可接受）

韋弗法：

JA=1.053＞1（不可接受）

JI=0.072＞0（不可接受）

JY=0.162＞0.14（不可接受）

JH=1.0549＞1.05（不可接受）

JF=-0.0457＜0.08

JL=1.083＞0.64

結(jié)論：S氣不能與a氣互換；36號公告原因?yàn)辄S焰端；韋弗法為黃焰端與不完全燃燒。韋弗法在人力與一次空氣指數(shù)兩項(xiàng)亦不可接受。

(4)兩種方法的細(xì)部分析

①離焰：

由式（9）知：

 

上式中：

 

因此：

 

可看作為1

于是用36號公告法中的離焰權(quán)限常數(shù)K也可近似的算出韋弗離焰指數(shù)（簡化法）。在本例中

 

上式中

 

可知

 

即

 

而

 

兩者十分接近。

且韋弗式

 

也接近于1.0772，兩種方法的差異甚小。

②回火

由上述可知，式(14)、(15)或(16)式可反映JF與IF的差別。

由來自36號公告法的(16)式可知

 

＝1.022≈離焰計(jì)算中的1.023

或

 

也說明兩種方法的差異甚小。

③黃焰端

可用

 

值對韋弗法和36號公告法作比較：

按式(20)，在韋弗法中：

 

按式(21)，在36號公告法中：

 

均接近于l.053的值。

④不完全燃燒

圖36號公告法中無單獨(dú)的不完全燃燒公式，韋弗法無從比較。

7　互換性指數(shù)的應(yīng)用

在討論互換性指數(shù)的應(yīng)用時，韋弗先做了一個比喻^[1]：如果我們決定是否可用一塊長的木板在小溪上搭起一個小橋，首先就必需考慮兩個因數(shù)，即準(zhǔn)確的量測板的長度和估計(jì)小溪的寬度。一個燃?xì)夤净蚬檬聵I(yè)的管委會在決定所供燃?xì)獾淖兓欠裥枰{(diào)整或直接使用時所出現(xiàn)的問題也相類似。互換性的某些指數(shù)相當(dāng)于板的量測方法(即確定燃?xì)獾慕M分變化對已調(diào)定燃具運(yùn)行的影響)，小溪的寬度則相當(dāng)于已有燃具的全部調(diào)定情況或大部燃具正在使用的狀況。進(jìn)一步做出決定時，必然會考慮到小溪的岸邊是否是不能受力的軟土帶?木板能否到達(dá)堅(jiān)硬的彼岸?是否會成為一座不能滿意的小橋?或者認(rèn)為有它總比沒有好?與此類似的是：應(yīng)該確認(rèn)所供燃?xì)獾淖兓欠駮鼓承┤季叩倪\(yùn)行發(fā)生困難?不能正常運(yùn)行的燃具太多或是出現(xiàn)問題的性質(zhì)太嚴(yán)重?也就是如何根據(jù)燃具的失效分析來確定指數(shù)的應(yīng)用范圍。韋弗認(rèn)為，至今論文所涉及的還只是一些容易解決的問題，遺憾的是在評估中某些困難的部分或有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)可能在觀察中已完全被忽略，做進(jìn)一步論述可能會有所幫助。

最明顯的是一條小溪并不一定都有同樣的寬度，相當(dāng)于燃具的種類很多，并不是所有類型的燃具毋須再調(diào)定就能容許使用，或同類燃具在原始調(diào)定時所采用的標(biāo)準(zhǔn)就不同。實(shí)際上，原始調(diào)定時就隨調(diào)定人員對當(dāng)時燃?xì)饨M成的特性要求就有理解上的差別，有一定的多樣性。如燃具按天然氣進(jìn)行調(diào)定時，大部分燃具可能按接近于離焰的位置調(diào)定，燃燒時滿足額定負(fù)荷和有最高熱效率的要求。也可能是多數(shù)燃具按不完全燃燒進(jìn)界的位置調(diào)定，既可合理的處理黃焰端，又?jǐn)U大了回火的安全范圍。調(diào)定人員各自掌握的程度也不同，又不可能留下記錄。這些均對互換性指數(shù)的使用范圍的確定造成困難。從筆者在本刊對36號公告法的介紹數(shù)據(jù)中可看出端倪。

