LPG混空气作为天然气紧急备用气源的可行性

摘要：利用燃气互换性判别方法分析了液化石油气混空气作为天然气紧急备用气源的可行性，结合具体的燃具用实验加以验证，提出了紧急备用气源中液化石油气与空气合适的比例。 关键词：液化石油气混空气；紧急备用气源；互换性 Feasibility of Using LPG-air Mixture as Urgent Stand-by Gas Source of Natural Gas RA0 Neng，YING Yuan-nong (Ganghua Investment Co．，Ltd．，Shenzhen 518008，China) Abstract：The feasibility of using LPG-air mixture as urgent stand-by gas source of natural gas is analyzed with gas interchangeability criterion．The test verification is conducted by concrete gas appliance．The reasonable ratio of LPG to air for urgent stand-by gas source is put forward． Key words：LPG-air mixture；urgent stand-by gas source；interchangeability 港华投资有限公司下属的一些合资公司曾用液化石油气混空气作为天然气的过渡气源，当天然气到来后，计划利用液化石油气混空气(也简称混合气)作为紧急备用气源。为此，本文将探讨液化石油气混空气与天然气的互换性，以分析混合气作为紧急备用气源的可行性[1 1 基本数据 目前在用且有代表性的天然气的组成见表1，与互换性相关的特性参数计算结果见表2。 在讨论燃气互换性时，应考虑到燃具的适应性。互换性是对燃气特性的要求，适应性则是对燃烧器性能的要求。当两种或多种燃具有完全互换性时，对燃烧器的适应性要求就不严格。适应性很好的燃烧器可适应燃气组成更大范围的波动，对燃气互换性要求可降低。 表1 代表性天然气的组成 Tab．1 Composition of representative natural gas 天然气来源 分类 CH4 体积 C2H6 分数 C3H8 /％ n-C4H10 0.0 O.0 0.6 0.5 0.2 2.6 1.5 1.6 7.4 忠武线天然气 12T 97.0 西气东输天然气 12T 95.3 广东进口液化天然气 13T 88.8 ～5]。 i-C4H10 N2 CO2 其他 0.0 1.0 0.0 0.0 0.1 1.4 1.3 0.1 0.5 0.1 0.0 0.0 表2 代表性天然气的特性参数 Tab．2 Characteristic parameters of representative natural gas 天然气来源 低热值/(MJ·m-3) 高热值/(MJ·Nm-3) 相对密度 理论空气量/(m3·m-3) 高热值华白数/(MJ·m-3) 燃烧势 2 燃气互换性判别方法 由于影响燃气互换性的因素十分复杂，因此迄今为止尚未从理论上推导出一个能完全判别互换性的计算公式。目前国际上有很多种燃气互换性判别方法，但是各国对燃气互换条件的要求却不同，有些限制较严，有些限制较宽。各国所进行实验的对象和深度、广度也不同，有些针对热值低的燃气，有些针对热值高的燃气，有些只考虑回火因素，有些只考虑离焰因素，因而每个经验公式都有其局限性。 2．1 方法A：华白数和燃烧势判别法 华白数形是控制燃具热负荷稳定状况的指标，又称为热负荷指数。当两种燃气互换时，首先考虑燃具热负荷的要求，因此置换气与基准气的华白数偏差应控制在±(5％～10％)。 燃烧势Cp是反映燃烧稳定状态的参数，即反映燃烧火焰产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性参数。两种燃气若能互换，其燃烧势应在一定范围之内波动。日本通过实验，认为各类城市燃气的燃烧势只要在表3所列的波动范围之内就可以互换，并且置换气的燃烧势应尽量接近基准气的燃烧势[6]。 表3 日本互换性判别对燃烧势的要求 Tab．3 Requirement for combustion potential in Japan interchangeability criterion 燃气类别 天然气、液化石油气 燃烧势允许波动范围 (13.5+0.487595W)～(40.8+0.975190W) 忠武线天然气 36.27 40.18 0.570 9.61 53.16 40.09 西气东输天然气 36.04 40.06 0.613 9.58 51.16 38.59 广东进口液化天然气 40.16 44.50 0.634 10.64 55.90 41.87 人工煤气 (17.1+1.805607W)～(22.6+3.472413W) 注： 形为高热值华白数，应取允许波动范围下限的数值，单位为MJ/m3。 