海拔對燃具燃燒性能的影響分析

鄧 旭， 周偉業， 司立峰， 華杰鋒， 劉文博，韓曉箴， 楊麗杰， 陳德春， 王永康

(1.中國質量認證中心， 北京 100070； 2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司， 天津 300384； 3.云南省燃氣計量檢測所有限公司， 云南 昆明 650216)

1 概述

在本研究中，研究對象為家用燃氣灶(簡稱燃氣灶)、家用燃氣快速熱水器(簡稱燃氣熱水器)。本文中，將在過剩空氣系數等于1條件下，干煙氣CO體積分數簡稱為CO體積分數；將在過剩空氣系數等于1條件下，干煙氣NOx體積分數簡稱為NOx體積分數。目前燃具的現行產品標準均未規定產品在高海拔地區使用時環境要求、相關項目的特殊檢測要求，而且我國絕大部分的燃具生產企業都坐落于低海拔地區，一般未考慮燃具在高海拔地區使用時可能出現的問題。2022年，成都市燃氣灶和燃氣熱水器抽查中不合格項目包括熱負荷。2021年，云南省燃氣灶抽查結果不合格率25%，不合格項目主要為熱負荷、CO體積分數。2016年，貴州省燃氣灶抽查結果不合格率達到50%，主要原因是產品的燃燒性能不滿足要求。可以看出，上述地區均為海拔較高的地區，產品不合格的原因為生產企業未考慮高海拔影響因素，未按照海拔不同對產品的設計參數進行調整，使得燃具熱負荷、CO體積分數等指標不合格，嚴重威脅消費者的人身安全。因此，為了確定燃具在高低海拔地區使用時差異，開展燃具燃燒性能的試驗分析。

2 試驗項目和方法

2.1 試驗地點

GB 16410—2020《家用燃氣灶具》規定試驗室的大氣壓力為81～107 kPa，GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》規定試驗室的大氣壓力為86～106 kPa。GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》給出了我國主要城市的海拔，考慮到檢測能力，選擇海拔為1 891.4 m的昆明市作為高海拔試驗地點，海拔為3 m的天津作為低海拔試驗地點。

試驗中天津環境壓力(即大氣壓力)為101.010～101.300 kPa，環境溫度為23.5～25.0 ℃；環境壓力和環境溫度取試驗期間最高值、最低值的平均值，分別為101.155 kPa和24.3 ℃。昆明環境壓力為80.790～81.080 kPa，環境溫度為22.9～24.1 ℃；環境壓力和環境溫度取試驗期間最高值、最低值的平均值，分別為80.935 kPa和23.5 ℃。

2.2 試驗樣品

選擇燃氣灶和燃氣熱水器2種產品進行試驗，試驗樣品參數見表1。

表1 試驗樣品參數

燃氣灶額定熱負荷指左眼燃燒器額定熱負荷，右眼燃燒器額定熱負荷與左眼燃燒器相同。燃氣灶均采用大氣式燃燒器，進風方式均為下進風，且風門固定。燃氣熱水器的燃燒方式均為大氣式燃燒，給排氣方式均為強制排氣式。燃氣灶和燃氣熱水器氣源為天然氣(12T)時額定壓力均為2 kPa，氣源為液化石油氣(20Y)時額定壓力均為2.8 kPa。

2.3 試驗項目

結合我國西南地區燃具抽查不合格項目和海拔對燃具影響的理論分析，試驗項目選擇實測熱負荷、CO體積分數、NOx體積分數。

2.4 試驗方法

燃氣灶試驗方法按照GB 16410—2020進行，燃氣熱水器的試驗方法按照GB 6932—2015進行。高、低海拔地區試驗使用的天然氣(12T)均為純甲烷，液化石油氣(20Y)均為C3H8與C4H10的混合氣，C3H8摩爾分數為75%。試驗中，熱負荷試驗均進行2次，試驗結果取2次結果的算術平均值。CO體積分數、NOx體積分數的測試狀態為額定熱負荷狀態，待讀數穩定后從煙氣分析儀讀取數據，并按照標準中公式進行計算。

