家用燃?xì)饩邔?duì)摻氫天然氣的適用性評(píng)估與示范應(yīng)用1)

楊沐村 劉 偉 孫 晨 ,2) 于文濤 魯仰輝 劉泓芳 安振華 王金華 蘭雪影 時(shí)婷婷 常雪倫

*(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

?(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

氫能作為零碳燃料，成為世界公認(rèn)的重要能源載體[1]。然而由于大規(guī)模儲(chǔ)氫成本高、氫燃料電池技術(shù)不成熟、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施不完善、氫安全的不確定性，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于氫能的利用尚存在局限性，主要聚焦在交通領(lǐng)域。在工業(yè)和民用領(lǐng)域，由于缺少相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，仍缺乏成熟的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式。目前天然氣生產(chǎn)、輸運(yùn)、供給以及終端使用系統(tǒng)已較為完善，利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫，然后實(shí)現(xiàn)氫消納是加速化石能源向氫能過(guò)渡的有效方案，是一種較好的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模氫能應(yīng)用及高效運(yùn)輸氫的方式[2]。同時(shí)，天然氣摻氫的研究和應(yīng)用可以為氫燃料的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)[3]。

天然氣摻氫不僅可以提高天然氣的燃燒效率，擴(kuò)展天然氣的穩(wěn)定稀燃極限，而且可以減少污染物與碳排放[4]。為了進(jìn)一步拓寬天然氣摻氫的應(yīng)用范圍，美國(guó)、荷蘭、英國(guó)等西方國(guó)家相繼開(kāi)展了天然氣摻氫民用示范項(xiàng)目，通過(guò)天然氣管網(wǎng)運(yùn)輸摻氫天然氣應(yīng)用于民用燃?xì)饨K端。英國(guó)HyDeploy天然氣摻氫示范項(xiàng)目對(duì)民用燃?xì)庠罹哌M(jìn)行了適應(yīng)性評(píng)估，并已向100戶居民供應(yīng)含氫比例20%的摻氫天然氣[5]。美國(guó)SoCalGas天然氣摻氫示范計(jì)劃到2030年將氫氣摻混比例提升為20%供居民用戶使用[6]。國(guó)內(nèi)尚未有天然氣摻氫入戶的先例。依托現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)將摻混氫氣的天然氣輸送至居民家庭，通過(guò)燃具燃燒利用是消納氫氣的行之有效的方法，但是目前天然氣摻氫燃具以及天然氣摻氫燃?xì)庀嚓P(guān)的國(guó)家以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)欠缺，不便于評(píng)價(jià)燃具使用天然氣摻氫時(shí)的性能。對(duì)此，有人建議必須使用能夠使用天然氣和可再生燃料的所有混合燃料的燃燒器頭，以應(yīng)對(duì)不斷變化的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)[7]。但在燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中這樣做實(shí)際上是有很大困難的，因?yàn)榧词挂粋€(gè)氣化率不高的中等城市，也有成千上萬(wàn)只燃具（這里主要指民用燃具）分散在千家萬(wàn)戶。不論氣源性質(zhì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)期的一次性變化還是經(jīng)常反復(fù)地變化，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都不可能將全部燃燒器逐個(gè)更換或重新調(diào)整。因此，以一種燃?xì)獯媪硪环N燃?xì)鈺r(shí)，必須考慮互換性問(wèn)題。然而燃?xì)饣Q性評(píng)估主要來(lái)自熱值換算，燃燒特性實(shí)測(cè)較少，無(wú)法根據(jù)燃?xì)饩邔?shí)際燃燒工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)論證燃?xì)饣Q性。

國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)家電投中央研究院）自2019年開(kāi)始發(fā)展天然氣摻氫相關(guān)業(yè)務(wù)，在國(guó)內(nèi)率先建設(shè)了首例綠電制氫摻混入天然氣管道的輸運(yùn)示范和終端應(yīng)用示范。2021年，基于朝陽(yáng)示范項(xiàng)目（20%摻氫）需求和提供的實(shí)際場(chǎng)景，系統(tǒng)開(kāi)展了現(xiàn)役家用燃?xì)庠罹呤褂脫綒涮烊粴獾娜紵阅軠y(cè)評(píng)和現(xiàn)場(chǎng)示范應(yīng)用研究，在模擬廚房場(chǎng)景中驗(yàn)證民用燃?xì)饩呤褂脫綒涮烊粴獾倪m應(yīng)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，以解決氫進(jìn)萬(wàn)家落地實(shí)施中的最后一公里難題。

