摘要：综述近年来中国在燃气互换性研究方面取得的进展。核心成果包括：确定表征大气式燃具适应性的燃烧特性指数及试验气配气区间，提出城市气源配置与多气源转换方法，建立试验气配制及燃具适应性试验装置，建立确定多气源共同互换域的技术方法，建立兼顾技术经济性的城市多气源配置与互换性的研究思路。
关键词：城市燃气； 燃气互换性； 燃具适应性； 互换域； 适应域； 试验气配制
Research Progress in Interchangeability of Gases in
Abstract: The progress in research on interchangeability of gases in
Key words: city gas；interchangeability of gases；adaptability of gas appliance；interchange domain；adaptation domain；experimental gas blending
1 多气源共存的格局
2010年，在中国城市燃气供应总量及供气管道规模中[1]，人工煤气供应总量为279.9×
中国正逐步加快天然气管网的建设速度，规划中的天然气管网将以目前的西气东输管线、陕京一二三线、忠武线、涩宁兰线等为主，再兴建一批重点干线和支线管道，向南延伸到珠海、北海，向北、向西延伸到黑龙江、新疆与俄罗斯等跨国管道相连。到2020年，将形成国产气管道、进口气管道和沿海LNG管道相互连通的天然气管网。各气源互相衔接，资源统配，实现全国天然气联网供应。随着全国不同气田天然气长距离输送、多管网互连互通输配模式的形成，各城市已经或正在面临着多气源共用同一配气管网的客观情况。
相关部门预测，到2015年，中国天然气消费量将达到2 400×
随着天然气的快速发展，我国城镇燃气的供应与管理体系发生了重大变化，要完全适应以天然气为主气源的状况还存在许多技术和管理上的问题。只有规范气源转换技术，才能使每座城市安全、高效、经济、快速地进行原有气源与天然气、天然气与备用调峰气源的转换。目前面临的诸多问题中，较为突出的是燃气互换性、燃具适应性、能源供应的安全性、燃具运行效率与节约用气等问题。其中，在多气源格局下，进行城市气源配置和转换，并最大限度地保障燃气用户平稳、安全用气，是当前燃气行业一直存在的技术难题。因此，开展城市燃气互换性理论与应用技术的研究工作，对气源转换和节能减排具有重要的理论和实际意义。
在中国，燃气燃烧应用的领域主要是居民用气、工业燃料、燃气空调、燃气汽车、燃气发电。燃具主要有家用燃具、燃气工业炉、燃气内燃机、燃气轮机等[3]。美国燃气互换性研究工作组(由美国国家天然气委员会NGC牵头，联合LNG、天然气管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构组成的工作组，简称NGC+)将燃具进行了如下分类：一般燃气燃烧设备；工业锅炉、窑炉和工艺加热装置；往复式发动机(包括天然气汽车)；燃气轮机；非燃烧类利用装置，包括城市天然气液化调峰设施、化工生产设施[4]。不同燃具适应燃气组成变化的能力不同，特别是城市在用燃具。当燃气组成变化较大时，易对燃具的正常运行产生影响，甚至恶化燃烧环境，发生事故。因此，燃具适应性研究具有重要意义。我国应用的主要天然气燃烧特性指数(
2燃气互换性研究概况
2.1 国际研究概况
美国燃气互换性研究工作组对燃气互换性的定义是：在不明显影响燃具运行安全、效率和性能，不明显增加空气污染物排放量的情况下，采用一种燃气替代另一种燃气的能力。这与传统定义有所不同，传统定义主要关注燃具的燃烧性能是否受到影响，新的定义从燃具运行安全、高效节能、污染物排放量的控制出发，对燃气互换性进行全面评价。
长期以来，应用最广泛的燃气互换性判定方法为法国的德尔布燃气互换性判定法、英国的达顿图形判定法、美国的A.G.A多元指数判定法和由此发展出来的韦弗指数判定法等。这些判定方法都是基于常用燃具，于20世纪80年代前形成和提出的，主要适用于以本生火焰为主的大气式燃烧方式。