3 試驗結果分析

本文中，為了量符號簡潔，用H表示低熱值。偏差指：在昆明的參數(實測熱負荷、CO體積分數、NOx體積分數)減去在天津的參數的差再除以在天津的參數。

3.1 實測熱負荷

① 實測熱負荷理論偏差

工況i的含義：工況1指低海拔地區，工況2指高海拔地區。筆者認為，在濕式流量計中，燃氣達到飽和狀態。從濕式流量計出口至噴嘴出口，濕燃氣的組成不變。設定噴嘴前的濕燃氣溫度等于噴嘴后的濕燃氣溫度，且等于環境溫度。

根據伯努利方程可知，通過噴嘴的燃氣流量為[1]：

(1)

式中qi——工況i通過噴嘴的燃氣流量，m3/s

μ——噴嘴流量系數

A——噴嘴截面積，m2

Δp——噴嘴前后壓差(取燃具額定壓力)，kPa

ρwet,i——工況i濕燃氣密度，kg/m3

由理想氣體狀態方程可得：

(2)

式中ρ15,wet，i——101.325 kPa、15 ℃下工況i濕燃氣密度，kg/m3

patm,i——工況i環境壓力，kPa

Tatm,i——工況i環境溫度，K

結合式(1)、(2)，實測熱負荷計算見下式：

(3)

式中Φi——工況i實測熱負荷，kW

H15,wet,i——101.325 kPa、15 ℃下工況i濕燃氣低熱值，kJ/m3

101.325 kPa、15 ℃下，工況i濕燃氣密度、工況i濕燃氣低熱值計算見下列公式：

ρ15,wet,i=φdry,iρ15,dry+φw,iρ15,w

(4)

H15,wet,i=φdry,iH15,dry

(5)

式中φdry,i——工況i濕燃氣中干燃氣體積分數

ρ15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃氣密度，kg/m3

φw,i——工況i濕燃氣中水蒸氣體積分數

ρ15,w——101.325 kPa、15 ℃下水蒸氣密度，kg/m3

H15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃氣低熱值，kJ/m3

濕燃氣中，干燃氣、水蒸氣體積分數計算見下列公式：

(6)

φw,i=1-φdry,i

(7)

式中pfw,i——工況i濕式流量計處燃氣壓力，kPa

pw,i——工況i環境溫度下水蒸氣飽和壓力，kPa

對工況2、工況1，由式(3)可得：

(8)

實測熱負荷理論偏差計算見下式：

(9)

式中Vth——實測熱負荷理論偏差

令：

(10)

式中ε——中間參數

以天然氣燃具為例，實測熱負荷對比涉及的技術參數見表2。

將表2中相關參數代入式(8)、(9)，可得使用天然氣時，高海拔、低海拔地區實測熱負荷之比為0.890 3，實測熱負荷理論偏差為-10.97%。將表2中相關參數代入式(10)，可得使用天然氣時，中間參數為0.993 9。同理，可計算得到使用液化石油氣時，高海拔、低海拔地區實測熱負荷之比為0.892 3，實測熱負荷理論偏差為-10.77%，中間參數為0.996 2。

表2 實測熱負荷對比涉及的技術參數

可見，無論天然氣燃具還是液化石油氣燃具，中間參數均非常接近1。這說明，在實測熱負荷理論偏差的計算中，環境壓力、環境溫度的直接影響起主要作用，而通過濕燃氣密度、濕燃氣低熱值的間接影響起次要作用。因此，在計算精度要求不高時，可忽略式(9)中濕燃氣密度項、濕燃氣低熱值項，得到實測熱負荷近似理論偏差，其計算見下式：

(11)