1 燃?xì)馊紵匦岳碚摲治?/h2>

我國(guó)絕大部分地區(qū)供應(yīng)的天然氣屬于《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴罚℅B/T 13611—2006）中規(guī)定的12T天然氣，因此，以12T天然氣的高熱值、高華白數(shù)（燃?xì)鉄嶝?fù)荷參數(shù)）和燃燒勢(shì)（燃?xì)馊紵俣葏?shù)）作為摻氫后互換性的評(píng)判依據(jù)，從而確定在天然氣中摻氫的最高比例[8-9]。由于各地氣源成分不同，且主要成分為甲烷（CH4），本文以表1中的純甲烷為基礎(chǔ)氣（忽略0.1%微量雜質(zhì)的影響）進(jìn)行理論計(jì)算分析。根據(jù)華白數(shù)和燃燒勢(shì)的計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果，得到試驗(yàn)氣的高華白數(shù)和燃燒勢(shì)與摻氫比例的關(guān)系。

表1 試驗(yàn)氣種類和性質(zhì)Table 1 type and properties of test gas

本文采用CHEMKIN軟件進(jìn)行高熱值、高華白數(shù)和燃燒勢(shì)的計(jì)算分析。建立計(jì)算模型并驗(yàn)證其可靠性后，通過(guò)該模型計(jì)算多種含氫比例的摻氫天然氣的高熱值、高華白數(shù)和燃燒勢(shì)（以12T測(cè)試氣為基準(zhǔn)），其中高華白數(shù)和燃燒勢(shì)選用燃?xì)獾母邿嶂祬?shù)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如表1。將計(jì)算結(jié)果作圖整理，得到試驗(yàn)氣的高熱值、高華白數(shù)和燃燒勢(shì)與氫氣摻混比例的關(guān)系圖，如圖1。

圖1 (a) 高華白數(shù)，(b) 高熱值和 (c) 燃燒勢(shì)與氫氣摻混比例關(guān)系Fig.1 Relation of hydrogen ration and (a) high Wobbe number, (b) high heating value and (c) combustion potential

按照國(guó)標(biāo)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴稧B/T 13611—2006，我國(guó)典型燃?xì)庠罹哌m用的12T天然氣，其高華白數(shù)范圍是45.67～54.78 MJ/m3，其高熱值范圍為31.9～43.57 MJ/m3，其燃燒勢(shì)范圍為36.3～69.3。從圖1(a)中可以看出，如果以高華白數(shù)作為燃?xì)饣Q的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)摻混氫氣比例在30%時(shí)仍然具有互換性；從圖1(b)中可以看出，如果以高熱值作為燃?xì)饣Q的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)摻混氫氣比例在23%時(shí)仍然具有互換性；但是互換性應(yīng)該同時(shí)滿足燃燒勢(shì)的要求范圍，從圖1(c)中可以看出，理論分析結(jié)果表明，當(dāng)12T天然氣中的氫氣比例低于21%時(shí)，滿足互換標(biāo)準(zhǔn)。在摻混氫氣比例小于21%的標(biāo)準(zhǔn)下，摻混氣的高華白數(shù)、高熱值和燃燒勢(shì)將都處于適合置換范圍之內(nèi)。重慶大學(xué)的學(xué)者對(duì)摻氫天然氣的燃燒特性參數(shù)也進(jìn)行了理論計(jì)算（表2），結(jié)果顯示最高摻氫比例可以達(dá)到23%[10]。該結(jié)果存在差異的原因考慮為參數(shù)計(jì)算方法不同。相比于采用甲烷熱值與氫氣熱值按摻混比例加權(quán)后計(jì)算摻混氣熱值的方法，本文通過(guò)GRI3.0甲烷摻氫燃燒機(jī)理計(jì)算燃?xì)獾臒嶂蹬c相對(duì)密度，工況設(shè)置為室溫298 K，1個(gè)大氣壓。由此看出，理論分析結(jié)論具有一定的參考性，但燃?xì)饩呷紵匦詮?fù)雜，需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試開(kāi)展系統(tǒng)驗(yàn)證。

