气源组成变化时不同火孔型式灶具的性能测试

1 概述

随着天然气时代的来临，同一城市面临着越来越多的不同天然气气源进入城市天然气管网，造成天然气组成极易出现变化，势必导致用户燃烧设备的性能受到影响[1]。民用燃气领域虽然在总用气量中占比不高，但是由于其涉及面广，用户量庞大，关系到普通民众的日常生活，因此，家用燃气灶的使用性能和安全问题一直都是国内外燃气燃烧应用研究领域的关注重点[1-4]。随着家用燃气灶的快速发展，其结构型式日新月异，燃烧器技术也在不断进步。然而，大部分设计或技术的应用，主要是关注在特定燃气组成下提升燃气灶的整体热工性能和降低污染物排放等方面，而很少有针对天然气组成变化下燃气灶性能变化的研究[5-9]。

本文以12T天然气家用燃气灶(以下简称灶具)为实验对象，其燃烧器的燃烧方式为大气式燃烧，分别选取了12台圆形火孔灶具样本和13台条缝形火孔灶具样本，所有灶具样本均为嵌入式灶具，并由实验室配制了10个不同组成的12T天然气样本。实验测试和分析了两种火孔型式灶具的热效率、CO和NOx排放性能，以及是否满足国家标准规定的性能要求，并讨论两种火孔型式灶具在天然气组成变化时各方面性能的表现。

2 实验方法

2.1 实验系统与测试用天然气

本文灶具性能测试系统根据GB 16410—2007《家用燃气灶》(以下简称GB 16410—2007)的相关规定进行搭建。灶具热效率和烟气排放性能测试方法和流程，严格按照GB 16410—2007规定进行。烟气分析仪选用KM 9106型，通过电脑实时连续记录烟气数据。实验室通过湿式配气法配制10个不同组成的12T天然气样本。10个天然气样本的组成和特性(15 ℃, 101.325 kPa, 干)见表1。GB/T 13611—2006《城镇燃气分类和基本特性》规定，12T天然气高热值华白数范围为45.67～54.78 MJ/m3，燃烧势范围为36.3～69.3。

2.2 实验测试用灶具样本

目前国内燃气灶引射器大部分采用铸铁浇铸，各生产厂家多为统一采购，而极少自行加工。本文所选的灶具样本引射器结构型式差异极小，可等同于同一类型引射器结构，从而对比不同火孔型式造成的二次空气供给等问题，研究天然气组成变化情况下的各性能变化表现。实验共选取了12台圆形火孔灶具样本和13台条缝形火孔灶具样本。所选样本均为国产品牌，且某一品牌可能被选取多台某一类型火孔样本，如12台圆形火孔灶具样本包括了7个品牌，13台条缝形火孔灶具样本包括了9个品牌。虽然选择相同品牌的灶具样本，但保证各样本的火盖结构存在明显差异。所选灶具样本的额定热负荷在3.0～4.8 kW范围内。

表1 实验配制的10个天然气样本的组成和特性(15 ℃,101.325 kPa,干)

被选取的各灶具样本的品牌情况见表2。圆形火孔火盖结构见图1，条缝形火孔火盖结构见图2。

表2 被选取的各灶具样本的品牌情况

图1 圆形火孔火盖结构

图2 条缝形火孔火盖结构

实验初始阶段，将各灶具样本分别在甲烷体积分数为100%的12T-0气源情况下，调试到最佳工作状态，即各性能符合GB 16410—2007的规定要求。之后将各灶具样本的一次空气控制风门的位置固定，保持结构状态设置不变。然后，按照GB 16410—2007规定的测试方法和流程，对所有灶具样本分别进行10个不同组成的12T天然气样本的热效率、CO和NOx排放性能测试。

