摘 要

摘　要：海拔对燃气采暖热水炉的运行存在不可忽视的影响。结合试验统计数据，分析了燃气采暖热水炉在高原地区的热流量、热效率、烟气中CO含量、气流监控装置、排烟温度等方面的

摘　要：海拔对燃气采暖热水炉的运行存在不可忽视的影响。结合试验统计数据，分析了燃气采暖热水炉在高原地区的热流量、热效率、烟气中CO含量、气流监控装置、排烟温度等方面的变化趋势及影响因素。

关键词：燃气采暖热水炉；  高海拔；  高原地区；  性能

Performance Analysis of Gas-fired Heating and Hot Water Combi-boilers in Plateau Area

Abstract：The altitude has a non-negligible effect on the operation of gas-fired heating and hot water combi-boilers．Combined with the statistical test data，the variation trends and influence factors of heat input，thermal efficiency，concentration of CO in flue gas，air flow monitoring device，exhaust gas temperature of gas-fired heating and hot water combi-boilers in plateau area are analyzed．

Keywords：gas-fired heating and hot water combi-boiler；high altitude；plateau area；performance

 

1　概述

拉萨供暖工程自2012年开工以来，燃气采暖热水炉开始走进广大普通藏民家庭。由于拉萨地处高原，海拔为3658m，年平均大气绝对压力约为66.2kPa，而海平面地区(如天津)年平均大气绝对压力约为101.3kPa，海拔对燃气采暖热水炉的燃烧工况有较大的影响(其他影响因素不作考虑)。燃气采暖热水炉在拉萨地区是否能够满足GB 25034—2010《燃气采暖热水炉》(以下简称GB 25034)规定的性能要求，燃烧工况有哪些变化，本文对此进行现场试验研究，分析其变化趋势及影响因素。

2　现场试验及结果分析

拉萨目前使用的天然气是由LNG槽车从青海省格尔木运到拉萨的，拉萨天然气中甲烷体积分数超过99％。为了更好地进行测试，我们将检验中心先进的燃气采暖热水炉检测设备运往拉萨，包括湿式燃气流量计、烟气分析仪、燃气采暖热水炉综合测试台、电磁流量计等仪器设备。此次现场试验，共检验了9家企业的31台样品，检验中发现存在一些共性的问题。

由于拉萨地区天然气中甲烷体积分数超过99％，与天津试验室测试用气组成基本相同，因此燃气本身差异可以忽略不计。燃具实测热流量等于燃气实际工况下单位体积放出的热量和燃气实际流量的乘积，见式(1)。

F＝qvQu 　　　　   (1)

式中F——燃具实测热流量，W

qv——燃气实际体积流量，m³／s

Qu——燃气实际工况下单位体积放出的热量，J／m³

由式(1)可得燃具在拉萨地区的实测热流量与海平面地区的实测热流量的关系为：

 

式中Fh——燃具在拉萨地区的实测热流量，W

Fs——燃具在海平面地区的实测热流量，W

qv,h——燃具在拉萨地区燃气实际体积流量，m³／s

Qu,h——燃气在拉萨地区实际工况下单位体积放出的热量，J／m³

qv,s——燃具在海平面地区燃气实际体积流量，m³／s

Qu,s——燃气在海平面地区实际工况下单位体积放出的热量，J／m³

下面我们以一定物质的量的燃气为研究对象，分析其在不同海拔下的气体特性。根据理想气体状态方程，我们可以推导出被研究对象在拉萨地区的气体特性与海平面地区的气体特性的关系。

pV＝nRT　　　    (3)

式中p——燃气绝对压力，Pa

V——燃气实际工况下体积，m³

n——燃气物质的量，mol

R——摩尔气体常数，J／(mol·K)

T——热力学温度，K

假定温度不变，由式(3)可以得到：

 

式中Vh——燃气在拉萨地区实际工况下的体积，m³

ps——燃气在海平面地区的绝对压力，Pa

ph——燃气在拉萨地区的绝对压力，Pa

Vs——燃气在海平面地区实际工况下的体积，m³

 

式中m——燃气的质量，kg

rh——燃气在拉萨地区实际工况下的密度，kg／m³

 

式中rs——燃气在海平面地区实际工况下的密度，kg／m³

将式(5)、(6)代入式(4)，可得：

 

式中Q——被研究的燃气放出的总热量，J

 

将式(8)、(9)代入式(4)，可得：

 

将拉萨地区燃气绝对压力68.2kPa，海平面地区燃气绝对压力103.3kPa，代入式(7)、(10)，分别得rh＝0.660rs，Qu,h＝0.660Qu,s，即燃气在拉萨地区实际工况下的密度和单位体积放出的热量均为海平面地区的0.660倍。