表2 特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of characteristic parameters

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)

氫氣和天然氣、汽油等一樣，都能作為燃料被使用，并且氫的可燃極限寬，著火濃度低，在稀燃狀態(tài)下也能正常燃燒，是一種相當(dāng)先進(jìn)的燃料。但由于氫的爆炸極限較低，在民用燃具方面的應(yīng)用還較少。在管道天然氣中混入氫氣，可以降低混合燃?xì)獾淖钚↑c(diǎn)火能量、增大火焰擴(kuò)散速率以及提高火焰溫度。但由于氫氣和甲烷的燃燒特性差異較大，氫氣的火焰擴(kuò)散速率高，容易發(fā)生回火等不穩(wěn)定現(xiàn)象[11-12]。直接在民用燃具中使用可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，甚至危及到燃?xì)庀到y(tǒng)的安全運(yùn)行。為確保終端用戶的安全，將摻氫天然氣應(yīng)用到民用燃具中的安全性需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究驗(yàn)證。對(duì)此，國(guó)家電投中央研究院聯(lián)合西安交通大學(xué)針對(duì)民用燃?xì)饨K端開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括民用燃?xì)庠罹摺⑷細(xì)鉄崴?，以論證現(xiàn)有燃?xì)饩卟蛔鋈魏胃淖兊那疤嵯率褂脫綒涮烊粴獾倪m應(yīng)性與可行性。實(shí)驗(yàn)氣特征參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)氣特征參數(shù)Table 3 Character parameters of experimental gas

2.1 燃?xì)庠罹?/h3>

實(shí)驗(yàn)所用燃?xì)庠罹邽槊赖募矣萌細(xì)庠睿óa(chǎn)品型號(hào)：JZT-QW50）。利用西安交通大學(xué)GB 16410燃?xì)庠罹邷y(cè)試平臺(tái)對(duì)摻氫甲烷（0%，10%，20% H2）進(jìn)行測(cè)試，該平臺(tái)由燃?xì)庠睢?biāo)準(zhǔn)鍋、濕式流量計(jì)、計(jì)算機(jī)、減壓閥、壓力表、伺服電機(jī)、攪拌器和溫度探針等組成，可開(kāi)展使用摻氫天然氣的性能評(píng)價(jià)主要包括氣密性試驗(yàn)、熱負(fù)荷測(cè)試、燃燒工況試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、安全裝置試驗(yàn)、使用性能試驗(yàn)、排放性能試驗(yàn)。熱負(fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 燃?xì)庠罹邿嶝?fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 4 Heat load test data of gas stove

燃?xì)庠罹邷y(cè)試結(jié)果總結(jié)如下。

2 .1.1 氣密性測(cè)試

燃?xì)馊肟诘饺紵骰鹂浊案鞑课粺o(wú)漏氣現(xiàn)象，燃?xì)馔窔饷苄粤己谩?/p>

2 .1.2 熱負(fù)荷測(cè)試

每個(gè)燃燒器的實(shí)測(cè)折算熱負(fù)荷與額定熱負(fù)荷的偏差在±10%以內(nèi)，灶具熱負(fù)荷滿足國(guó)標(biāo)要求。

2 .1.3 燃燒工況測(cè)試

燃燒分為有火焰和無(wú)火焰兩種方式，火焰又可分為預(yù)混火焰和非預(yù)混火焰[13]。實(shí)驗(yàn)所用燃?xì)饩咴O(shè)計(jì)為部分預(yù)混燃燒方式。部分預(yù)混火焰由內(nèi)焰和外焰兩部分組成，內(nèi)焰焰面是一明亮的界面，呈藍(lán)綠色；外焰的明亮度較內(nèi)焰弱，但在暗處也能明顯看出火焰。

對(duì)于甲烷和摻氫甲烷，燃燒器在4 s以內(nèi)均能著火，無(wú)爆燃，無(wú)離焰，無(wú)熄火，無(wú)回火（如圖2所示），燃燒工況基本滿足國(guó)標(biāo)要求。摻混氫氣之后，由于氫氣燃燒需要的氧氣含量更少，使得火焰高度略有降低，但總體上與純甲烷工況一致。此外，隨著氫氣摻混比的增大，火焰的顏色更加偏藍(lán)?？傮w而言，摻混20%氫氣對(duì)灶具火焰影響不大。

