工业燃气燃烧器互换性实验测试方法研究

刘鹏君 秦朝葵 杨贤潮

（同济大学机械与能源工程学院）

由于国外燃油燃气锅炉大量涌入国内市场，国产燃油燃气锅炉也得到很大发展，这些客观因素促使燃油燃气锅炉应用越来越多，已逐步取代燃煤锅炉且呈逐年上升的趋势［1］。天然气作为一种清洁能源，在消除雾霾天气以及节能减排上发挥着日益重要的作用。以天然气为主要燃料的自动燃气燃烧器对锅炉的性能起着关键作用，且其自身具有的优点决定了其巨大的需求潜力和市场前景。

随着国家调整能源结构力度不断加大，天然气市场快速发展。与此同时，国内很多地区基本形成“西气东输、北气南下、海气登陆”的多气源供应格局。燃烧设备（如民用灶具、商业燃烧器燃气轮机、工业燃烧器等）的运行水平会受到气源组分变化（气源组成、热值、燃烧性质等）的一定影响。对于民用灶具、热水器、燃气轮机在气源组分变化下的燃气互换性研究都是基于一定的检测标准和检测方法。然而，目前对工业燃烧器的互换性试验，仍缺乏全面的研究资料。为此，本文参照欧标BS EN 676－2003“Automatic forced draught burners for gaseous fuels”［2］和 GB／T 19839－2005《工业燃油燃器燃烧器通用技术条件》［3］，提出一套针对工业用燃气燃烧器在不同组分气源下实验研究的原则与方法，并用实验测试结果校验该方法的可靠性。

1 燃气燃烧器的介绍

燃气燃烧器是一种将燃料和空气按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火与燃烧的热能装置。该装置一般应用于中小型燃气锅炉上，也广泛用于各种工业窑炉中。燃气燃烧器类型很多，而这里主要涉及强制鼓风燃气燃烧器（文中简称为燃气燃烧器）的研究。在实际运行过程中，不同装置、不同工艺对燃气燃烧器有不同的要求。从燃气燃烧器实现的功能可将其分为5大系统：送风系统、点火系统、监测系统、燃料系统、电控系统。当燃气经微电脑控制系统按程序控制进入燃烧器的燃烧头内，由一次风与可燃气体混合，点火燃烧，同时二次风助燃，实现充分燃烧。

1.1 燃气燃烧器工作原理

一般来说，燃气燃烧器工作过程分4个阶段：准备阶段、预吹扫阶段、点火阶段和正常燃烧阶段。图1为某一燃气燃烧器的工作原理流程图。当燃烧器电源开关接通电源，进行燃气压力检测及温度控制信号判断是否允许启动燃烧器。若条件满足，则启动风机电动机，风门开到最大，进入前吹扫，这段时间内要进行风压检测。在燃烧器工作的整个过程中，控制系统会判断燃气压力情况、温度控制信号，如不在工作范围内，则燃烧器停机；等到条件满足后，会自动重新启动燃烧器。

1.2 燃气燃烧器的技术要求

在燃气锅炉中，对燃烧器的技术要求主要有以下几个方面：

（1）在额定燃气压力下，燃烧器能达到额定压力。

（2）火焰的形状与尺寸应和炉膛结构尺寸相匹配，同时应有良好的火焰充满度。

（3）具有良好的调节特性，在锅炉最低负荷至最高负荷运行时，燃烧工况应稳定，即有较大的调节比。

（4）燃烧完全，烟气中有害气体CO2、CO、NOX和SOX排放少。

（5）结构紧凑、安装操作方便、调节灵活、噪音小。

因此，在研究其互换性的时候，可根据以上要求，将燃气燃烧器的互换性评判指标列为热负荷、污染物排放、燃烧稳定性、火焰形态等。

2 互换性内容的介绍

燃气由于其来源的不同导致其种类、性质差异较大，在其他条件不变的情况下，当燃气性质发生变化时，燃烧器的工况就会发生一定程度的变化。研究燃气互换性的主要目的，就是考察这些变化是否超出允许的范围，从而界定气质组分的允许变化范围，在实际应用中有针对性地采取一些互换性管理措施，以预防问题的出现。

传统意义上，互换性被定义为一种气体替代另一种气体在同一燃烧设备上燃烧，其燃烧性能不受影响。随着燃气的应用范围扩大，传统民用与商业用气在总量中所占的比重逐渐减少，工业用户、发电行业及其他非燃烧设备用气比重逐步增加。另外，大量进口的LNG、发展非常规天然气和生物质气与现用管道天然气的互补性必然会促使气质发生变化，这将带来许多新的互换性问题。早期的互换性理念已经不适用于当今的研究。

