摘 要：美國燃?xì)鈪f(xié)會(A.G.A)的燃?xì)饣Q性公式即美IN燃?xì)鈪f(xié)會36號研究公報(bào)發(fā)表的公式，在我國的許多參考書中早已有所介紹，但至今未看到這些公式的理論基礎(chǔ)、假設(shè)和形成的詳細(xì)資料。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判定兩種燃?xì)饽芊窕Q時，公告原文本分成兩類，即最佳值(Preferable)和不良值(oloiectionable)，無中間擋。我國有的文獻(xiàn)（9）中分成合適、勉強(qiáng)和不合適3擋，但未說明“勉強(qiáng)”擋的出處和準(zhǔn)確的內(nèi)涵。范圍的判定標(biāo)準(zhǔn)對這一方法的應(yīng)用關(guān)系極大。從原文看，“中間擋”已突破了最初的理論假設(shè)條件，是在做燃具應(yīng)用試驗(yàn)中出現(xiàn)的一些可允許情況，與原始的調(diào)定方法有關(guān)，是專對補(bǔ)充燃?xì)舛?，且并無“勉強(qiáng)”之意。本文引用了原文中的論述，可作進(jìn)一步的研究。
在已知所有的燃?xì)饣Q性方法中，只有美國燃?xì)鈪f(xié)會的36號公告和韋弗法采用了數(shù)學(xué)公式分析的方法，曾做了大量的試驗(yàn)，內(nèi)容十分豐富，可看到的資料也比較完整。本文盡可能的對36號公告法的試驗(yàn)結(jié)果作介紹，以加深對其研究思路的理解。對認(rèn)識當(dāng)前新形勢下燃?xì)饣Q性的問題也會衣歐幫助。
1概述
1.1前提
在已知的燃?xì)饣Q性方法中，均以民用大氣式燃燒器為主。各國的研究都是以本國可能遇到的燃?xì)饨M分變化狀況為基礎(chǔ)。從單一指數(shù)、發(fā)展到多指數(shù)法、圖解法和其他方法等。采用的手段都是通過實(shí)驗(yàn)。由于燃?xì)馊紵^程的復(fù)雜性，至今對一些燃燒機(jī)理或原理的分析還是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)。由于試驗(yàn)所采用的狀態(tài)條件也不完全相同，所得數(shù)據(jù)也有差異。至今雖有國際標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)，但在燃?xì)饨缰两袢晕唇y(tǒng)一。最簡單的如燃?xì)獾臒嶂稻褪且焕?。同一燃?xì)庠诟鲊捎貌煌臓顟B(tài)標(biāo)準(zhǔn)，比較時需要換算，我國也不例外。
預(yù)測燃?xì)饣Q性的方法雖多，必須首先弄清每一方法產(chǎn)生的國情狀況，形成的過程，方法的特點(diǎn)、使用的條件和應(yīng)用范圍等；其次，應(yīng)結(jié)合本國情況，繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)研究，才能從根本上解決問題。
美國在天然氣的發(fā)展中形成了3類基礎(chǔ)負(fù)荷天然氣?；A(chǔ)負(fù)荷氣定義為滿足民用、商業(yè)和工業(yè)使用，其日負(fù)荷變化不大的那部分燃?xì)??；A(chǔ)負(fù)荷氣不包括隨室外溫度變化而負(fù)荷變化很大的那部分燃?xì)?。調(diào)峰用的燃?xì)鈩t稱為補(bǔ)充燃?xì)狻Ｏ旅?類天然氣常作為全國各類燃?xì)獾恼{(diào)定氣(或調(diào)節(jié)氣)，即：