2.3 实验测试数据

实验测试热效率性能，按GB 16410—2007规定的方法和计算公式，最终得到各灶具样本在10个不同组成的12T天然气样本下的热效率。实验测试得到的CO排放性能和NOx排放性能，均按照GB 16410—2007的要求和方法，分别将实测烟气中CO体积分数和NOx体积分数折算成理论空气系数为1时的值，分别记为φ(CO) α=1和φ(NOx)α=1，分别简称为CO排放值和NOx排放值。

3 结果与讨论

本文将每一台灶具样本在一个12T天然气样本下的实验测试定义为一个测试工况点，故圆形火孔灶具样本一共有120个测试工况点，条缝形火孔灶具样本一共有130个测试工况点。下面将对所有灶具样本的热效率、CO排放值和NOx排放值分布情况进行分析讨论。其中，各性能分布范围对应的灶具样本占比的计算方法为：该分布范围内对应的测试工况点数量除以对应火孔型式灶具样本的总测试工况点数量。

3.1 热效率

各热效率分布范围对应的灶具样本占比见表3。12台圆形火孔灶具样本中只有13.3%的灶具样本热效率低于50%，而13台条缝形火孔灶具样本中有近25%的灶具样本热效率低于50%。两种火孔型式灶具样本的热效率分布主要集中在50%～52%范围，说明天然气组成变化时，无论是圆形火孔灶具，还是条缝形火孔灶具，灶具热效率变化范围主要落在该区间内。对比高热效率情况时，圆形火孔灶具样本表现显著优于条缝形火孔灶具样本，特别是在热效率高于55%的情况，圆形火孔灶具样本占比超过9%，而条缝形火孔灶具样本占比只有3.1%。

表3 各热效率分布范围对应的灶具样本占比

续表3

3.2 CO排放值

各CO排放值分布范围对应的灶具样本占比见表4。12台圆形火孔灶具样本中有65%的灶具样本CO排放值φ(CO)α=1低于0.05%，13台条缝形火孔灶具样本中有超过50%的灶具样本CO排放值φ(CO)α=1低于0.05%。圆形火孔灶具样本和条缝形火孔灶具样本的CO排放值φ(CO)α=1低于0.1%的比例分别是83.4%和73.8%，说明当天然气组成变化时，无论是圆形火孔灶具，还是条缝形火孔灶具，灶具CO排放值φ(CO)α=1基本在0.1%以下。对比高CO排放值情况时，CO排放值φ(CO)α=1分布在[0.1%, 0.3%)范围内，圆形火孔灶具样本(占比13.3%)表现同样优于条缝形火孔灶具样本(占比23.9%)，虽然在CO排放值φ(CO)α=1高于0.3%情况，圆形火孔灶具样本占比(3.3%)略微高于条缝形火孔灶具样本占比(2.3%)。

表4 各CO排放值分布范围对应的灶具样本占比

3.3 NOx排放值

各NOx排放值分布范围对应的灶具样本占比见表5。12台圆形火孔灶具样本中有近50%的灶具样本的NOx排放值φ(NOx)α=1高于或等于0.006%， NOx排放值φ(NOx)α=1最大达到0.012%，而没有NOx排放值φ(NOx)α=1小于0.003%的测试工况点。相反，条缝形火孔灶具样本集中在低NOx排放值，有超过50%的条缝形火孔灶具样本NOx排放值φ(NOx)α=1低于0.005%，NOx排放值φ(NOx)α=1小于0.003%的灶具样本占比为7.7%；只有11.5%的灶具样本NOx排放值φ(NOx)α=1高于或等于0.006%。从NOx排放值的测试情况来看，当天然气组成变化时，无论是圆形火孔灶具，还是条缝形火孔灶具，灶具NOx排放值φ(NOx)α=1主要分布在0.004%～0.006%范围。

表5 各NOx排放值分布范围对应的灶具样本占比

3.4 性能要求

GB 16410—2007规定，嵌入式家用燃气灶的热效率必须高于50%，CO排放值φ(CO)α=1必须小于0.05%，而没有对NOx排放值做出要求。本节将着重讨论两种火孔型式灶具样本的热效率性能和CO排放性能是否满足GB 16410—2007要求的情况，而不针对NOx排放性能做分析。