圖2 不同摻氫比例條件下的灶具火焰Fig.2 Combustion flame under different hydrogen ratio conditions

2 .1.4 溫升測(cè)試

溫升測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。從溫度采集的數(shù)據(jù)中看出，底板溫升整體來(lái)說(shuō)較低。燃料為純甲烷在前板中有最高的溫升，且最高溫升隨著摻氫比增加而降低。隨著摻氫比變化，使得最高溫升位置發(fā)生變化。整體上來(lái)說(shuō)各部位溫升正常，滿足國(guó)標(biāo)要求。

表5 燃?xì)庠罹邷厣郎y(cè)試數(shù)據(jù)表Table 5 Temperature rise test data of gas stove

2 .1.5 熱效率測(cè)試

實(shí)測(cè)熱效率為計(jì)算所得，計(jì)算公式為

需要測(cè)得參數(shù)為：加入鍋中的水質(zhì)量m1，單位kg；鋁鍋的質(zhì)量（含蓋子和攪拌器）m2；實(shí)際加水量與鋁鍋換算當(dāng)量加水量之和m，單位為kg；水的比熱容c；水的初溫t1，單位℃；水的終溫t2，單位℃；實(shí)測(cè)耗氣量V耗，單位m3；15 ℃下、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下實(shí)驗(yàn)氣低熱值Q1實(shí)，單位MJ/m3；測(cè)定時(shí)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)燃?xì)鉁囟萾g，單位℃；實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓力Pamb，單位kPa；實(shí)驗(yàn)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)燃?xì)庀鄬?duì)靜壓力Pm，單位kPa；溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力S，單位kPa。

燃?xì)庠罹叽钆涞臑闃?biāo)準(zhǔn)委員會(huì)指定標(biāo)準(zhǔn)鍋，對(duì)于確定內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)鍋，其配套的相關(guān)配件質(zhì)量已知。實(shí)驗(yàn)所用燃?xì)庠罹邷y(cè)試平臺(tái)較為智能，以上計(jì)算內(nèi)容由平臺(tái)自身完成。

整體上來(lái)說(shuō)，隨著摻氫比的下降，將會(huì)導(dǎo)致熱效率降低。對(duì)于甲烷和摻氫甲烷，灶具熱效率均大于60%，滿足國(guó)標(biāo)要求。

2 .1.6 排放測(cè)試

排放測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6?？梢钥闯?，當(dāng)改變?nèi)細(xì)庵袣錃獾谋壤龝r(shí)，廢氣中CO濃度隨摻氫比例的增加而降低。

表6 燃?xì)庠罹邿嵝始芭欧艤y(cè)試數(shù)據(jù)Table 6 Thermal efficiency and emission of gas stove

2.2 燃?xì)鉄崴?/h3>

實(shí)驗(yàn)所用燃?xì)鉄崴鳛槊赖募矣脽崴細(xì)饪焖贌崴鳎óa(chǎn)品型號(hào)：JSQ30-16HTL8）。利用西安交通大學(xué)GB 6932燃?xì)鉄崴鳒y(cè)試平臺(tái)對(duì)摻氫甲烷（0，10%，20% H2）進(jìn)行測(cè)試，該平臺(tái)由燃?xì)鉄崴?，濕式流量?jì)，計(jì)算機(jī)，減壓閥，壓力表和熱電偶等組成，可開(kāi)展使用摻氫天然氣的性能評(píng)價(jià)主要包括燃?xì)庀到y(tǒng)氣密性試驗(yàn)、熱負(fù)荷測(cè)試、燃燒工況試驗(yàn)、熱水性能試驗(yàn)、排放性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

燃?xì)鉄崴鳒y(cè)試結(jié)果如下。

2 .2.1 燃?xì)庀到y(tǒng)氣密性試驗(yàn)

燃?xì)膺M(jìn)口到燃燒器火孔前各部位無(wú)漏氣現(xiàn)象，燃?xì)馔窔饷苄粤己谩?/p>

2 .2.2 燃燒工況試驗(yàn)

點(diǎn)燃一處火孔后，火焰在2 s內(nèi)傳遍所有火孔，無(wú)爆燃現(xiàn)象，火焰清晰、均勻，不發(fā)生回火、熄火及妨礙使用的離焰現(xiàn)象，燃燒工況基本滿足國(guó)標(biāo)要求。