(1)高熱值天然氣(熱值為41.54MJ/m3或1115Btu/cf，相對密度為0.64，燃燒的理論空氣量為10.575m3/m3，組分為CH4—83％；C2H6—16.0％；C02一0.5％：N2一0.5％。沃泊指數(shù)為51.93MJ/m3。)。
(2)高甲烷天然氣(熱值為35.73MJ/m3或959Btu/cf，相對密度為0.558，燃燒的理論空氣量為9.0m3/m3。組分為：CH4—94.5％，惰性氣體一5.5％，沃泊指數(shù)為47.83MJ/m3)。
(3)高惰性氣體(含量)天然氣(熱值為37.26MJ/m3，或l000Bm/cf，相對密度為0.693，燃燒的理論空氣量為9.37m3/m3。組分為：CH4一71.4％，C2H6—14.0％，C3H8—1.0％，C02—0.5％，N2—13.1％，沃泊指數(shù)為44.76MJ/m3)。(狀態(tài)參數(shù)為溫度60F，約為15.5℃；壓力30英寸汞柱，約為1.013×10SPa；沃泊指數(shù)值為筆者所加)。
1.2補(bǔ)充燃?xì)?/span>
互換性研究的目的是在高峰負(fù)荷時作為補(bǔ)充燃?xì)馐褂?置換)的可互換性。在當(dāng)時條件下，研究所及的補(bǔ)充燃?xì)庥校?/span>
(1)兩種熱值的增碳水煤氣，以及它與不同比例基礎(chǔ)負(fù)荷氣摻混的混合燃?xì)狻?/span>
(2)兩種熱值的焦?fàn)t氣，以及它與不同比例基礎(chǔ)負(fù)荷氣摻混的混合燃?xì)狻?/span>
(3)不同比例的丁烷氣和不同比例的發(fā)生爐氣摻混的混合燃?xì)狻?/span>
(4)不同比例的丁烷氣與不同比例的丁烷改制氣的混合氣，以及它與基本負(fù)荷氣的混合氣。
(5)不同比例的丁烷氣與不同比例水煤氣的混合氣，以及它與基本負(fù)荷氣的混合氣。
(6)上述3種不同的比例基本負(fù)荷氣互混的混合氣。
從上述可能混配的置換氣方案看，理論上有無限多個，但實(shí)際上受能否互換的條件所限，數(shù)量可大大減少，但試驗(yàn)規(guī)模仍然很大。
1.3研究方法
采用一種或幾種精密燃燒器，可在一定的工況條件下(壓力、人力(負(fù)荷)、一次空氣量和效率等)用儀器迅速測出極端條件(Extremeeondition)下的數(shù)據(jù)。所謂極端條件是指發(fā)生離焰、黃焰端(Yellowtips)和回火等時的一次空氣量和選定的熱人力值。離焰、黃焰端和回火是穩(wěn)定火焰的3個基本條件，但判定應(yīng)遵循嚴(yán)格的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[2]，[3]，[6]，例如將火焰從黃焰端到離焰分成ll個等：+5級為離焰(極端)，有≥25％的火孔離焰。一5級為黃焰端，火焰的外焰端明顯有淺黃色，火焰撞擊時有積碳形成等，文獻(xiàn)6還有圖示。甚至還有判別黃焰端和空氣中塵埃引起黃焰端的方法或眼鏡等，并伴有照相記錄。
由于影響火焰穩(wěn)定性的因素很多，除一次空氣量、燃?xì)獾娜紵俣?、火孔?fù)荷(Portloading)外，還有火孔大小和火孔深度等一些影響燃燒速度的因素等。在美國介紹大氣式燃燒器的設(shè)計(jì)方法時深入的做了研究，有許多應(yīng)遵循的圖表數(shù)據(jù)[2],[4]。這些數(shù)據(jù)都影響著美國互換性研究的方法。美國的互換性圖以一次空氣系數(shù)為縱坐標(biāo)，以火孔負(fù)荷(Portloading)為橫坐標(biāo)，火孔負(fù)荷定義為[6]：
公式：
公式：