定义热效率性能不满足GB 16410—2007要求的灶具样本为热效率不达标样本，定义CO排放性能不满足GB 16410—2007要求的灶具样本为CO不达标样本。并计算每一个12T天然气样本出现不达标样本的占比：热效率不达标样本占比等于出现热效率不达标样本数量除以该火孔型式样本总数量(圆形火孔灶具样本总数量为12，条缝形火孔灶具样本总数量为13)；CO不达标样本占比等于出现CO不达标样本数量除以该火孔型式样本总数量。

10个12T天然气样本热效率不达标样本占比见图3，10个12T天然气样本CO不达标样本占比见图4。其中，4号天然气样本无条缝形火孔灶具样本的热效率不达标，5号天然气样本无圆形火孔灶具样本的热效率不达标。华白数较高的7号天然气样本和9号天然气样本，以及华白数处于中间水平的4号天然气样本，三种天然气样本圆形火孔灶具样本的热效率不达标样本占比高于条缝形火孔灶具样本；其余天然气样本的热效率情况，条缝形火孔灶具样本的热效率不达标样本占比远高于圆形火孔灶具样本，特别是在华白数较小的天然气样本(如1号～3号天然气样本)情况下。除华白数较高的8号天然气外，其余天然气样本的CO排放值测试情况，条缝形火孔灶具样本的CO不达标样本占比高于圆形火孔灶具样本，特别是在华白数较小的天然气样本(如1号～4号天然气样本)情况。

图3 10个12T天然气样本热效率不达标样本占比

图4 10个12T天然气样本CO不达标样本占比

3.5 结果分析

经过上文对各性能实验测试结果数据的分析可见，条缝形火孔灶具样本在天然气组成变化时，热效率和CO排放性能表现并不优于圆形火孔灶具样本，低热效率、高CO排放的测试工况点多；且同一天然气样本情况下，条缝形火孔灶具样本的热效率、CO不达标样本占比高于圆形火孔灶具样本；仅NOx排放性能表现优于圆形火孔灶具样本。

条缝形火孔设计之初，其中一大优势就是利用旋转气流增强传热，从而提高灶具热效率。但通过测试发现，灶具热效率的影响因素复杂，既要考虑如何加强传热，保证供应充足二次空气，也要防止火焰形态被破坏，造成不完全燃烧，导致传热效果不佳，最终影响灶具热效率。虽然条缝形火孔可以使火焰产生旋转气流，增加扰动，提高对流换热强度，但由于火焰气流湍流强度增强同时也会导致二次空气的供给不稳定，易出现不完全燃烧而可能影响灶具热效率。特别是当天然气组成发生变化而导致灶具引射情况发生变化时，采用条缝形火孔的燃烧器，由于旋转气流的存在，头部背压易出现波动，进一步造成一次空气和二次空气供给情况变得更易受影响。

另一方面，随着天然气组成变化，特别是在一些低华白数天然气情况下，很容易使得条缝形火孔灶具由于湍流气流的作用，增强了扰动而使得二次空气供给变差，燃烧不完全，CO排放值升高的同时NOx排放值降低。而圆形火孔为正常射流流动，气流扰动小，对天然气组成变化造成的性能变化表现得更稳定，出现CO不达标的情况较少。

4 结论

通过本文的实验研究，与圆形火孔灶具相比，条缝形火孔灶具虽然通过旋转气流增强了气流扰动，提升了对流换热强度，但在面对天然气组成变化时，更易受天然气组成和特性的影响，气流组织不稳定，二次空气供给变得极易受影响，造成燃烧需要的二次空气供给不稳定，出现不完全燃烧，虽能保证较低的NOx排放值，但会降低灶具热效率并提高CO排放值。当天然气组成变化时，圆形火孔灶具更易保证热效率和CO排放值满足国家标准规定值要求，而条缝形火孔灶具可以保证NOx排放值变化在较小的范围内。