欧盟于2002年成立了欧洲燃气能源交易合理化协会(EASEE-Gas)，在其起草的《协调统一的天然气质量》(2005-001／01)文件中，基于高热值、华白数、相对密度这3个燃烧特性指数中的任意两个，定义了燃气的互换域，并给出了华白数的上限值和下限值[7]。2005年2月，美国燃气互换性研究工作组发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》[4]，指出了传统燃气互换性研究方法的不足，讨论了“扩大应用领域后的”天然气互换性研究方法，提出更为实用的“工作区间”概念。
2.2我国研究概况
自20世纪70年代始，我国城市燃气有人工煤气、天然气、液化石油气等气源并存。根据燃气互换性研究工作的需要，城市煤气设计规范管理组于1980年12月，在上海同济大学，将上海、沈阳两地常用的家用燃气灶作为试验对象，对燃气互换性及燃具适应性进行试验研究，寻求华白数、燃烧势的允许波动范围。l982年2月，家用煤气灶标准编写组完成了《国内典型家用煤气灶燃烧稳定性》报告，通过配制试验气的方法，分别在0.5倍燃具额定压力及1.5倍燃具额定压力下，确定了家用燃气灶的黄焰、回火、脱火极限范围，得到了燃烧稳定性三角图。在该范围内确定气源允许的华白数、燃烧势波动范围，为制定城市燃气质量标准、城市燃气分类和燃具试验气配制方法提供了依据。在此基础上，1992年发布了国家标准GB／T l
陕京一线天然气管道于l997年9月竣工投产，由此拉开了大规模利用天然气的序幕，开始了城市人工煤气、液化石油气混空气转换天然气的工程实践及应用。国内相关学者及单位对采用天然气改制、天然气混低热值人工煤气、天然气混空气、液化石油气混空气等方式进行气源转换的工艺进行了研究[8-10]。虽然取得了一系列成果，但没有形成完整的气源转换与燃气互换性理论体系。燃具测试、燃烧性能随使用年限的变化规律、燃具适应性、燃气互换性等研究处于起步阶段，尚未形成完备的技术标准，互换性和试验气配制技术理论与应用的总体效果还不十分理想，不能对城市多气源转换过程提供技术指导。
为此，国内多家科研单位针对上述问题展开了研究。2006年，在国家“十一五”科技支撑计划项目中，推出了“城市燃气气源储配及应用关键技术”课题，提出进行“城市燃气转换理论与改造技术”的专题系统研究。
2.3 我国燃气互换性研究进展
随着燃气燃烧设备的多样化，更多高效率、低排放的燃烧设备进入家庭和企业，形成了不同燃烧方式(扩散式、大气式、全预混式)共存的格局。气源转换的技术要求、工程标准和质量控制体系、不同气源平衡利用、燃具适配多气源转换、等效试验气配制都是现实的技术问题。
2005年，国家燃气用具质量监督检验中心(隶属于中国市政工程华北设计研究总院)成立了燃气多气源互换性研究课题组(以下简称课题组)，基于“城市燃气转换理论与改造技术”专题，开展了多气源城市燃气互换性研究，取得了一系列成果，并于
主要研究内容包括：建立各类气源互换性测试模拟系统，研究各类气源质量及燃具适应边界条件，发展备用调峰气源在已建系统中替代天然气的工程转换及燃具适应性改造的实施对策与技术，气源转换评估技术体系。
主要成果为：提出了确定燃气互换域和燃具适应域的技术方法。提出了城市气源配置与多气源转换的技术方法，进行了工程实践。建立了试验气配制与燃具适应域测试技术与装置，完成了一系列手工及自动化配气设备的研发，取得了多项专利[11-16]。通过燃具适应域的试验测定，掌握和确定了我国典型燃具对不同气源燃气的适应能力和适应域，为燃具生产、设计提供关键技术数据；可以形成城市内最广泛在用燃具的适应域及不同类型燃具的共同适应域，并借此形成确定的、量化的燃气互换域，得到保证燃具正常工作的燃气组成变化范围，指导燃具产品的区域市场准入与城市气源转换实践。
3 有关成果
3.1 燃烧特性指数的确定
①主要的燃烧特性指数
我国在1982年正式借鉴了法国德尔布燃气互换性判定法，提出采用华白数、燃烧势两个燃烧特性指数分析和判定燃气互换性。随着研究的深入，发展到采用华白数、燃烧势、黄焰、结炭等指标对燃气互换性进行判定。