也即火孔負(fù)荷為單位火孔面積的熱輸出量，或稱作火孔熱強(qiáng)度，單位為MJ/h·mm2(Btu/h·in2)。根據(jù)在精密燃燒器(Precisionburner)上對各種燃?xì)庠囼?yàn)所得的數(shù)據(jù)，按上述坐標(biāo)體系可給出表達(dá)3種現(xiàn)象的曲線，即離焰、黃焰端和回火的極限特性曲線(CharacteristicLimitCurves)。這3條曲線就成為在一定工況下用來判斷兩種燃?xì)饽芊窕Q的邊界條件。研究工作的水平可用這些數(shù)據(jù)在試驗(yàn)中的復(fù)現(xiàn)性表示。美國燃?xì)鈪f(xié)會實(shí)驗(yàn)室根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)整理成計(jì)算公式，作為一個燃?xì)饣Q性預(yù)測的必要條件，而非充分條件。充分條件則用置換氣與調(diào)定氣互換指數(shù)允許的偏差量來表示。這是由于用戶實(shí)際使用的燃具不同于精密燃燒器，又由于用戶燃具使用的所謂現(xiàn)場條件不同于實(shí)驗(yàn)室，而且千差萬別，而真實(shí)用戶的真實(shí)使用條件才是預(yù)測燃?xì)饽芊窕Q的根本依據(jù)。如圖1[4]和圖2所示[2]。
圖1中的中間范圍即燃具的設(shè)計(jì)范圍(DesighArea)，也即滿意的運(yùn)行范圍(SatisfactoryoperatingArea)。圖2中的⑤表示標(biāo)準(zhǔn)調(diào)定線。極限值相當(dāng)于金屬材料試驗(yàn)中的屈服極限，滿意的運(yùn)行范圍或標(biāo)準(zhǔn)
調(diào)定線相當(dāng)于材料的許用應(yīng)力，這一范圍即燃具的互換范圍。有的國家表示不完全燃燒的黃焰端的互換范圍常取極限值的1/2。美國規(guī)定一個新型燃具出廠時必須附有類似圖1中的滿意運(yùn)行范圍區(qū)。文獻(xiàn)4并指出這也是評價燃具適應(yīng)性(Flexibility)的依據(jù)，其中人力和效率是最基本的質(zhì)量要求，因?yàn)槊糠N置換氣一經(jīng)確定后都有很長的使用時間。
2互換性預(yù)測岡素的選擇原理
為研究和開發(fā)燃?xì)饣Q性的求解公式，首先注意到的是燃?xì)獾幕瘜W(xué)組分對燃?xì)馊紵匦缘挠绊?，特別是對著火速度或火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。各單一燃?xì)獾闹鹚俣扰c一次空氣百分?jǐn)?shù)的關(guān)系，在各種書籍中均有介紹。速燃?xì)怏w的組分，如H2，大大的加速了火焰的傳播，易于發(fā)生回火的趨勢和熄火時的噪聲；緩燃?xì)怏w的組分，如CH4，雖也有少量的回火趨勢，但更易發(fā)生離焰現(xiàn)象。
圖3所示為不同燃?xì)獾闹鹚俣扰c一次空氣百分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線，如與單一氣體的曲線相比可看出其火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖畲笾迪喈?dāng)接近，但并不發(fā)生在相同的一次空氣百分?jǐn)?shù)值時。假設(shè)一個使用天然氣的燃燒器按一次空氣系數(shù)為65％調(diào)定(由圖3可知，曲線所示的著火速度約為9cm/s)，然后改燒熱值為l400Btu/cf(52.16MJ/m3)的丁烷一空氣混合氣，則一次空氣百分?jǐn)?shù)很快上升到80％，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到29cm/s[5]，后果是發(fā)生了回火。
