摘要：一次空气系数是考虑燃气互换性时的一个重要指标。目前的计算方法仅仅考虑一次空气系数与燃气的华白数成反比，对该计算方法所带来的系统误差没有分析。根据大气式燃烧器的自动调节特性，从理论上推导了大气式燃烧器在燃气性质改变时一次空气系数的计算公式，推导了一次空气系数与燃气华白数的关系，通过具体案例分析了公式的误差范围。

关键词：燃气互换性；大气式燃烧器；一次空气系数；华白数

HE Yifei，XIE Donglai，SONG Di

Abstract：The primary air ratio is a key index for gas interchangeability.In the current calculation methods，the primary air ratio is inversely proportional to Wobbe number，which lacks error analysis.Based on the self-adjustment property of atmospheric burner，the calculation formula of the primary air ratio during change of gas nature is theoretically derived，and the relationship between the primary air ratio and the Wobbe number is further developed.The error range of the formula is analyzed by a typical case.

Key words：gas interchangeability；atmospheric burner；primary air ratio；Wobbe number

    我国目前天然气工业发展比较迅速，气源种类繁多，有国产的气田气、石油伴生气、煤层气和液化天然气，也有进口的液化天然气和管输天然气，其组成和燃烧特性存在较大差异。从终端用户来看，除传统的居民及商业用户外，增加了大量工业用户、汽车用户、发电用户及非燃料用户等。组成不稳定的气源与要求相对稳定的用户之间的矛盾在我国部分城市已经出现，今后将会在更多的城市出现，因此，需要立即开展互换性研究工作^[1]。

    文献[2]介绍了互换性要求和分类指标的形成，对界限气的规定进行了探讨，指出：分类标准不能用来确定燃气的互换范围；盲目采用欧洲标准对我国是无益而有害的；燃气质量中的互换性问题，需要根据国情开展研究工作，吸取国外有益的成果。

    文献[3]介绍了美国国家天然气委员会对LNG和管道天然气互换性的研究成果。文献[4]介绍了天然气互换性的定义和表征参数，探讨了目前美国、欧洲天然气气质及其互换性研究进展，结合我国天然气发展趋势，阐述了开展我国天然气互换性研究的重要意义。文献[5]以广州市的天然气和原人工煤气的互换性判定为例，计算、验证了若只需单纯判定两种燃气能否互换，选用I指数判定法比图形判定法更方便。文献[6]介绍了燃气互换性的有关要求及判断方法，应用华白数及国际上常用的A.G.A互换性判断法，对进口LNG与陕京一线、陕京二线天然气进行互换性计算。

    在考虑燃气的互换性时，一般是针对采用常压吸气低压引射器的大气式燃烧器的民用燃具的互换性^{[7]205[8～12]}。某一燃具运行好坏取决于燃气的燃烧特性(以燃气在灶具上燃烧时的离焰极限、回火极限、C0极限和黄焰极限为代表)、火孔热强度、一次空气系数。一次空气系数定义为一次空气量与理论空气需要量的比值^[13]。一次空气系数影响到燃具的效率、完全燃烧程度、火焰内锥高度和燃烧的稳定性等，是考虑燃气互换性时的一个重要指标^{[2][7]213[14]}。

在分析燃气的互换性时，不能离开一次空气量来讨论燃烧的稳定性。当燃气性质改变时，除了引起燃烧器热负荷改变外，还会引起燃烧器一次空气系数的改变。关于燃气性质的变化引起的燃烧器所能引射的一次空气量的变化，目前很少有文献涉及。文献[7]207指出大气式燃烧器中，一次空气系数与华白数成反比，即：

 

式中α₁——一次空气系数

    K——比例常数，MJ/m³

    W——华白数，MJ/m³

其中华白数W的定义为：

 

式中Q_h——燃气高热值，MJ/m³

    d——燃气的相对密度

   其理由是，根据大气式燃烧器引射器的特性，一次空气系数α₁与成正比，与理论空气需要量V₀成反比，由于V₀与Q_h成正比，因此α₁与Q_h成反比，故一次空气系数α₁就与华白数W成反比。

   在文献[7]中，一次空气系数α₁与成正比这个论断比较武断，文中没有给出详细的公式推导。

根据式(1)可知，如果某燃具原用燃气a，一次空气系数为α_1,a。换成燃气b时该燃具的一次空气系数为：

 

式中α_1,b——换成燃气b时燃具的一次空气系数

    W_a——原用燃气a的华白数，MJ/m³

    W_b——燃气b的华白数，MJ/m³

    α_1,a——使用燃气a时燃具的一次空气系数

   鉴于一次空气系数在燃气互换性分析中的重要性，有必要深入分析影响大气式燃烧器一次空气系数的因素，以及采用式(1)和(3)计算一次空气系数时的误差范围。

按低压引射大气式燃烧器的自动调节性能^[7]，有：

 (1+u)(1+ud)=C    (4)

式中u——燃烧器的质量引射系数

    C——与燃具几何参数有关的参数。燃具确定后，C为常数

其中，u的定义为：

 

