含氢天然气在家用天然气燃具上的燃烧性能测试

严荣松 高文学 张杨竣 张建海

随着风能和太阳能的增长为电解水制造可再生氢提供越来越多的剩余电力，以可再生氢作为提高天然气中可再生能源占比水平的一种新方式，已具备了一定的条件和技术能力。国外部分机构已先期进行了相关领域的研究，2002 2006年欧洲委员会共同资助的第六框架项目NaturalHy，致力于推动利用现有的天然气系统作为催化剂的氢气经济变革。NaturalHy声明，向天然气中注入氢气可以使温室气体总排放量显著降低，是一种有效“绿色”天然气的手段[1]。德国DVGW研究了天然气加氢在燃气输配系统各部件以及终端家用燃气具使用的问题。GasTerra、Stedin和KiWa燃气在荷兰进行“阿默兰岛可持续发展”项目试点，通过低热格罗宁根天然气（G25）注入氢气的示范应用，积累关于混合气对荷兰燃气管网以及传统燃气具影响等方面的经验[2]。

为适应《国家应对气候变化规划（2014 2020年）》专项规划中提出的确保实现2020年碳排放强度比2005年下降40%～45%的预期目标，以及“十三五”规划提出的“实施优化产业结构、构建低碳能源体系，落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念”，我国城市燃气及其相关行业也应积极向低碳化、多元化的燃气利用方向发展。为此，笔者针对我国现有家用的燃烧器具，理论分析了氢气加入天然气对燃烧稳定性与互换性的影响，并基于12T基准天然气测试验证了天然气混氢气对家用燃具能效的影响。

1 理论分析

1.1 氢气/天然气基本物性

影响燃烧的因素有许多，其中氢气与典型天然气（主要成分为甲烷）显著不同，其物理化学性质有很大的差别（表1）。

表1 氢气和甲烷物理化学性质对比表

由表1可知，氢气单位体积的热值（H）约为甲烷的32%，相对密度（d）远低于甲烷，理论空气量约为甲烷的25%。作为评价性能的重要参数华白数（W），其值为甲烷的90%。因此，加入了氢气的天然气若想作为城市气源直接在现有家用系统中应用，就不能无限量地直接掺混氢气，需要明确一定的比例[3-4]。

1.2 基于现有气源的氢气含量确定

任何燃具都是按一定的燃气成分设计的。当燃气成分发生变化而导致其热值、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧器的热负荷、一次空气系数、燃烧稳定性、火焰结构等燃烧工况就会改变。当氢气加入到天然气中导致燃气成分发生变化时，燃具燃烧器的燃烧工况就会改变，从而影响燃具的性能，甚至导致原有的燃具不能正常工作。

根据燃气互换性的要求，当气源供给用户的燃气性质发生改变时，置换气必须和基准气具有互换性，否则就不能保证用户安全、满意和经济地用气[5-7]。因此，将氢气加入天然气用作替代气源时，就必须考虑互换性问题或给出气质参数的波动范围。笔者将依据天然气的波动范围，给出氢气的最佳掺入比例。

天然气的供气质量在GB 17820 2012《天然气》、GB 50028 2006《城镇燃气设计规范》和GB/T 13611 2006《城镇燃气分类和基本特性》中都有具体的规定。GB 17820 2012《天然气》指出：“作为民用燃料的天然气，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标，一类天然气高位发热量不小于36.0 MJ/m3，二类天然气高位发热量不小于31.4 MJ/m3”。GB 50028 2006《城镇燃气设计规范》中对燃气质量要求为：①城镇燃气（应按基准气分类）的发热量和组分的波动应符合城镇燃气互换的要求；②城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准GB/T 13611《城镇燃气分类和基本特性》的规定，并应适当留有余地[8]。

我国城市燃气供应一般以12T天然气为主。在2016年修订GB/T 13611 2006时，除保留了12T天然气的高华白数范围为45.66～54.77 MJ/m3的规定外，还明确了其高热值的范围为31.97～43.57 MJ/m3，12T天然气的基准气的高华白数为50.72 MJ/m3、高热值为37.78 MJ/m3。