影响燃具实测热流量的另一因素——燃气实际体积流量，由燃气流速和燃烧器喷嘴截面积决定，见式(11)。

qV＝nA 　　　        (11)

式中n——燃气流速，m／s

A——喷嘴截面积，m²

在喷嘴直径是固定的情况下，喷嘴截面积不变，故燃气流速决定单位时间内消耗燃气量的大小。由式(11)得到同一燃具在拉萨地区和海平面地区燃气体积流量的关系为：

 

式中nh——燃具在拉萨地区燃气流速，m／s

ns——燃具在海平面地区燃气流速，m／s

根据伯努利方程可计算燃气的流速，由于实际测量中通常不能满足理想的伯努利方程，故对其修正为^[1]：

 

式中C——喷嘴修正系数

Dp——喷嘴截面前后的压差，Pa

r——燃气实际工况下密度，kg／m³

因海平面地区和拉萨地区同一燃具喷嘴截面前后的压差与喷嘴修正系数是相同的，由公式(13)可以得到同一燃具在拉萨地区和海平面地区燃气流速的关系为：

 

将式(14)化简，得：

 

可见，流速的变化只与燃气密度有关。

将rh＝0.660rs代入式(15)，可得nh＝1.231ns；将nh＝1.231ns代入式(12)，得到qV,h＝1.231qV,s；再将qV,h＝1.231qV,s与Qu,h＝0.660Qu,s代入式(2)，得到：Fh＝0.812Fs，即同一燃具拉萨地区实测热流量是海平面地区的0.812倍。

为了进一步证实热流量的变化规律，我们从送检的样机中随机抽取5台进行了对比试验。表1分别列出了5台样机在额定热流量、最小热流量与极限热流量3种状态下的试验数据统计结果。

 

从表1可以看出，同一台样机拉萨地区实测热流量与海平面地区实测热流量的比值在75％～80％范围，比值的平均值为76.5％。

GB 25034中的热流量计算公式见式(16)，是将实测热流量折算到海平面地区的标准状态(15℃，101.3kPa)下的热流量。，但我们此次试验的目的是要测出燃气采暖热水炉在拉萨地区工况(15℃，66.2kPa)下的热流量。将式(16)中101.3kPa替换为拉萨地区的大气绝对压力66.2kPa，将15℃、101.3kPa基准气低热值替换为15℃、66.2kPa下单位体积基准气放出的热量(取值为22.23MJ／m³)，计算折算到拉萨地区工况下的热流量，见式(17)。计算热效率见式(18)。

 

式中Fr,s——燃气采暖热水炉实测热流量折算到海平面地区标准状态下的热流量，海平面地区标准状态下的热流量，Kw

Qu,b——15℃、101.3kPa基准气低热值，MJ/m³

qV,r——试验燃气实际工况下体积流量，m³／h

pg——试验时燃气流量计内的燃气压力(表压)，kPa

pa——试验时的大气绝对压力，kPa

tg——试验时燃气流量计内的燃气温度，℃

d——干试验气的相对密度

pt——在tg时的饱和水蒸气压力(绝压)，kPa

dr——基准气的相对密度

 

式中Fr,h——燃气采暖热水炉实测热流量折算到拉萨地区工况下的热流量，kW

Qu,1——基准气在拉萨地区工况(15℃，66.2kPa)下单位体积放出的热量，MJ／m³

 

式中h——燃气采暖热水炉的采暖热效率

mw——考虑蒸发因素修正后实测出热水量，kg

t2——供水温度，℃

t1——回水温度，℃

Qp——对应平均供水温度下的测试装置热损失，包括循环泵产生的热量，kJ

Vq,b——实测燃气消耗量折算成基准状态(15℃，101.3kPa)的值，m³

Qu,q——试验气在基准状态下低热值，MJ／m³

燃气采暖热水炉额定热输入是指在额定燃气压力下，使用基准气在单位时间内放出的热量，该值是产品铭牌的标称值。额定热输出是燃气采暖热水炉在额定热输入的情况下单位时间能提供给外界的热量，该值也是产品铭牌的标称值。

某品牌燃气采暖热水炉，型号为L1PB24，平原地区设计采暖额定热输入24kW、采暖额定热输出22kW。拉萨地区设计采暖额定热输入19.5kW、采暖额定热输出18kW。分别按式(16)及式(17)计算热流量(热输入)，按式(18)计算热效率，热输出为热效率乘以热输入。具体计算数据见表2。

 

 