式中q_m,a——引射的空气质量流量，kg/h³

    q_m,g——燃气的质量流量kg/h³

    根据u的定义可知：

    ud=α₁V₀    (6)

式中V₀——理论空气需要量，m³/m³

由式(6)得：

 

将式(7)代入式(4)得：

 

整理得：

 

    由上式可以解出(排除负值)：

 

    由式(10)可以看出，大气式燃烧器的一次空气系数是理论空气量及燃气相对密度的函数，与华白数没有直接的关系。燃气热值越高，燃烧所需要的理论空气量越多，所以，可以近似认为V₀与燃气高热值成正比阻^[3～4,7]，即：

式中c——系数，m³/MJ

    其中的C针对不同种类的燃气有所不同^[3～4,7]。将式(11)和(2)代入式(10)可得：

 

    由式(12)可以看出，即使考虑V₀与燃气高热值成正比，一次空气系数也并非仅与燃气的华白数成反比，还与燃气的相对密度以及C有关。

令：

 

式中A——与燃气相对密度以及C有关的参数

式(12)变形为：

 

    如果在通常燃气相对密度的范围及大气式燃烧器常数C的范围内，A大约为定值，且C也为定值，则式(14)可转换为式(1)，即式(1)和(3)在此条件下可以成立。

    对于常用的城市燃气气源，人工煤气的相对密度一般为0.3～0.55，天然气的相对密度为0.5～0.8，液化石油气的相对密度为1.9～2.0，与燃具几何参数有关的常数C一般为65～80。当燃气相对密度为[0.3，0.8]及[1.9，2.0]，考虑常数C=65，70，75，80四种情况，绘制A与d的关系曲线，见图1。可以看出，在所考虑的范围内，A并非为一定值，而是随着相对密度的增大而有所变化。因此，利用式(1)和(3)来计算一次空气系数，必然会引起计算误差。

 

    在以上所推导的计算一次空气系数的公式中，式(10)的适用条件为低压大气式燃烧器，式(12)的适用条件为低压大气式燃烧器及燃气理论空气量与燃气热值成正比。式(1)和(3)的适用条件为低压大气式燃烧器、燃气理论空气量与燃气热值成正比及参数A为常数。式(10)的适用条件最宽松，计算结果应最为准确，式(12)次之，式(3)导致的系统误差可能最大。

设某燃具原用燃气a，高热值Q_h=40.07MJ/m³，相对密度d=0.58，理论空气量V₀=9.6m³/m³，华白数W=52.8MJ/m³，一次空气系数α_1,a=0.60。通过式(4)和(7)计算可知，该燃具燃烧器的常数C=73.89。而后改用表1所列其他产地的燃气(LNG及气田天然气的性质取自文献[15]，其余取自文献[7]附录1)，则通过式(10)、(12)、(3)可分别计算出该燃具的一次空气系数，见表1。对于LNG和气田天然气，式(12)中的C取0.24m³/MJ，因文献中没有适用于液化石油气和人工煤气的C值，故对人工煤气和液化石油气未计算式(12)的相关数据。从表1中的数据可以看出，对于与原燃用的燃气性质相近的LNG或气田天然气，式(12)和(3)所计算的一次空气系数都比式(10)计算的结果高出5%左右；对于与原燃用燃气不同类的人工煤气，式(3)所计算的一次空气系数都比式(10)计算的结果低5%～11%。对于液化石油气，式(3)所计算的一次空气系数都比式(10)计算的结果低1%～4%。需要指出的是，以上数据仅为案例分析，并不代表其他案例也会得出相同的数据。另外，案例分析中选择了人工煤气和液化石油气作分析对象，并不代表这两类气体可以和天然气进行互换，此处仅仅考虑式(3)所能引起的系统误差。

    一次空气系数与华白数的关系见图2，可以看出按式(10)计算出的一次空气系数与华白数近似成反比关系。欲准确计算，还是应该采用式(10)。

    一次空气系数是考虑燃气互换性时的一个重要指标。目前的计算方法仅仅考虑一次空气系数与燃气的华白数成反比——公式(3)。通过本文的案例分析可以看出，对于与原燃用的燃气性质相近的LNG或气田天然气，公式(12)和公式(3)所计算的一次空气系数都比公式(10)计算的结果高出5%左右；对于与原燃用燃气不同类的人工煤气，公式(3)所计算的一次空气系数都比公式(10)计算的结果低5%～11%；对于液化石油气，公式(3)所计算的一次空气系数都比公式(10)计算的结果低1%～4%。

   根据大气式燃烧器的自动调节特性，从理论上推导了大气式燃烧器在燃气性质改变时一次空气系数的变化公式——公式(10)，并推导了其与燃气华白数的确切关系——公式(12)，且分析了在何种情况下公式(12)可以转换为公式(3)。在进行燃气互换性分析时，可采用公式(10)较精确地计算一次空气系数随燃气性质变化的关系。

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[15] 李猷嘉.论液化天然气与管道天然气的互换性[J].城市燃气，2009(6)：5-9.

 

(本文作者：何奕霏 解东来 宋迪 华南理工大学化学与化工学院 广东广州 510640)