相对于基准气的上限高华白数波动值为：

相对于基准气的下限高华白数波动值为：

即12T天然气的高华白数允许波动范围介于－9.97%～＋7.98%。

相对于基准气的上限高热值波动值为：

相对于基准气的下限高热值波动值为：

即12T天然气的高热值允许波动范围介于－15.38%～ ＋15.33%。

在氢气与天然气掺混后，气体组分的基本特性会发生变化，其热值、密度、相对密度和华白数都会迅速降低至12T天然气标准要求的下限。不同气源天然气可掺混氢气的最大比例，取决于该燃气的初始特性。汇总部分城市现有气源的气质情况，在GB 13611 2006所述12T气质波动范围选择热值、华白数较大的气源1种，热值、华白数较低的1种，中间气源1种，进行掺混比例的核算。如图1所示，城市现有气源在12T燃气范围内可分为3类：①H类，主要气源为LNG，包括大鹏湾LNG、海南LNG和新疆LNG等；②L类，主要有普光气田气、渤海气、东海平湖气等；③M类，包括12T-0、陕甘宁气、塔里木气、广西北海气、忠武线气等。这其中以M类燃气气源居多。选择3类中具有代表性的12T-0、大鹏湾LNG和普光气田气为样本，绘制含有不同比例氢气的混合燃气的高华白数与高热值。

图1 城市现有天然气分布及掺混氢气后华白数和热值变化情况图

当氢气与大鹏湾LNG掺混时，在满足GB/T 13611 2006对12T界限要求的情况下，可掺混氢气的最大比例约为35%；当氢气与普光气田气掺混时，因其初始特性参数较低，可掺混氢气最大比例约为15%；当氢气与12T基准气掺混时，可掺混氢气的最大比例约为23%。

由于不精确的燃烧器调节、空气系数、制造过程的变化及其他因素的额外影响，很难在所有实际应用过程中实现高掺混比例的“适用性”。为有效解决燃气的互换性问题，并考虑气源的普适性，确定天然气中掺入氢气含量应不大于20%。

1.3 氢气加入对燃气特性参数影响

与燃气互换性相关的燃烧特性指数主要包括：高热值或低热值、高华白数或低华白数、燃烧势、相对密度等。在欧洲，除了比利时、法国等少数国家采用华白数、燃烧势外，英国等国家采用华白数、韦弗火焰速度指数、燃气当量组分（如当量丙烷和氮气等）等参数；其余国家一般采用热值、华白数等来表示燃气的互换性和质量控制指标。中国自1987年开始正式推出法国德尔布燃气互换性理论，并提出采用燃气华白数、燃烧势两个主要参考指标来分析和判断燃气的互换性[9]。

当氢气与天然气掺混时，不超过20%含量的氢气对天然气燃烧特性指标的改变情况如图2所示。

随着氢气的加入，天然气的密度、热值和华白数等参数以及其燃烧特性均有所变化[10-13]。在计量参比条件为15 ℃、101.325 kPa时，对掺混不同比例氢气后甲烷的相对密度、热值和华白数等特性进行计算，由图2可以得：①互混后，混合气相对密度随着氢气含量的增加呈下降趋势，当氢气含量达到20%时，相对密度变化为0.457 8，与甲烷相对密度同比下降17.5%；②混合气的热值随着氢气含量增加呈下降趋势，当氢气含量达到20%时，混合气的高热值变化为32.64 MJ/m3，与甲烷高热值同比下降13.6%，混合气的低热值变化为29.26 MJ/m3，与甲烷低热值同比下降13.9%；③混合气的华白数随着氢气含量增加呈下降趋势，当氢气含量达到20%时，混合气的高华白数变为48.25 MJ/m3，与甲烷高华白数同比下降4.9%，混合气的低华白数变为43.24 MJ/m3，与甲烷低华白数同比下降5.3%。

2 测试结果与分析

2.1 燃烧稳定性分析

图2 混合气特性参数随氢气含量的变化图

按照GB 16410 2007《家用燃气灶具》、CJ/T 386 2012《集成灶》、GB 6932 2015《家用燃气快速热水器》和GB 25034 2010 《燃气采暖热水炉》[14-16]，测试燃具在使用12T基准天然气时其安全适应性：点火率、火焰稳定性等性能，测试结果表明所选样满足标准要求；在燃气具不做任何调整情况下，进行不同氢气含量的混合气试验，其点火率、火焰稳定性性能全部合格，未见明显的回火与火焰不稳定现象，说明所选含氢量范围可以在实际中应用，且不会对燃具安全性构成影响。

2.2 负荷相对偏差分析

在使用含氢量不大于20%的12T基准天然气掺混气时，灶具、热水器、采暖热水炉等家用燃具（大气式燃具和全预混燃具）上获得的实验结果见图3。

图3 家用燃具热负荷偏差图

测试结果表明，随着氢气含量的增加、气源华白数的降低，所测燃具的热负荷降低。家用燃气灶具的测试热负荷相对偏差最大为－7.5%，热水器测试热负荷相对偏差最大为－8.8%，采暖热水炉测试热负荷相对偏差最大为－6.0%。由图3可知，当氢气含量在20%时，燃具负荷比理论计算值将降低4.9%。计算热负荷与实测热负荷偏差1.9%～3.9%。