由于上述現(xiàn)象，在美國燃?xì)鈪f(xié)會導(dǎo)出的燃?xì)饣Q性公式都是以著火速度作為基礎(chǔ)，在研究中也積累了大量的不同燃?xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)據(jù)。但不久就發(fā)現(xiàn)，如再按上述思路，已不能對開發(fā)新的公式提供可靠的基礎(chǔ)[5]。從美國大量的燃燒器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，還有許多影響因素必須考慮到。如對5種不同火孔孔徑的燃燒器用同一燃?xì)膺M(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中保持一次空氣百分?jǐn)?shù)和燃?xì)獾牧髁繛槌Ｖ?，就得到?種不同的火焰速度。如火孔的孔徑和一次空氣百分?jǐn)?shù)保持不變，又發(fā)現(xiàn)燃?xì)獾牧髁恳灿凶兓?sup>[5]。這些在燃燒器設(shè)計(jì)中常遇到的問題使人們也意識到，要清晰的描述不同燃?xì)馊紵俣鹊膶?shí)際意義，必然會聯(lián)系到燃具的運(yùn)行特性所受離焰極限曲線特性的影響。因此，研究中直接應(yīng)用這一類與火焰穩(wěn)定性有關(guān)的特|生曲線，與應(yīng)用著火速度曲線相比，其優(yōu)點(diǎn)是更易于測量和獲得，且試驗(yàn)中的復(fù)現(xiàn)性更好。也說明用火焰特性的極限曲線作為互換性研究的基礎(chǔ)，比單純用著火速度更具有實(shí)踐意義。
在采用含有液化石油氣和不飽和烴的高熱值燃?xì)庾鳛樘烊粴獾闹脫Q氣時，還須要引進(jìn)一個極限值，即代表黃焰端出現(xiàn)的一個指標(biāo)。黃焰端的極限曲線是比較燃?xì)馊紵匦缘挠忠粋€基礎(chǔ)因素。于是，必須從離焰和黃焰端的極限特性研究中獲得所需的大量數(shù)據(jù)：如一個燃燒器在已知的火孔負(fù)荷下運(yùn)行，可將其一次空氣的調(diào)節(jié)器(俗稱風(fēng)門)逐漸開啟至發(fā)生離焰狀態(tài)的一個點(diǎn)位；當(dāng)逐漸關(guān)閉調(diào)節(jié)器，又可找出產(chǎn)生黃焰端的另一個點(diǎn)位。這是在同一火孔負(fù)荷下產(chǎn)生的兩種現(xiàn)象。在火孔負(fù)荷相同時用空氣調(diào)節(jié)器改變一次空氣的引入量，也可保證在每一條件下，燃燒器頭部的溫度為常值（5）。
同樣，如用同一種燃?xì)庠谝粋€已定的燃燒器上對不同火孔負(fù)荷和已知燃燒器頭部溫度條件下進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，就可得到該燃?xì)馔暾碾x焰和黃焰端的極限特性曲線。同時也指明了發(fā)生離焰和黃焰端時相應(yīng)一次空氣百分?jǐn)?shù)的最大值和最小值。
這樣所得的特性曲線只對應(yīng)選定的試驗(yàn)燃燒器。如同一試驗(yàn)燃燒器繼續(xù)采用不同燃燒特性的燃?xì)庾髟囼?yàn)，就明顯的可看出其中的差別，并可做出比較[5]。用美國燃?xì)鈪f(xié)會(A.G.A)的精密燃燒器所得前述高熱值天然氣和高惰性天然氣試驗(yàn)得到的典型曲線可見.圖4.