2 .2.3 熱負(fù)荷測(cè)試

熱負(fù)荷測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。整體來(lái)說(shuō)實(shí)測(cè)折算熱負(fù)荷與額定熱負(fù)荷偏差小于10 %，熱水器熱負(fù)荷滿足國(guó)標(biāo)要求。

表7 燃?xì)鉄崴鳠嶝?fù)荷及排放測(cè)試數(shù)據(jù)Table 7 Heat input and emission test data of gas water heater

2 .2.4 熱水性能試驗(yàn)

對(duì)于甲烷和摻氫甲烷，額定負(fù)荷熱效率均大于90%，額定負(fù)荷熱水產(chǎn)率均大于90%，熱水溫升均小于60 K，停水溫升均小于18 K，加熱時(shí)間均小于35 s，熱水溫度穩(wěn)定時(shí)間均小于60 s，水溫超調(diào)幅度在±5℃以內(nèi)，顯示精度在±3℃以內(nèi)；水溫波動(dòng)在±3℃以內(nèi)，熱水性能基本滿足國(guó)標(biāo)要求。

綜合測(cè)試可以得出，在實(shí)驗(yàn)所測(cè)民用燃?xì)饨K端中，使用摻氫比例為20%的摻氫天然氣是可行的。

3 現(xiàn)場(chǎng)示范測(cè)試

2021年，朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司聯(lián)合國(guó)家電投中央研究院在遼寧朝陽(yáng)開(kāi)展民用天然氣摻氫示范，并于10月邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)近20家能源和燃?xì)馄髽I(yè)共同見(jiàn)證了摻氫天然氣（含氫比例10%）在民用燃?xì)饩呱系某晒c(diǎn)火和食物烹飪（如圖3所示），這代表著氫能的綜合利用向“氫進(jìn)萬(wàn)家”又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，也為后續(xù)推動(dòng)天然氣摻氫管道輸送技術(shù)普及奠定了重要基礎(chǔ)。

圖3 富氫灶具煮餃子Fig.3 Cooking dumplings by hydrogen-blended stove

該示范項(xiàng)目于2021年5月開(kāi)始籌備，基于上文所述實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析民用摻氫可行性。由北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院出具模擬廚房場(chǎng)景的燃?xì)夤苈泛桶踩O(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，由美的和萬(wàn)和集團(tuán)提供示范所用燃?xì)饩?，包括燃?xì)庠罹?、燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獗趻鞝t，歷時(shí)3個(gè)月建設(shè)完成投入使用。民用模擬廚房中設(shè)有7 臺(tái)燃?xì)饩?，包? 臺(tái)熱水器、2 臺(tái)壁掛爐和 3 臺(tái)燃?xì)庠?。示范過(guò)程中使用摻氫比例為10%的摻氫天然氣。

4 結(jié)論與展望

本文分析并驗(yàn)證了民用天然氣摻氫的可行性，得到關(guān)鍵結(jié)論如下。

（1）針對(duì)民用燃?xì)庠罹吆腿細(xì)鉄崴魍ㄟ^(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和示范驗(yàn)證相結(jié)合的多重手段，獲得了摻氫天然氣燃燒特性參數(shù)理論計(jì)算數(shù)據(jù)，基于燃?xì)庠罹吆腿細(xì)鉄崴鞯膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求的實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容驗(yàn)證其使用摻氫天然氣的適應(yīng)性和安全性，摻氫20%時(shí)各項(xiàng)測(cè)試均基本符合國(guó)標(biāo)要求。

（2）在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試基礎(chǔ)上通過(guò)模擬民用廚房的示范應(yīng)用，驗(yàn)證了民用燃?xì)饩唿c(diǎn)火安全性。最終綜合上述分析數(shù)據(jù)，確定了燃?xì)饩卟蛔鋈魏握{(diào)整的前提下可以使用含氫比例不超過(guò)20%的摻氫天然氣。

由于燃?xì)饩叻N類繁多且使用條件和狀態(tài)不盡相同，因此某一個(gè)燃?xì)饩呤褂脫綒涮烊粴獾脑u(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果并不能代表該類燃?xì)饩叩氖褂锰匦?。文中所述測(cè)試方法和數(shù)據(jù)結(jié)論可為燃?xì)饩咛匦栽u(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。