一般地，与燃气互换性有关的主要燃烧特性指数为高热值、相对密度、理论空气量、火焰燃烧速度、华白数、燃烧势、黄焰指数等。常规燃气互换性配气指数，主要有华白数、燃烧势、黄焰指数等[6,17]。配制试验气的常用原料气主要为CH4、H2、N2；C3H8(C4H8)、H2、N2；LPG、空气等。
②燃烧特性指数的筛选
为了确定表征燃具适应性的燃烧特性指数，课题组建立了试验装置，选择大气式燃具(主要为家用燃气灶具，包括嵌入式灶、台式灶)，进行了燃烧工况测试。分别测量灶具在脱火、回火、C0超标时的燃气组成，由此计算各极限情况下的燃烧特性指数。并根据华白数、高热值、相对密度、火焰燃烧速度、燃烧势等关键指数，绘制试验数据图形(直角坐标系)，确定表征燃具适应性的燃烧特性指数。
这里给出以1台大气式燃具(嵌入式灶)作为试验对象的燃烧特性曲线，见图l～4。由图1～4可知，当选择华白数-高热值、华白数-相对密度作为表征燃具适应性的燃烧特性指数时，各极限曲线不规则。当选择华白数-火焰燃烧速度作为表征燃具适应性的燃烧特性指数时，C0极限曲线较短。当选择华白数-燃烧势作为表征燃具适应性的燃烧特性指数时，各条极限曲线均比较平滑。因此，将华白数、燃烧势作为表征燃具适应性的燃烧特性指数是科学合理的。在i-C4H10、N2、H2三组分试验气全域区间内灶具对应界限气的华白数-燃烧势曲线见图5。
③基本配气区间分布
由于城市气源的多样性和复杂性，在燃气供应与应用、燃具生产与调节、燃气燃烧测试等环节中，不可能具备各种气源，因此要用到等效试验气。为保证试验气具有与基准气相同的化学性质、热工性能，须对试验气的配制过程进行控制，对配制方法进行研究和设计，以获得与基准气等效的试验气。
基于互换性原理进行的试验气配制，一般将甲烷、H2、N2三组分、丙(丁)烷、H2、N2三组分作为原料气，控制试验气的华白数、燃烧势、黄焰指数等关键燃烧特性指数与基准气相等，并进行以华白数、燃烧势为主要控制指标的配制设计[7]，建立配制试验气的整体分布区间。以CH4、H2、N2三组分，C3H8、H2、N2三组分，n-C4H10、H2、N2三组分，i-C4H10、H2、N2三组分为原料气，在以华白数、燃烧势为变量的直角坐标系中形成的配气区间见图6。由图6可知，各组原料气形成的配气区间边界线并不全为直线，任两种可燃气体形成的配气边界线为指数曲线，而N2与H2、N2与另一种烷烃可燃气体形成的配气边界线为直线。
研究发现，基于互换性原理，控制华白数、燃烧势等燃烧特性指数配制的试验气，应用在大气式燃具上可获得较好的燃烧性能。但是应用于全预混式燃具上，燃烧效果和排放指标差别较大。全预混燃烧方式主要应用于家用冷凝式燃气热水器、工业窑炉、燃气轮机、燃气内燃机等燃具及用气设备中，用气量较大。随着全预混式燃具的市场份额日渐增加，与大气式燃具适应性相关的燃烧特性指数，是否可以应用于全预混式燃具，是亟待探究的技术问题。课题组正在进行全预混式燃具的相关研究，并获得了一定进展。
3.2 城市气源配置与多气源转换方法
城市气源的配置与在用燃具的燃烧性能直接相关，民用、工业、商业等各种燃气用户对燃气质量有不同的要求，由于燃烧工艺和燃烧方式不同，各种燃具对燃气组成变化的容忍度也不相同。课题组采用燃气互换性理论分析与燃具及用气设备燃烧测试相结合的技术路线，提出厂城市多气源互换性与燃具适应性相匹配，并以经济合理为指导原则的城市基准气的确定方法，拓展了燃气互换性理论应用范围，为解决城市迎接西气东输二、三线及其他新气源的燃具适应性问题，提供了指导思想和技术方案。
课题组在进行城市燃气气源配置与多气源转换方法研究时，将燃气利用领域扩展至对燃气质量要求更为严格的燃气电厂，针对城市内居民、工业、商业用户，特别是燃气电厂、燃气汽车等燃气用户，根据燃烧工艺特点以及用户对燃气质量要求，建立了有区别的气源应用、转换、调度及配置方案和方法。对多气源供应方式、掺混可行性、同网运行稳定性进行了基本研究，提出了可行的基准气组成和波动范围。对各种用户，分别研究了多气源条件下的燃气互换性。分析并提出了保证燃气管网稳定运行的技术路线和对策，为政府和企业选择基准气源、备用调峰气源提供技术依据。在以上研究的基础上，进行了相关工程实践应用。