在美國，一些已經(jīng)使用煉油廠副產(chǎn)氣的地方，多數(shù)燃具是按臨近于回火的位置調(diào)定，保證一次空氣量以防止煙塵的產(chǎn)生。由于燃?xì)庵械?span lang="EN-US">H2含量較高，義能遠(yuǎn)離離焰，但卻減小廠不完全燃燒的安全范圍如該地區(qū)燃?xì)夤镜娜季哒{(diào)定政策中規(guī)定壓力應(yīng)接近于最大值，經(jīng)過培訓(xùn)的科技人員又堅(jiān)持燃具額定入力的要求，則在通常情況下，當(dāng)燃?xì)獾?span lang="EN-US">J1在0.0～0.5的范圍內(nèi)時，可認(rèn)為是安全、合理的。遺憾的是，該公司的供氣系統(tǒng)內(nèi)裝有許多無排煙道的輻射采暖器，調(diào)定時未考慮到壓力變化的瞬時情況，燃具的入力可能高于額定值，用戶又喜歡這一狀態(tài)，但是要Ji略有增加，某些用戶的生命就可能發(fā)生危險。對這類無法應(yīng)付的突發(fā)危險，為了安全，只能做出一個相對嚴(yán)格的規(guī)定。如汽車運(yùn)行中的車速規(guī)定或熱煙道的本質(zhì)建筑材料之間隔離層要求。這一事例說明，互換性指數(shù)的應(yīng)用必須考慮到各種類別的燃具。

以上說明，確定互換性指數(shù)的應(yīng)用范圍是十分復(fù)雜的，在許多不確定因素條件下，要做好失效分析。既要考慮燃具的多樣性，又要考慮初次調(diào)定的情況；既要考慮實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)，又要考慮到廣大用戶的使用條件。一個國家燃?xì)馐褂玫臍v史越久，用戶的情況就越復(fù)雜。韋弗以1106-A研究報告所得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了互換性指數(shù)的制定范同，并認(rèn)為比一般燃?xì)夤净蛞?guī)程管理部門的規(guī)定要優(yōu)越。

規(guī)定的離焰指數(shù)JL不應(yīng)小于0.64(應(yīng)大于0.64)；回火指數(shù)JF不大于0.08(應(yīng)小于0.08)；黃焰端指數(shù)Jy不應(yīng)大于0.14(應(yīng)小于0.14)；不完全燃燒指數(shù)不應(yīng)大于0.0(應(yīng)小于0.0)；此外，還有0.95≤JH≤1.05和JA=1的基本要求。

實(shí)際應(yīng)用中，常遇到以下幾種情況：

(1)評估一種替代燃?xì)饽芊裼糜诋?dāng)前使用的各種燃具?作為尋求對策的依據(jù)。問題的復(fù)雜性在于替代燃?xì)馀c當(dāng)前使用的燃?xì)獠粚儆谕粫r間段。燃具只能保證使用原用燃?xì)鈺r有最佳的性能。燃?xì)夤疽笥脩糍徺I燃具時并未向用戶或燃具制造廠提出任何需要適應(yīng)其他燃?xì)獾囊?，顯然責(zé)任不在用戶而在供氣方。如果用戶只有簡單的燃?xì)庠睿瑔栴}較易解決(可換燃具)。遇到這類問題時供氣方要做出評估，先確定這兩種燃?xì)饽芊窕Q；不能互換時要研究對策。燃?xì)馐褂脷v史悠久的國家都是盡可能采用調(diào)整供氣質(zhì)量的方法，回避與用戶發(fā)生糾紛。歷史上這類例子很多。

(2)評估調(diào)峰燃?xì)獾幕Q性。，調(diào)峰燃?xì)饧幢疚乃傅难a(bǔ)充燃?xì)?。如調(diào)定氣為天然氣，有地下氣庫設(shè)施，用儲氣方法調(diào)峰則毋須評估；如地下儲氣量不足以滿足冬季用氣高峰的需要，就必須另選補(bǔ)充燃?xì)?span lang="EN-US">(美國首都華盛頓雖有地下氣庫，但每年仍有7天需用丙烷-空氣混合氣作補(bǔ)充燃?xì)?span lang="EN-US">)。補(bǔ)充燃?xì)獾姆N類很多，根據(jù)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性，可用煤、油、LPG或LNG作原料。補(bǔ)充燃?xì)獾某杀竞芨撸ǔＥc原供燃?xì)獍匆欢ū壤龘交旌笫褂?，這就要根據(jù)互換性原理算出可摻混補(bǔ)充燃?xì)獾陌俜直?span lang="EN-US">(可見本利2007.8燃?xì)赓|(zhì)量中的互換性問題一文)。