2．2 方法B：华白数和美国燃气协会AGA判别法 此方法中，华白数作用同方法A，两种互换燃气华白数的偏差应控制在±(5％～10％)。 在控制燃烧稳定状态方面，此方法采用美国燃气协会AGA判别法，通过计算离焰、回火和黄业个互换指数来判断互换是否能满足燃烧稳定削求[72．3 燃气互换性判别流程 方法A是日本用来判断燃气互换性的方法通常是辅以试验方法来判别互换性，其适用范匪宽。方法B由美国燃气协会提出，它主要以理魂算判别互换性，对互换性要求较严格。本文结雀法A和方法B探讨燃气互换性的判别，并结合嘉的实验进行验证。互换性判别流程见图1。 、8]。 Fig．1 Flow chart of interchangeability criterion 需要说明的是：在理论判定互换性的边缘．应通过实验来证明互换的效果。互换效果有程度之分，紧急情况下只要能满足安全要求，互换性稍差些的备用气源也是可以接受的。 3 液化石油气混空气混气比的计算 在计算中，液化石油气混空气作为置换气，羞气取西气东输12T天然气。 ①满足华白数偏差的要求 液化石油气混空气中液化石油气的体积分型天然气的高热值华白数反推计算而得[9]： 式中 W——液化石油气混空气高热值华白数，MJ/m3，可取对应互换天然气的高热值华白数 ΦLPG——混合气中液化石油气的体积分数 QLPG——液化石油气高热值，MJ/m3 dLPG——液化石油气相对密度 da——空气相对密度，da=1 液化石油气中丙烷、丁烷的物质的量之比取1:1，形与西气东输天然气华白数的偏差为-10％，即46.04MJ/m3，代人公式(1)，计算得出液化石油气体积分数为48％，空气体积分数为52％，混合气的华白数与12T天然气华白数偏差为-9.4％。 ②利用方法B进行计算 对于不同的混气比例，采用方法B进行计算，结果见表4。 随着空气量的减少，离焰与回火的倾向性降低，而黄焰的倾向性增高。按照AGA的标准，表4中的液化石油气混空气不能与西气东输天然气互换，即结果不符合方法B的要求。 ③利用方法A进行计算 当基准气为12T天然气时，按表3计算得出满足互换性要求的燃烧势波动范围为35.95～85.70。对于不同的混气比例，计算结果见表5。 表4 方法B混合气计算结果 Tab．4 Calculation result based on method B LPG与空气的体积比 标准值 45:55 46:54 47:53 48:52 49:5l 50:50 51:49 54:46 60:40 高热值华白数 /(MJ·m-3) 高热值华白数偏差±10.0 /％ 高热值/(MJ·m-3) 低热值/(MJ·m-3) 离焰指数 回火指数 黄焰指数 ≤1.060 ≤1.200 ≥0.80 51.27 47.20 1.151 1.323 0.60 52.41 48.25 1.134 1.314 O.59 53.35 49.30 1.119 1.304 0.57 54.69 50.35 1.104 1.295 0.56 55.83 51.40 1.089 1.286 O.55 56.97 52.45 1.076 1.278 0.54 58.11 53.50 1.062 1.270 0.53 61.53 56.64 1.026 1.247 0.50 68.36 62.94 0.963 1.207 0.45 -14.0 -13.0 -11.0 -9.4 -8.0 -6.0 -4.5 0.0 10.0 43.84 44.68 45.51 46.34 47.17 47.99 48.81 51.23 55.97 注：12T西气东输天然气的高热值华白数为51.16MJ/m3。 表5 方法A计算结果 Tab．5 Calculation result based on method A LPG与空气的体积比 42:58 高热值华白数41.29 /(MJ·m3) 高热值华白数偏差/％ -20.0 燃烧势 39.80 -14.0 40.60 -13.0 40.83 -11.0 41.04 -9.4 41.24 -8.0 41.42 -6.0 41.59 -4.5 41.74 0.0 42.13 10.0 42.63 43.84 44.68 45.51 46.34 47.17 47.99 48.81 51.23 55.97 45:55 46:54 47:53 48:52 49:51 50:50 51:49 54:46 60:40 注：12T西气东输天然气的燃烧势为38.59。 通过方法A的计算可知，所有比例点的燃烧势都在合理的波动范围之内，考虑到华白数偏差应小于±10％、燃烧势应尽量与基准气靠近及经济上的合理性，因此方法A判定最佳比例点为LPG与空气的体积比取48:52。 