表2中同一台燃气采暖热水炉在拉萨地区测得的热流量(热输入)按公式(16)折算到海平面标准状态下的值为24.2kW，在海平面地区测得的热流量(热输入)按公式(16)折算的值为24.9kW，结果近似相等，说明同一台燃气采暖热水炉在不同的海拔下测得的热流量(热输入)折算到海平面标准状态下的数值是一样的。而将拉萨地区测得的热流量按公式(17)折算到当地工况(海拔为3658m工况)下的值为19.7kW，是折算到海平面标准状态下的值的0.814倍。拉萨地区测得的热效率为0.922，海平面地区测得的热效率为0.903，拉萨地区比海平面地区测得的热效率略高。因热输入乘以热效率为热输出，从表2中可以看到拉萨地区热输出为18.2kW，海平面地区的热输出为22.5kW。拉萨地区的热输出为海平面地区热输出的0.809倍。

2．2　热效率的变化

在过剩空气系数相同的情况下，拉萨地区的热效率和海平面地区热效率区别不大。如果是大负荷热水器作为小负荷热水器使用的话，由于换热面积增加，热效率还会高于海平面地区。

表3列出了5台样机分别在拉萨地区及天津地区测得的额定热流量与最小热流量状态的热效率对比数据。

 

从表3可以看出，额定热流量状态下拉萨地区测试的热效率要高于海平面地区的测试结果，平均高出2％左右。最小热流量状态下拉萨地区测试的热效率更高于海平面地区测得的热效率，平均高出6％以上。

额定热流量和最小热流量状态下的过剩空气系数对比见表4。

 

从表4可以看出，相同状态下过剩空气系数拉萨地区要小于海平面地区，额定热流量状态下的过剩空气系数平均值，拉萨地区约为海平面地区的90％；最小热流量状态下的过剩空气系数平均值，拉萨地区约为海平面地区的98％。烟气温度越高，排烟损失越大，热效率越低；过剩空气系数越大，过剩的烟气体积越大，带走的热量越多，热效率越低^[2]。

2．3　烟气中CO含量

由于拉萨地区大气绝对压力低，气体流速高于海平面地区，比较容易出现脱火现象。由于国内产品设计理念的限制，单个火排的热输入已经接近极限，在拉萨地区如采用扩大喷嘴直径的方式增大热输入，烟气中的CO体积分数jCO(折算为过剩空气系数等于1时的值，以下同)会远远高于海平面地区的同等状态。

表5列出了5台样机额定热流量与极限热流量状态下，拉萨地区测试的烟气中CO体积分数与海平而地区测试结果的对比数据。从测试结果我们可以看出，在同等状态下除样品1在拉萨地区测试的烟气中CO体积分数低于海平面地区外，其余4台样品在拉萨地区测试的烟气中CO体积分数都远大于海平面地区。不考虑样品l的离群现象，拉萨地区测试的烟气中CO体积分数远大于海平面地区的主要原因是拉萨地区空气稀薄，氧的绝对含量相比于海平面地区要低，从而导致燃烧不够充分，CO含量偏高。

 

2．4　气流监控装置

气流监控装置是当空气供应或燃烧烟气排放出现异常情况时，使燃气采暖热水炉安全关闭的一种装置。该装置通过下列方法之一来检测进排气状态：检测进空气压力或排烟气压力，连续监测进空气流量或排烟气流量。GB 25034中对气流监控装置提供了2种检测方式，分别为：a．堵塞进气管或排气管；b．降低风机工作电压。方式a通过堵塞进气管或排气管直接模拟燃气采暖热水炉进空气或排烟气不畅的状态。方式b通过降低风机工作电压来模拟进排气异常状态，对于交流恒速风机来说，当工作电压为额定电压时风机恒速运转，当工作电压降低时风机处于非正常工作状态，此时风机电功率降低，负载能力下降，原来的恒速运转被破坏，风机风速降低，以此来间接地模拟燃气采暖热水炉进空气或排烟气不畅的状态。具体选用哪种方式来检测则由制造商来选择。

此次检测的全部样品气流监控装置均为风压开关，制造商均选择降低风机工作电压的方式来进行检测。风压开关由导气管、压差盘、微动开关和弹簧推杆等组成。压差盘有两个取压口，一侧的取压口连接在风机蜗壳的负压区；另一侧悬空，取燃气采暖热水炉顶部空气进口处的压力(此处压力我们认为近似等于大气绝对压力)。风压开关的工作原理是：风机没工作时，压差盘两侧压力处于平衡状态，弹簧推杆在弹簧力的作用下压迫微动开关，使微动开关处于断开状态；当风机工作时，风机抽风使压差盘的一侧成负压状态，压差推动弹簧推杆运动，使微动开关接通，微动开关的通断信号输出给燃气采暖热水炉控制器，达到风压检测的目的。风机与风压开关在燃气采暖热水炉中的安装位置见图1。风机安装在烟气排出口，风压开关安装在燃气采暖热水炉的顶部。当风机风速不同时，大气绝对压力与负压区绝对压力压差值也不同，该压差值大小将直接决定风压开关的动作。风压开关的关闭压力是指风压开关由接通状态到关闭状态的临界点时对应的压差盘两侧的压力差——大气绝对压力与负压区绝对压力的差值。由于负压区绝对压力与风机转速有关，而风机转速又与风机供电电压有关，因此风压开关的关闭压力对应的风机供电电压称为风压开关的关闭电压。