经过几年的讨论，燃气互换性的定义已开始采用美国NGC＋出版的白皮书的表达来作为一个共同的概念［4］，即在某燃烧设备中，用一种气体燃料替换另一种气体燃料，而不会显著改变其操作安全性、效率和性能，也不会显著增加污染物排放量。

根据最新定义，现在关注互换性已不仅限于民用式燃烧器，而是扩大到工业、发电等领域，并重视节能减排，重点关注效率与排放这两个指标。

3 参考标准与方法依据

燃气燃烧器由于其自身的特点，加之其燃烧产物会对环境造成污染，世界上许多国家对燃烧器安全性能和环保性能提出强制性要求，并针对被广泛应用的全自动燃烧器，制定了相关的法规和标准［5］。文献［2］对国内外燃油／气燃烧器法规、标准以及测试内容进行了介绍，指出了各国燃烧器法规、标准的组成和特点，而我国目前关于燃烧器测试方面的国家标准尚未制定，现行标准也是参照欧标EN 676。EN 676规定了全自动鼓风式燃气燃烧器的性能检测内容及方法，是本文研究的依据所在。本文参照EN 676，同时结合其他燃烧器测试标准（GB／T 19839－2005等），制定了在气源组分变化下燃气燃烧器的互换性检测流程和方法。

4 初始工况点的确定

众所周知，互换性的研究不仅与基准气和置换气的特性有关，在很大程度上还受到燃具初始调节状态即基准点初始工况点的影响。研究互换性是在调节好初始工况点、仅改变供气气源来进行的。燃气燃烧器的性能检测不是单独进行的，而是基于一定的检测装置，如配套燃气锅炉，因此，锅炉的背压对其互换性的研究也有一定的影响。故在调节燃气燃烧器的基准点时，应从燃气供气压力、燃烧器额定功率、测试炉膛背压以及风机风门开度这4个方面进行确定。

4.1 额定功率及背压

图2为燃烧器的工作曲线图，由燃烧器厂商提供。它代表了燃烧器允许的工作范围，图中横坐标为燃烧器热负荷、纵坐标为燃烧室压力（背压），A区域为燃烧器的正常工作区域，其中点2为大多数用户选择燃烧器的依据点，是配制风机的基础，也是燃烧器的最大有效工作点，正常工况下都是工作在点2状态下的。因此，本文确立将点2的数值作为燃烧器的额定功率和工作背压，燃烧器功率通过燃气流量阀调节好后固定阀门位置，背压通过烟道挡板调节好后固定挡板位置，以上操作一旦就绪，之后测试期间不再作调整［6］。

4.2 测试压力情况

对于工作曲线上点2的测试，要求燃烧器燃用额定压力的标准燃气，EN 676对此进行了规定，表1中，第二族类H组燃气为燃气燃烧器的设计用气，也是燃烧器正常工作用气，其额定压力应为2 kPa。如图3中1处的测量压力，在互换性测试过程中，要确保该点测量压力始终为额定压力2kPa。

表1 燃气燃烧器测试压力的规定 （p／kPa）Table 1 Test pressures requirements of gas burner

4.3 风机风门的开度

这里是针对无燃气－空气比例阀的鼓风式燃烧器而言，具备比例调节功能的无需进行此调整。在背压及燃气流量阀调节完毕并固定的情况下，调节风门，同时通过烟气分析仪实时对烟气进行分析，当过剩O2≤3.5%，并且CO、NOX排放表现良好时，固定风门位置，之后不再调整。

5 互换性测试方法的建立

5.1 测试火焰炉膛

由于实验条件所限，不可能通过一一购置相匹配的燃气锅炉来进行实验研究，而需要采取模拟的火焰炉膛进行。EN 676对燃烧器检测用的火焰炉有比较详细的规定［2］。而本文实验的开展也是在一台实验室已有的按照EN 676简易打造的测试炉膛上进行的。图3中的烟道挡板用来制造在燃烧室出口或烟道中不同的压力降，即燃烧室背压。通过调节压力挡板的开度，就可调节燃烧室内的压力，从而模拟锅炉实际运行中换热面阻力大小。但与EN 676相比，该炉膛容积是不可调节的，无法通过调节炉膛的长短来适应热负荷的变化。但基于测试都是在天然气组分变化下，最大程度还原燃烧器应用于实际装置中可能出现的问题，故现有炉膛对于互换性实验足够用来模拟燃烧器在锅炉等应用场合下的性能变化情况。