如補(bǔ)充燃?xì)庥袃煞N，加上原基礎(chǔ)燃?xì)庥腥N，如三種燃?xì)饣旌系谋壤饕?span lang="EN-US">5％作為一種燃?xì)獾捏w積變化量組成方案，用36號公告法每次計(jì)算IL、IF和Iy三個指數(shù)，就需獨(dú)立計(jì)算231個方案，美國編有計(jì)算機(jī)程序(Catalog No.XH9301)可使用。在計(jì)算機(jī)未出現(xiàn)前，美國也有簡化的計(jì)算方法，分粗算與精算兩步。粗算時，假設(shè)互換性指數(shù)與燃?xì)饨M分的變化呈線性關(guān)系，先取兩個組成，得出結(jié)果后對其他組分用外推法求定，再根據(jù)邏輯推理，排除不必計(jì)算的部分后，對剩下的少數(shù)方案進(jìn)行精算，求出轉(zhuǎn)換燃?xì)庾詈线m的比例。韋弗在他的論文中，對此亦有介紹^[1]。

(3)當(dāng)今遇到的燃?xì)饣Q問題是液化天然氣與原管道天然氣的互換，要用增熱法或減熱法等，并滿足非本生火焰裝置的互換需要。作為一個重要的燃?xì)赓|(zhì)量問題，國際上至今仍在繼續(xù)研究。

8　評述

(1)本世紀(jì)以來，自美國發(fā)表《天然氣的互換性與非燃燒終端使用的白皮書》以來，燃?xì)饣Q性的研究進(jìn)入了一個新的階段。國際燃?xì)饴?lián)盟再次立項(xiàng)研究，作為重要的燃?xì)赓|(zhì)量問題仍在繼續(xù)研究中。

歷史上各種燃?xì)獾幕Q性研究來自各種燃?xì)饣旌现谐霈F(xiàn)的問題。隨著城市燃?xì)獾陌l(fā)展，也是從煤制氣發(fā)展到油制氣、液化石油氣和天然氣；燃具也是從民用到工業(yè)和交通運(yùn)輸，從本生火焰到預(yù)混空氣的發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，節(jié)能和排放要求也日益嚴(yán)格。如今天然氣已成為世界能源的一個重要組成部分，液化天然氣的國際貿(mào)易量日益增長，組成的多樣化又產(chǎn)生了LNG與原管道天然氣的互換問題，也涉及到許多技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，研究工作必須與時俱進(jìn)。

(2)我國城市燃?xì)馄鸩诫m早，但發(fā)展緩慢。國外在“二戰(zhàn)”后蓬勃發(fā)展時期的研究資料已甚難完整的看到，加上長期停留在解決燃?xì)獾挠袩o問題，饑不擇食，甚難考慮到燃?xì)獾馁|(zhì)量要求。從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，由于“陜氣進(jìn)京”和“西氣東輸”，城市燃?xì)獠砰_始有較快的發(fā)展，至今已有兩億多人用上了天然氣(“十二五”期末的目標(biāo)是2.5億人)，已成為天然氣的使用大國，但從技術(shù)和管理角度看，調(diào)峰與儲氣還不健全，應(yīng)用中的事故率也較高。行業(yè)至今沒有國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對許多問題難以開展深入的研究。