 

此次气流监控装置对比试验的目的主要是为了得到气流监控装置(风压开关)关闭压力与关闭电压在拉萨地区与海平面地区有何不同。

以某品牌燃气采暖热水炉为例，在拉萨地区与海平面地区相同的风机供电电压下所测得的大气绝对压力与负压区绝对压力的压差值见表6。

从表6可以看出，相同风机供电电压下拉萨地区测得的风压开关压差值要小于海平面地区，在不同风机供电电压下测得的风压开关压差值比的平均值为0.75。另外，我们可以看到该燃气采暖热水炉在海平面地区(天津)测得的风压开关关闭压力为92Pa，对应的关闭电压为155V；在拉萨地区测得的风压开关关闭压力为99Pa，对应的关闭电压为180V。该风压开关铭牌上标示的关闭压力为100±8Pa，由于关闭压力具有一定的误差范围，因此可以认为该风压开关在拉萨地区与海平面地区关闭压力基本一致，而关闭电压拉萨地区要高于海平面地区。

 

表7列出了5台样机风压开关关闭电压的对比数据。

 

由表7看到，风压开关的关闭电压拉萨地区均高于海平面地区。

2．5　排烟温度

同一台燃气采暖热水炉在拉萨地区实测的热流量约为海平面地区的0.8倍，由于同一台燃气采暖热水炉换热面积不变，因此对应单位热流量下的换热面积拉萨地区要高于海平面地区，进而排烟温度拉萨地区要低于海平面地区。由表8可以看出，拉萨地区排烟温度均低于海平面地区，在额定热流量状态下拉萨地区测得的排烟温度平均值比海平面地区低28℃，在最小热流量状态下拉萨地区测得的排烟温度平均值比海平面地区低19℃。

 

3　结论

①燃气采暖热水炉的热流量：由于拉萨地区海拔较高，大气绝对压力只有海平面地区的2／3左右，因此同一台燃气采暖热水炉在拉萨地区的实测热流量约为海平面地区的0.8倍。

②燃气采暖热水炉的热效率：对于同一台燃气采暖热水炉在拉萨地区过剩空气系数要小于海平面地区，而过剩空气系数越大，过剩的烟气带走的热量越多，热效率越低，因此拉萨地区测得的热效率要高于海平面地区。

③燃气采暖热水炉的烟气中CO含量：由于拉萨地区空气稀薄，氧的绝对含量相比于海平面地区要低，从而导致燃烧不够充分，拉萨地区测得的烟气中CO含量比海平面地区偏高。

④燃气采暖热水炉的气流监控装置性能：此次测试样品气流监控装置均为风压开关，风压开关的关闭压力拉萨地区测得的值与海平面地区基本接近，风压开关的关闭电压拉萨地区要高于海平面地区。

⑤燃气采暖热水炉的排烟温度：由于同一台燃气采暖热水炉拉萨地区的实测热流量约为海平面地区的0.8倍，而总的换热面积是不变的，因此单位热流量下的换热面积拉萨地区要高于海平面地区，排烟温度拉萨地区要低于海平面地区。

⑥综合分析结果：如果一台燃气采暖热水炉在海平面地区的各项性能均满足GB 25034的要求，且不存在判定合格与否的边缘值，那么在拉萨地区只要将其额定热输入改为海平面地区的0.8倍左右——大负荷热水器作为小负荷热水器使用，其各项性能指标仍能满足GB 25034的要求。反之，若存在判定合格与否的边缘值，特别是燃烧烟气的测试项目，则在拉萨地区就很难保证其仍能够满足GB 25034的要求。

 

参考文献：

[1]赵聪聪．气体流速的测定方法[J]．化工自动化及仪表，2013，40(4)：471-473．

[2]何贵龙，杨丽杰，李蓓，等．燃气采暖热水炉介绍及产品性能统计分析[J]．煤气与热力，2012，32(11)：B15-B21．

 

 

本文作者：杨丽杰  蓝海玲  何贵龙

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院国家燃气用具质量监督检验中心

  佛山市燃气集团股份有限公司禅城燃气分公司