式中Vth,apr——實測熱負荷近似理論偏差

② 實測熱負荷實際偏差

表3為實測熱負荷試驗結果。

表3 實測熱負荷試驗結果

③ 實測熱負荷實際偏差與實測熱負荷理論偏差的對比

基于表3數據，得到天然氣灶、液化石油氣灶、天然氣熱水器、液化石油氣熱水器的實測熱負荷實際偏差。天然氣燃具的實測熱負荷實際偏差為-10.90%，液化石油氣燃具的實測熱負荷實際偏差為-10.43%。天然氣燃具的實測熱負荷理論偏差為-10.97%，液化石油氣燃具的實測熱負荷理論偏差為-10.77%。將各樣品類型的實測熱負荷實際偏差與實測熱負荷理論偏差做對比，以實測熱負荷理論偏差作為真值，得到二者的相對誤差，見表4。

表4 實測熱負荷實際偏差與實測熱負荷理論偏差的相對誤差

由表4可見，各樣品類型的實測熱負荷實際偏差與實測熱負荷理論偏差的相對誤差的絕對值小于4%，說明試驗結果可靠，也驗證了理論的正確性。

3.2 CO體積分數

表5為CO體積分數試驗結果。可以看出，對于燃氣灶，與天津相比，昆明CO體積分數存在偏高或偏低的現象；對于燃氣熱水器，昆明CO體積分數均比天津高。

表5 CO體積分數試驗結果

原因分析：對于燃氣灶，昆明實測熱負荷偏低，在昆明試驗時試驗用鍋尺寸與天津不一樣。如測試樣品Z3的左眼燃燒器和右眼燃燒器時，在昆明試驗用鍋鍋內徑為300、320 mm，而在天津試驗用鍋鍋內徑為320、340 mm，試驗用鍋尺寸的差異對CO體積分數影響較大。

對于燃氣熱水器，燃燒系統為封閉式，燃氣燃燒僅與燃氣量和空氣量有關。以天然氣熱水器為例進行分析。對于同一臺天然氣熱水器，出廠時技術參數已定，例如不同負荷率對應的風機轉速。選取100%負荷率進行分析。在100%負荷率下，在天津、昆明試驗時風機轉速相同，空氣體積流量相同。受試驗地點環境壓力、環境溫度影響，根據理想氣體狀態方程，試驗時昆明空氣密度是試驗時天津空氣密度的0.802倍。因此，在100%負荷率下，對天然氣熱水器，昆明空氣質量流量是天津空氣質量流量的0.802倍。根據前文，在100%負荷率下，對天然氣熱水器，昆明實際實測熱負荷是天津實際實測熱負荷的0.887倍。可見，與在天津試驗相比，在昆明試驗空氣質量流量下降的幅度超過了實際實測熱負荷下降的幅度，導致燃燒需要的氧氣供應不足且發生不完全燃燒，CO體積分數升高。

3.3 NOx體積分數

表6為NOx體積分數試驗結果。可以看出，由于海拔升高，昆明NOx體積分數呈現明顯的下降趨勢。燃氣灶NOx體積分數下降比例均超過50%，燃氣熱水器NOx體積分數下降比例在50%左右。

表6 NOx體積分數試驗結果

根據前文理論分析和試驗結果可知，由于海拔升高，燃具的實測熱負荷減小并且空氣供給不足，導致燃氣不完全燃燒，燃燒熱強度和火焰溫度降低。根據熱力型NOx的影響因素和生成條件可知，NOx體積分數隨火焰溫度降低而降低。

4 結論

① 高海拔地區燃具實測熱負荷下降，與低海拔地區相比，實測熱負荷實際偏差與實測熱負荷理論偏差非常接近，二者相對誤差的絕對值小于4%。實測熱負荷理論偏差主要與試驗地點的環境壓力、環境溫度有關。

② 與低海拔地區相比，高海拔地區試驗中，天然氣燃具實測熱負荷偏差為-10.90%，液化石油氣燃具實測熱負荷偏差為-10.43%；高海拔地區燃氣灶CO體積分數由于試驗用鍋不同而存在偏高或偏低的現象，燃氣熱水器CO體積分數均偏高；高海拔地區燃氣灶NOx體積分數下降比例均超過50%，燃氣熱水器NOx體積分數下降比例在50%左右。

③ 海拔對燃具實測熱負荷、污染物排放量均有較大影響，因此在高海拔地區使用燃具，應充分考慮海拔對燃具燃燒性能的影響。