3.3 试验气配制与燃具适应性试验装置
课题组从燃具燃烧安全、节能高效、烟气排放等控制指标出发，对现行燃气分类和燃具产品标准进行了发展和延伸，提出通过试验测定方法，确定燃具适应域。研发了高精度、多指数、可量化的测试试验装置及相关软件，使得燃具适应性研究结果更贴近燃具实际运行状况，填补了燃具燃烧特性无法量化测试、无检测试验平台的技术空白。对行业检测标准的发展和燃具生产装备工艺技术的提高，以及产品质量的提升起到了重要作用。
在深入研究燃气互换性理沦的基础上，对当前行业通用的试验气“华白数、燃烧势两指数”控制方法进行了扩展，通过大量试验，提出了试验气“多组分、多指数”控制方法(如以“华白数、燃烧势、黄焰指数三指数”为代表的控制方法)。“多组分、多指数”试验气配制技术成果已经成功推广应用到行业知名企业，为行业发展起到了引领和示范作用，相关研究成果已多次在全国行业会议上交流[18-21]。试验气配制与燃具适应性试验装置已经投放国家燃气用具质量监督检验中心使用，第二、三代试验样机分别见图7、8。
3.4 多气源共同互换域的确定
课题组探索形成了完整的试验测定城市多气源“共同互换域”的方法和技术路线，形成了量化、科学的城市多气源互换性测试技术。5种常用大气式燃具在i-C4H10、H2、N2三组分试验气全域区间中的共同适应域(即多气源的共同互换域，图9中阴影部分)，以及4种超出多气源共同互换域的气源见图9.
当城市具有多种气源可以选择时，通常应选择燃气组成和燃烧特性指数与城市基准气最接近的一种或几种。需要考虑的主要因素包括：燃气中甲烷含量、惰性气体含量、重烃含量、华白数、燃烧势、黄焰指数、相对密度、高热值、火焰燃烧速度等。由于城市内具有多种燃具，不同燃具对燃气质量的要求并不一致。若根据对燃气质量要求最严格的燃气用户确定燃气互换域，将使城市内的燃气组成最稳定，变化幅度最小，运营成本将升高甚至最高。而根据数量和影响面最广的燃气用户(如居民用户)对燃具适应性的要求确定燃气互换域时，燃气组成可在一定范围内波动，可能会引起少数对燃气质量要求较严格的用户所使用的燃具及用气设备燃烧不稳定，但运行成本将降低甚至最低。这需要因地制宜、科学选取和慎重分析。
城市相关部门和燃气运营企业需要对燃气气源调度、备用调峰气源配置、多气源互换性进行科学研究，确定城市基准气组成和波动范围，合理选定表征不同燃烧方式燃具适应性的燃烧特性指数。燃气企业宜根据不同气源，对所能承受的风险和综合运营成本进行客观、全面分析，在能够承受的风险范围内，选择合适的燃气基准气和允许的变化范围，形成本城市或本地域内的“燃气互换性组分数据图谱”，以合理地进行城市燃气气源配置和多气源互换性的研究和实践。
城市燃气互换性研究的具体技术路线一般为：对多气源互换性的方法进行研究；合理划分燃气用户类型；选择典型城市燃具试验样本；基于燃具类型和燃烧方式，确定适用的燃烧特性指数；进行燃具适应性测试；根据燃具共同适应域，确定城市燃气的共同互换域；进行研究方案技术经济性分析与评价，合理划分燃气基准组分与波动范围；选择管网调度、气源配置优化方案，确定备用调峰气源等。
4 结论
近年来，我国在城市燃气互换性方面进行了很多有益的研究和探索，取得了一些科研成果。主要通过对燃气互换性和燃具适应性两个方而进行了试验和理论研究。核心成果包括：确定表征大气式燃具适应性的燃烧特性指数及试验气配气区间。提出城市气源配置与多气源转换方法。建立试验气配制及燃具适应性试验装置。建立确定多气源共同互换域的技术方法。建立兼顾技术经济性的城市多气源配置与互换性的研究思路。
随着燃具的多样化和燃烧方式的改进，还需要合理选择燃气互换性研究的技术参数、控制指标，并进行大量的试验研究和技术论证，以建立完整、科学的城市燃气多气源互换性体系。
参考文献：
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.中国城市建设统计年鉴(2010年)[M].北京：中国计划出版社，2011：365-368.