2.3 热效率分析

按照GB 16410 2007《家用燃气灶具》、CJ/T 386 2012《集成灶》的相关技术要求，对红外灶、嵌入式灶、台式灶和集成灶等4类燃具进行热效率测试。测试结果显示：在整个测试气氛下，均满足GB 16410 2007中台式灶热效率大于等于55%、嵌入式灶热效率大于等于50%的要求；集成灶的热效率满足CJ/T 386 2012中热效率不小于50%的要求；且4类燃具在不同含氢量的气氛下燃烧时满足 GB 30720 2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》中有关台式灶、嵌入式灶和红外灶对各自能效2级要求（图4）。总体来看，几种燃气灶具对气质的适应性较好，随氢气含量的增大，华白数降低，但几类灶具样本对热效率的响应相对保持稳定，变化不大。

图4 不同氢气含量天然气灶具热效率测试值图

按照GB 6932 2015《家用燃气快速热水器》的相关技术要求，用标准方法对所选自然排气式和强制排气式两类快速热水器样本进行热效率测试。测试结果显示：在整个测试气氛下，快速热水器热效率均满足GB 6932 2015中额定热负荷的热效率不小于84%的要求；且热水器在不同含氢量的气氛下燃烧时满足 GB 20665 2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》中有关热水器能效2级要求（图5）。在保持热效率方面，不同类型的几种热水器对掺混气质的适应性较好。热效率随氢气含量的增大，相对保持稳定，与灶具的性能变化规律一致。

图5 不同氢气含量天然气快速热水器热效率测试值图

按照GB 25034 2010《燃气采暖热水炉》的相关技术要求，用标准方法对所选全预混燃气采暖热水炉样本进行测试。测试结果显示，在保持热效率方面，不同类型的采暖热水炉对掺混气质的适应性较好。热效率随氢气含量的增大，相对保持稳定（图6）。

图6 不同氢气含量天然气采暖热水炉热效率测试值图

3 结论

基于家用燃具的燃烧互换性理论和技术标准，研究测试了家用燃具对掺混氢气天然气的安全适应性与热工性能适应性（热负荷、热效率等），得到以下结论：

1）大鹏湾LNG的华白数值较高，属于高热城市天然气族，在满足GB/T 13611 2006对12T天然气热值与华白数界限要求的情况下，可掺混氢气的最大比例为30%；普光气田气的华白数较低，可掺混氢气最大比例为15%；在12T基准气中可掺混氢气的最大比例约为23%，考虑到不精确的燃烧器调节、燃烧空气的温度、制造过程的变化及其他因素的额外影响，为有效解决燃气的互换性问题，并考虑气源的普适性，确定天然气中掺入氢气含量应不大于20%。

2）实验测试含氢量在20%以内的天然气时，由于掺氢天然气的热值、华白数均低于12T基准天然气的相应值，在12T燃具上使用时会出现热工性能偏差问题，但不改变燃具在能效方面的表现。因此在天然气中加入氢气，可以在常规的天然气类家用燃气具上直接应用，不存在明显改变燃气具安全、节能和技术性能等既有状况的现象。

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（修改回稿日期 2018-01-12 编 辑 陈 嵩）

亚马尔LNG项目正式进入投资回收阶段

中石油参股的亚马尔LNG项目首船份额气已在西班牙顺利完成卸货。这艘船装载着7.3h104t LNG，标志着中石油在北极圈内的第一个LNG项目正式进入投资回收阶段。

亚马尔LNG项目地处极寒地带，全部建成后可年产1 650h104t LNG。项目投产初期生产稳定，有一部分LNG现货，中石油按持股比例可获取其中的20%。根据统一部署，中国石油国际事业有限公司（以下简称国际事业公司）与中油国际俄罗斯公司、赛宁公司提前近一年组成工作组，进行销售前的各项准备工作。项目投产初期由于配套冰级船运力有限，加之生产处于调试阶段导致货物到港时间不确定，给销售工作带来极大的挑战。中油国际俄罗斯公司和赛宁公司与外方股东积极协调，国际事业公司配合赛宁公司深入推进与项目方的商务谈判，并充分发挥全球贸易运作的专长，通过再装船运作突破了项目冰级船运力不足的瓶颈，将首船份额气销往南欧高价市场，获得较好收益。