(3)各國已有對燃?xì)饣Q性的制定方法，都是為本國燃?xì)獾陌l(fā)展服務(wù)的。有的國家，如俄羅斯，天然氣的利用規(guī)模僅次于美國，但從未見有燃?xì)饣Q性的研究資料發(fā)表，原因是天然氣的組分長期來十分穩(wěn)定，調(diào)峰儲氣靠地下氣庫，因而出版的書籍中從未有燃?xì)饣Q性的內(nèi)容介紹，只有在他們介紹的國外資料中，才能看到極為一般性的內(nèi)容。亞洲國家如日本，由于對進(jìn)口天然氣有必須增熱的法律規(guī)定，長期保持了燃?xì)赓|(zhì)量的穩(wěn)定，也未見到本國對燃?xì)饣Q性研究資料的發(fā)表，僅在書籍中有國外資料的一般介紹，如我國有譯本的《煤氣應(yīng)用手冊》。歐洲國家發(fā)表的許多燃?xì)饣Q性預(yù)測方法也是為本國的燃?xì)獍l(fā)展服務(wù)的。在我國書籍中介紹最多的是美國的幾種方法和法國的德爾布法。對人工燃?xì)饣Q性的研究較多，天然氣的較少和較晚。法國局限在拉總氣田的天然氣，英國局限在北海氣田。英、法同為歐洲國家，但采用的狀態(tài)條件不同，自身也有不同的評價，在我國的出版書籍中也有介紹。

值得注意的是美國的AGA36號公告法和韋弗法。這兩個方法的最后計(jì)算公式在我國的書籍中均有一般的介紹，對公式形成的來龍去脈不清，讀到原文后，筆者認(rèn)為對公式中形成的各個互換性參數(shù)可以有清晰的概念，思路的演變脈絡(luò)十分清楚，到目前為止未看到有中文資料的介紹，因此認(rèn)為有必要做一個全面的論述。由于原文較長，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很多，只能取其精華，發(fā)表在本刊上供火家參考。筆者認(rèn)為研究了這些資料后，對其他方法的認(rèn)識和理解可大大提高一步，也不難做出評價。

(4)各個工業(yè)領(lǐng)域都有互換性的問題，如機(jī)械工程中，互換性表示互換的組件能完全與原來的安裝空間和操作要求相符；電氣工程中，則還要增加一項(xiàng)相同的電力性能。在燃?xì)夤I(yè)中，一方面毋須再作鑒定，用戶使用新燃?xì)庠谌季呱先紵龝r，不會增加使用麻煩和危險，另一方面要求新氣的燃燒性能完全雷同于原用氣，且應(yīng)用和配氣方式與原來完全沒有差別。

美國的燃?xì)庵髦姓劦交Q性的涵義時，捕述為“政府中讓戰(zhàn)爭離開將軍們太重要了；讓互換性課題完全離開化學(xué)工作者和用戶也太重要了。對系統(tǒng)的規(guī)劃人員，配氣人員和生產(chǎn)、運(yùn)行人員而言，互換性都是致命的課題。、”“燃?xì)?span lang="EN-US">T業(yè)巾充滿著一些外行人員、甚至外行業(yè)的工程師們用所謂‘委婉’的設(shè)計(jì)以隱藏一些原始的缺陷”。以上這些情況都值得我們深思^[2]。

燃?xì)獾幕Q性來源于混合燃?xì)獾难芯浚康氖菍で笠环N可付諸應(yīng)用的互換性預(yù)測方法。在當(dāng)前已有的方法巾，美國的AGA36號公告和韋弗法是屬于多指數(shù)法，通過多個互換指數(shù)的計(jì)算和允許范圍來制定置換氣對調(diào)定氣的互換性。為廠得出多指數(shù)的計(jì)算公式，必須以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)，上兩種方法的實(shí)驗(yàn)規(guī)模是很大的。同時，也要做大量的現(xiàn)場試驗(yàn)。現(xiàn)場的用戶試驗(yàn)和調(diào)查可更清楚的反映用戶的實(shí)際使用條件與實(shí)驗(yàn)室的差別。通過用戶燃具現(xiàn)場使用的失效分析，以及實(shí)驗(yàn)室研究中所得數(shù)據(jù)的分布情況可合理的制定所得計(jì)算公式的允許使用范圍。