[2] 王启，高文学，赵白军.多气源供应的城市燃气互换性方法研究[C]//2011年中国燃气新技术、新设备高端学术推广交流会论文集.张家界：煤气与热力杂志社，2011：191-196.
[3] 项友谦，王启.天然气燃烧过程与应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：1-9.
[4] NGC + Interchangeability Work Group. White paper on natural gas interchangeability and non-combustion end use[R].[s.l.]：NGC + Interchangeability Work Group，2005：2-15.
[5] 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)：3-14.
[6] 高文学.城市燃气互换性理论及应用研究(博士学位论文)[D].天津：天津大学，2010：87-127.
[7] 高文学，王启，赵白军.燃气试验配气的实践与研究[J].煤气与热力，2008，28(11)：B31-B35.
[8] 卢祥林.天然气改制技术在城市燃气转换中的应用[J].煤气与热力，2002，22(6)：483-486.
[9] 王勇，王鸿，刘永华，等.天然气混空气转换人工煤气的探讨[J].煤气与热力，2006，26(1)：5-7.
[10] 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)：39-41.
[11] 高文学，王启，赵白军，等.燃气配气与互换性测试用燃烧器：中国，200810152958.7[P].
[12] 高文学，王启，赵白军，等.燃气转换与配气测试用燃烧装置：中国，200820143748.7[P].
[13] 王启，高文学，赵自军.确定燃气具燃烧特性的测试实验装置：中国，201020206874.x[P].
[14] 高文学，王启，赵白军.一种确定燃气具燃烧适应域或燃烧工况的装置：中国，200920095801.5[P].
[15] 王启，高文学，赵自军，等.一种测定燃气具气质适应域或燃烧工况的实验系统：中国，201120219538.3[P].
[16] 高文学，王启，赵白军，等.一种组合式远程控制气体调压装置：中国，201120212165.7[P].
[17] 金志刚，王启.燃气检测技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：200-228.
[18] 高文学，王启，陈冠益.基于互换性原理的生物质燃气的配制[J].太阳能学报，2009，30(12)：1704-1708.
[19] 王启，高文学.城市燃气气源配置与多气源瓦换性[C]//第3届中国城市燃气论坛论文集.深圳：中国城市燃气学会，2010：126-133.
[20] GAO Wenxue，WANG Qi，CHEN Guanyi，et al. Experimental determination and research on combustion characteristics range of gas appliance[J].Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，201 1(1)：77-80.
[21] 高文学，王启，唐戎.燃气具气质适应域的实验确定[C]//2011年中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会年会论文集.成都：中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会，2011：1-11.
本文作者：王启高文学 赵自军 罗勤 周理
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