A.G.A.精密燃燒器上試驗(yàn)所得的曲線也適用于其它燃燒器和燃具，只要在替代時遵循采用與已知條件相同的比例(相同的一次空氣引入量、火孔負(fù)荷、溫度等參數(shù))，這樣處理后，所得特性曲線的意義也就更大。其實(shí)質(zhì)是，以前對一個已知燃燒器用統(tǒng)一燃?xì)膺\(yùn)行所得的特性曲線，將來對燃燒器的調(diào)定要參照這些極限曲線時，應(yīng)預(yù)先作出所使用的燃燒器與獲得曲線的燃燒器相同的假設(shè)。這是從互換性角度出發(fā)研究這些特性曲線的重要前提。眾所周知，在已知溫度下，任何燃燒器的運(yùn)行性能都是根據(jù)火孔負(fù)荷、燃燒器頭部的一次空氣百分?jǐn)?shù)和燃?xì)獾幕瘜W(xué)組分來控制的。燃?xì)獾臒嶂岛拖鄬γ芏鹊淖兓脕肀硎救紵鬟\(yùn)行點(diǎn)的變化，而化學(xué)組分的變化則表示極限曲線本身所發(fā)生的變化。燃燒器的涮定應(yīng)使其運(yùn)行點(diǎn)處于離焰、回火和黃焰端極限特性曲線內(nèi)的滿意運(yùn)行范圍之內(nèi)。作為互換性的要求，代表燃燒器的調(diào)定點(diǎn)，在由一種燃?xì)庵脫Q另一種燃?xì)夂?，必須保持在置換氣的極限特性曲線范圍之內(nèi)?？梢钥闯?，即使在燃?xì)獾慕M分只有極少的變化時也會發(fā)生不滿意的結(jié)果。在此以高熱值天然氣和高惰性天然氣的比較為例。在同一燃燒器上得到這兩種燃?xì)獾碾x焰和黃焰端的極限特性曲線如圖4所示。實(shí)線A代表高熱值的天然氣(調(diào)定氣)，虛線S代表高惰性天然氣(置換氣)。
如前所述，本文是介紹美國燃?xì)饣Q性的求解公式，在此，先說明燃?xì)饣Q前后，火孔負(fù)荷和一次空氣系數(shù)發(fā)生變化的計(jì)算公式，以加深對這些公式應(yīng)用的理解。公式導(dǎo)出的過程則隨后有所論證。
這說明用高熱值天然氣調(diào)定后的燃燒器在改用高惰性天然氣置換后，其運(yùn)行工作點(diǎn)x。已高于高惰性天然氣的離焰極限曲線值(見圖4中X1的位置)，會發(fā)生離焰。顯然，如調(diào)定點(diǎn)x置于調(diào)定氣的極限曲線上(一次空氣系數(shù)接近60％一見圖4)，則置換后的工作點(diǎn)X1將遠(yuǎn)高于置換氣的離焰曲線(圖上未表示)，這一運(yùn)行工況是完全不能接受的。在這一特殊的假設(shè)條件下，如燃燒器的調(diào)定是在同樣的火孔負(fù)荷下，但一次空氣系數(shù)略低于50％(約為42％，其工作點(diǎn)在圖4上用X1表示，則在用高惰性天然氣置換后，一次空氣百分?jǐn)?shù)增加到PAx3=PAX2×1.1744=0.42×1.1744=0.4932即49.30％
即圖4中置換后的工作點(diǎn)X3，就不會遇到離焰情況。從燃燒器的設(shè)計(jì)要求來看，對一次空氣系數(shù)就有規(guī)定的要求。以上只是從離焰曲線論離焰，不能認(rèn)為調(diào)整一次空氣系數(shù)就可解決燃?xì)獾幕Q問題。
用高熱值燃?xì)馀c天然氣互換時產(chǎn)生的特殊問題是易于產(chǎn)生黃焰端的趨勢。如圖5所示，以高熱值天然氣A作調(diào)定氣，以30％的丁烷氣和70％的丁烷改制氣的混合物作置換氣S的互換性為例。置換氣的熱值為44.64MJ/m3或1198Btu/cf，相對密度為0.84，燃燒的空氣需要量為10.616，化學(xué)組成為H2一46.23％，C0—20.48％，CH4-一2.17％，C3H8—6.6％，C4H10一23.4％，C02—0.42，N2—0.7％，沃泊指數(shù)為48.70MJ/m3。