本文限于篇幅，對每一互換性指數(shù)，只能介紹少量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。即使如此，也可看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性很大。究其原因，實(shí)與原始的調(diào)定情況有一定的關(guān)系。同一燃具，調(diào)定人員的調(diào)定尺度本身就具有一定的隨機(jī)性。稍有實(shí)驗(yàn)室工作經(jīng)驗(yàn)的人對此都有體會，更何況研究所針對的是要滿足全部各類燃具的要求，而不是某一種燃具。當(dāng)前天然氣民用炊事燃具在用戶的使用中，由于廚房條件的千差萬別，最易出現(xiàn)的是黃焰端問題，遺憾的是多年來并未引起重視，如表2所示，失效也與燃具的試驗(yàn)壓力有關(guān)。用戶處在管網(wǎng)不同的聯(lián)接位置，對試驗(yàn)結(jié)果也有影響。

 

(5)多年前，我國常有“燃?xì)獾幕Q性?找個燃具試一下就可解決!”的說法。固不論這種說法是否有輕視燃?xì)饣Q性研究之嫌。實(shí)際上，燃具試驗(yàn)是互換性研究中用戶現(xiàn)場試驗(yàn)的一個內(nèi)容。燃具的預(yù)測試驗(yàn)必須滿足兩個條件：其一，根據(jù)互換性的定義，必須使用按原氣已調(diào)定的燃具，即壓力參數(shù)與一次空氣入口的機(jī)械狀態(tài)與原用氣無變化；其二，要對現(xiàn)用不同種類的燃具全部取樣做試驗(yàn)，不能僅做炊事燃具。由于不同燃具對某一互換性指標(biāo)的敏感性不同，對民用燃具而言，英國的研究樣本分成5類^[3]：熱水器，標(biāo)準(zhǔn)采暖鍋爐、冷凝鍋爐、炊事燃具和燃?xì)獗跔t。除常規(guī)的離焰、回火，黃端焰外，每種燃具做CO2排放量，CO排放量，CO／CO2比的關(guān)系，NOX的排放量、煙氣溫度、凈效率、積碳、燃?xì)馑?span lang="EN-US">N2和CO2的影響以及與入力有關(guān)的壓力影響等，可見參考文獻(xiàn)3，論文長達(dá)76頁，可以參考。

長期以來，對待我國城市燃?xì)庵械哪承┘夹g(shù)問題，常采用粗放的態(tài)度，極少追根求底，提到城市燃?xì)庵幌氲矫裼么妒?。?shí)際上民用炊事用氣在燃?xì)庥脩糁兴嫉谋戎睾苄?。統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)達(dá)國家受到電力的沖擊，使用量在逐步減少。一些高層建筑，缺少完善的煙道設(shè)施，燃?xì)馐褂玫陌踩陨蹼y保證。另一方面，各種類別的新用戶又在不斷增加，如交通運(yùn)輸，工業(yè)、冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)等涉及到各種利用氣體燃料的發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨敊C(jī)等正在日新月異的發(fā)展，也使燃?xì)赓|(zhì)量中互換性問題的內(nèi)涵發(fā)生變化。以美國為例，液化石油氣和空氣的混合物常用來作為天然氣調(diào)峰的補(bǔ)充燃?xì)?，天然氣汽車發(fā)展后，就不能從管道中取出有這類補(bǔ)充燃?xì)獾奶烊粴鈮嚎s作為汽車燃料。自美國燃?xì)饣Q性的白皮書發(fā)布后，發(fā)動機(jī)等對天然氣互換性的研究成果^（4）也日益增多，值得注意和研究。

 

參考文獻(xiàn)

1Elmer R．weaver《Formulas and Graphs for Representing the Interchangeability of Fuel Gases》Journal of Research of the National Bureau of Standards Vol．46．No．3 March l951

2E．O．Rossbuch．S．I．Hyman，P．E．《Interchangeability:WHAT IT MEANS》Presented at A．G．A．Distribution ConDrencc．Denver，Colorado May 22，1978，Rivised July 1984

3Terry Williams，Graham MCKay＆Martin Brown《Assessemenl of the lmport of Gas Quality On the Performance of Domestic Appliances(A Pilot Study)》R 7409 July 2004 Advantica United Kingdom

4Chair Marlin Josten，Secretary Stephen Hull UK，Progrannne committel D l：《LNG Qllality a Interchangeability》2006-2009 Trienrcium Work Repoly October 2009 24^th World Gas Conlbxence Argentina．5-9 October 2009

 

本文作者：李猷嘉

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院