5.2 测试试验台架

本次互换性研究主要考察燃烧器热负荷、污染物排放、火焰形态、燃烧稳定性等指标在气源组分变化下的变化情况。参照EN 676，以及借鉴民用燃具的研究方法，将实验的测试台架按照合理且方便的形式布局，如图3所示。

为准确可靠地对以上各种参数进行测量，测试仪器的精度要求较高，温度测量以热电偶为主；背压的测量仪表采用U型压力计表；燃气流量由膜式流量表测得，燃气热值由色谱分析仪分析得出；CO、NOX等污染物排放利用英国Kane公司生产的KM9160烟气分析仪进行数据采集，通过Fireworks软件连续自动监测和记录。

5.3 测试方法、步骤

调节好样本燃气燃烧器的初始状态点后，采用EN 676规定的试验条件、试验状态和试验方法（部分根据实际条件有所调整）制定以下测试流程：

（1）使用实验室管道气点燃燃烧器进行测试前预热，在额定压力、指定背压下工作；当燃烧趋于稳定以及待烟气温度的变化不超过±5℃时，准备进行测试。

（2）将气源切换为测试用气，调压器可保证测试时压力稳定，将背压调至燃烧器指定值下。待工作稳定，由膜式流量表测定燃气流量，为减少实验误差，流量重复测定2次以上，读数误差小于2%，取2次流量的平均值。同时测试热负荷、CO、NOX、火焰稳定性等指标。

（3）换另一台燃烧器重复步骤（1）和（2）的测试工作。

6 测试方法的可靠性

将以上建立的测试方法应用于实际的互换性实验研究中，来验证其是否具有适用性。在此引用“折算热负荷”［7］概念。折算热负荷作为统一的基准用于铭牌标称值的质量控制，有其现实意义。它是将实际条件下的测试折算到出厂时的标准条件下，具有在不同测试条件下保持不变的特性，可作为评判测试数据可靠性的指标。

应用本文所述测试方法对3台市场上的燃气燃烧器在6种不同组分气源下进行互换性实验测试。各燃烧器在不同气源下的折算热负荷见图4，每个燃烧器的折算热负荷基本在±2%的范围内波动，可以视为保持不变。

根据文献［8］及实测热负荷的测量原理和方法，对燃气燃烧器热负荷测试结果进行了不确定度评定，分析了各输入量对评定结果的影响情况，见表2。在试验过程中，没有条件对各输入量进行独立的重复测量，因此各分量均按不确定度评定中的B类方法进行评定。

从表2可看出，影响实测热负荷测量结果不确定度的分量中，试验气低热值和燃气流量对测试结果的不确定度影响较大。综合考虑试验过程中各输入量对合成结果的影响，实测热负荷的合成标准不确定度为1.14kW，若忽略折算系数f和所用时间t对合成结果的影响，则各因素对合成结果影响不足3%。

实验中对测试数据的重复性进行了考量，这里仅举一例分析。对其中一台样本在一种气源下进行了3次测试，热负荷分别为43.04kW、42.95kW、43.05kW，最大偏差为－0.2%，这表明，实验的重复性良好。

表2 实测热负荷测量结果不确定度分析Table 2 Uncertainly analysis of actual heat input

7 结论

本文根据欧标EN 676，结合其他燃具测试标准及经验，建立了一套针对工业燃气燃烧器的互换性测试方法，并采用此法对3个样本燃烧器在6种气源下进行了互换性实验。结果表明，实验装置和方法适用于工业用燃气燃烧器在气源组分变化下的互换性研究。这在气源与天然气应用领域多元化的今天，对天然气行业及研究机构有着重要的作用。

［1］徐宏伟.燃气燃烧器发展现状研究［J］.现代制造技术与装备，2009（3）：30－31.

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

［3］全国船用机械标准化技术委员会.GB／T 19839－2005工业燃油燃气燃烧器通用技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2005.

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

［5］窦文宇，郭元亮，廖晓伟，等.国内外燃油／气燃烧器法规标准与测试内容介绍［J］.工业锅炉，2009（3）：24－28.

［6］杨贤潮.多气源天然气互换性研究与分析－工商业燃气具［D］.上海：同济大学，2012.

［7］国家质检总局.GB16410－2007家用燃气灶具［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［8］戴万能，秦朝葵，熊超.家用燃气灶热效率测量及不确定度评定［J］.热科学与技术，2010，9（1）：79－84.