在以A氣調(diào)定時取火孔負(fù)荷為32.7kJ/h·mm2或20000Btu/h·in2，一次空氣系數(shù)為35％，在圖5中以點(diǎn)x表示。此點(diǎn)與A氣的離焰和黃焰端極限曲線相比較，處于調(diào)定氣的滿意運(yùn)行范圍內(nèi)。用丁烷一改制丁烷氣的混合物作置換氣時，火孔負(fù)荷將降低，一次空氣量將增加，其運(yùn)行點(diǎn)在圖5上用X1表示。
顯然，X1點(diǎn)落在丁烷一改制丁烷混合氣的黃焰端極限曲線的下部，即必然有黃焰端的產(chǎn)生。但是，如果燃燒器用A氣調(diào)定時，火孔負(fù)荷仍相同，但一次空氣百分?jǐn)?shù)為50％，即圖中的工作點(diǎn)X2，置換后的工作點(diǎn)為X3，該點(diǎn)的火孔負(fù)荷同樣減少為30.7kJ/h·mm2.一次空氣系數(shù)增加至57％，表明無黃焰端產(chǎn)生。
PA3=PA2×1.14=0.5×1.14=0.57即57％
值得注意的是，按上所述，家庭用戶使用的燃具燃燒器就可能有無限多個調(diào)節(jié)方案，其中的一部分非常接近于離焰或黃焰端極限，多數(shù)燃燒器將有一定的適應(yīng)性，允許所供燃?xì)獾慕M分有一些變化。其范圍應(yīng)采用可控燃燒器在現(xiàn)場使用置換氣的調(diào)節(jié)范罔，使之能代表實(shí)際的運(yùn)行條件。這一范圍即圖1中所示的滿意運(yùn)行范圍，也即設(shè)計(jì)范圍，如設(shè)計(jì)時必須達(dá)到的火孔負(fù)荷和效率要求等銘牌所規(guī)定的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)4還指出，這也是燃具對所供燃?xì)饪赡茏兓倪m應(yīng)性范隔。
試驗(yàn)表明，如改用置換氣后，在滿足上述要求條件下，已不再有燃燒器出現(xiàn)離焰、回火和黃焰端，就可認(rèn)為這一置換氣已達(dá)到了滿意運(yùn)行條件的期望要求，但仍有一個情況例外[5]，即當(dāng)調(diào)定氣的一次空氣引入量，即空氣/燃?xì)獗鹊囊驍?shù)根號d/h高于0.8時，需要減小風(fēng)門的開度才能獲得滿意的運(yùn)行條件，而改用置換氣時，又因一次空氣因數(shù)的減小可能發(fā)生不滿意的燃燒。實(shí)際上，不論調(diào)定氣的一次空氣因數(shù)小于或等于0.8，置換氣的一次因數(shù)等于或大于調(diào)定氣(參看后續(xù)的表8)，燃燒器在使用置換氣時均應(yīng)無黃焰端、離焰和回火來表達(dá)互換的程度。在后續(xù)的論述中將有深入的說明。
因此，用一種燃?xì)庵脫Q另一種燃?xì)鈺r，用來預(yù)測燃具性能的公式應(yīng)包括下列因素：
(1)能說明由于燃?xì)鉄嶂岛拖鄬γ芏鹊淖兓鹨淮慰諝饬恳沧兓囊蛩亍?/span>
(2)能說明由于燃?xì)鉄嶂岛拖鄬γ芏鹊淖兓鹑紵骰鹂棕?fù)荷也變化的因素。
(3)能說明由于燃?xì)饨M分的變化引起燃燒器燃燒特性極限曲線的位置也發(fā)生變化的因素。
基于上述考慮，所導(dǎo)出的公式應(yīng)能預(yù)測民用燃燒器在根據(jù)一種天然氣調(diào)定后，置換使用其他任何燃?xì)鈺r的運(yùn)行特性。
所得的公式包括一個互換結(jié)果產(chǎn)生離焰，一個產(chǎn)生回火和一個產(chǎn)生黃焰端可能性的3個公式。使用這些公式時，需要已知兩種燃?xì)獾幕瘜W(xué)組分(熱值和相對密度等)以及有關(guān)燃燒器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的知識。(未完待續(xù)，見下期)
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