此结果只能满足方法A，并不能符合方法B的要求，因此再结合相关实验加以证明。 4 LPG混空气作为备用气源的实验测试 本实验选用理论分析的最佳混气比例进行测试，混合气中LPG与空气的体积比为48:52。 4．1 实验测试的燃具 此次实验测试的燃具适用于12T天然气，具体为： ①港华紫荆嵌入式双眼灶JZl2T.2-HAX ②港华紫荆嵌入式双眼灶JZl2T.2-QX ③港华紫荆台式双眼灶JZl2T.2-CX ④港华紫荆热水器JSQ20-C ⑤港华紫荆热水器JSQl6-C ⑥港华紫荆热水器JSQ22-A 4．2 实验测试要求及测试结果 实验测试要求如下： ①点火装置要求：启动10次有8次点燃，不得连续2次失效，无爆燃。 ②火焰稳定性要求：无离焰、熄火和回火现象。 ③热负荷要求：热负荷偏差小于-4-10％。 ④烟气中CO含量要求：家用灶具CO体积分数φ(CO)α=1<0.05％，烟道式及强排式热水器CO体积分数妒φ(CO)α=1≤0.06％。 ⑤热水器热水产率要求：不小于90％。 此次测试的结果见表6、7。 表6 家用灶具测试数据 Tab．6 Test data of domestic range 热负荷 样品类型 点火装置 火焰稳定性 额定/kW 左：3.9 ① 正常 正常 右：3.9 左：3.8 ② 正常 正常 右：3.8 左：3.2 ③ 正常 正常 右：3.9 3.89 -0.3 O.015 3.47 2.91 -8.7 -9.1 0.008 O.013 3.38 3.49 -13.3 -8.7 0.022 0.033 实测值/kW 3.43 偏差/％ -12.1 0.013 φ(CO)α=1/％ 表7 家用热水器测试数据 Tab．7 Test data of domestic water heater 热负荷 热水产率 样品类型 点火装置 火焰稳定性 额定值实测值/kW /kW 偏差/％ φ(CO)α=1/％ /％ ④ ⑤ ⑥ 正常 正常 正常 正常 正常 正常 19.5 15.8 22.0 18.91 15.43 22.30 -3.0 -2.3 1.4 0.015 0.012 0.033 91.0 98.8 88.2 4．3 实验测试分析 ①燃烧工况：在供气压力为2kPa时，所有测试燃具没有出现回火、熄火、脱火、离焰及黄焰现象。 ②热负荷偏差：在供气压力为2kPa的情况F，绝大多数测试燃具热负荷偏差未超过±10％的范围。 ③CO含量：在2kPa的供气压力下，所有燃具CO含量都达标。 ④热水产率：在温升为25℃的条件下，热水器的热水产率基本达到要求。 5 对其他问题的考虑 5．1 爆炸极限 《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006中3.2.2条规定，液化石油气与空气的混合气做主气源时，液化石油气的体积分数应高于其爆炸上限的2倍。 本文采用混合气作为备用气源，其爆炸极限为1.847％～8.972％。因此混合气中LPG的体积分数远远高于其爆炸上限的2倍，符合规范要求。 5．2 结露 《城镇燃气设计规范》GB 50028—2006中3.2.2条规定，液化石油气与空气的混合气做主气源时，混合气的露点应低于管道外壁温度5℃。 当天然气不足时，混合气作为紧急备用气源0.2MPa的城市中压管网供气，其露点为-3.94℃。因此，以混合气作为备用气源，当管网输送压为0.2MPa时，一般适用于环境温度高于1℃的区。 6 结论 ①液化石油气混空气在合理确定液化石油和空气的比例后，可以作为天然气的紧急备用气源。 ②液化石油气混空气作为12T西气东输天然气的紧急备用气源时，LPG与空气的最佳体积比48:52。 参考文献： [1]刘涛，刘万勇，李阿妮．液化石油气掺混技术在城市气的应用[J]．煤气与热力，2002，22(4)：329—330． [2]车立新．液化石油气混空气替代天然气的可行性研究[J]．煤气与热力，1997，17(2)：26—28． [3]李振军，付建华．液化石油气混空气与矿井气掺混的可行性[J]．煤气与热力，2003，23(6)：358—360． [4]孔庆芳．上海地区燃烧火焰稳定性与燃气互换性研究[J]．煤气与热力，1999，19(6)：39—43． [5]王萍，王生宏，于京春．液化石油气混空气与焦炉煤气的互换性研究[J]．煤气与热力，2001，21(1)：39一41. [6]《煤气设计手册》编写组．煤气设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1981．

[7]王晟，杨庆泉，杨涌泉．燃气互换性判定指数的计算[J]．煤气与热力，2000，20(2)：142—152． [8]姜正侯．燃气工程技术手册[M]．上海：同济大学版社，1993．

[9]严铭卿，廉乐明．天然气输配工程[M]．北京：中国筑工业出版社，2005．

(本文作者：饶能，应援农 港华投资有限公司，广东 深圳 518008