海拔对燃具燃烧性能的影响分析

邓 旭， 周伟业， 司立峰， 华杰锋， 刘文博，韩晓箴， 杨丽杰， 陈德春， 王永康

(1.中国质量认证中心， 北京 100070； 2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司， 天津 300384； 3.云南省燃气计量检测所有限公司， 云南 昆明 650216)

1 概述

在本研究中，研究对象为家用燃气灶(简称燃气灶)、家用燃气快速热水器(简称燃气热水器)。本文中，将在过剩空气系数等于1条件下，干烟气CO体积分数简称为CO体积分数；将在过剩空气系数等于1条件下，干烟气NOx体积分数简称为NOx体积分数。目前燃具的现行产品标准均未规定产品在高海拔地区使用时环境要求、相关项目的特殊检测要求，而且我国绝大部分的燃具生产企业都坐落于低海拔地区，一般未考虑燃具在高海拔地区使用时可能出现的问题。2022年，成都市燃气灶和燃气热水器抽查中不合格项目包括热负荷。2021年，云南省燃气灶抽查结果不合格率25%，不合格项目主要为热负荷、CO体积分数。2016年，贵州省燃气灶抽查结果不合格率达到50%，主要原因是产品的燃烧性能不满足要求。可以看出，上述地区均为海拔较高的地区，产品不合格的原因为生产企业未考虑高海拔影响因素，未按照海拔不同对产品的设计参数进行调整，使得燃具热负荷、CO体积分数等指标不合格，严重威胁消费者的人身安全。因此，为了确定燃具在高低海拔地区使用时差异，开展燃具燃烧性能的试验分析。

2 试验项目和方法

2.1 试验地点

GB 16410—2020《家用燃气灶具》规定试验室的大气压力为81～107 kPa，GB 6932—2015《家用燃气快速热水器》规定试验室的大气压力为86～106 kPa。GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》给出了我国主要城市的海拔，考虑到检测能力，选择海拔为1 891.4 m的昆明市作为高海拔试验地点，海拔为3 m的天津作为低海拔试验地点。

试验中天津环境压力(即大气压力)为101.010～101.300 kPa，环境温度为23.5～25.0 ℃；环境压力和环境温度取试验期间最高值、最低值的平均值，分别为101.155 kPa和24.3 ℃。昆明环境压力为80.790～81.080 kPa，环境温度为22.9～24.1 ℃；环境压力和环境温度取试验期间最高值、最低值的平均值，分别为80.935 kPa和23.5 ℃。

2.2 试验样品

选择燃气灶和燃气热水器2种产品进行试验，试验样品参数见表1。

表1 试验样品参数

燃气灶额定热负荷指左眼燃烧器额定热负荷，右眼燃烧器额定热负荷与左眼燃烧器相同。燃气灶均采用大气式燃烧器，进风方式均为下进风，且风门固定。燃气热水器的燃烧方式均为大气式燃烧，给排气方式均为强制排气式。燃气灶和燃气热水器气源为天然气(12T)时额定压力均为2 kPa，气源为液化石油气(20Y)时额定压力均为2.8 kPa。

2.3 试验项目

结合我国西南地区燃具抽查不合格项目和海拔对燃具影响的理论分析，试验项目选择实测热负荷、CO体积分数、NOx体积分数。

2.4 试验方法

燃气灶试验方法按照GB 16410—2020进行，燃气热水器的试验方法按照GB 6932—2015进行。高、低海拔地区试验使用的天然气(12T)均为纯甲烷，液化石油气(20Y)均为C3H8与C4H10的混合气，C3H8摩尔分数为75%。试验中，热负荷试验均进行2次，试验结果取2次结果的算术平均值。CO体积分数、NOx体积分数的测试状态为额定热负荷状态，待读数稳定后从烟气分析仪读取数据，并按照标准中公式进行计算。

3 试验结果分析

本文中，为了量符号简洁，用H表示低热值。偏差指：在昆明的参数(实测热负荷、CO体积分数、NOx体积分数)减去在天津的参数的差再除以在天津的参数。

3.1 实测热负荷

① 实测热负荷理论偏差

工况i的含义：工况1指低海拔地区，工况2指高海拔地区。笔者认为，在湿式流量计中，燃气达到饱和状态。从湿式流量计出口至喷嘴出口，湿燃气的组成不变。设定喷嘴前的湿燃气温度等于喷嘴后的湿燃气温度，且等于环境温度。

根据伯努利方程可知，通过喷嘴的燃气流量为[1]：

(1)

式中qi——工况i通过喷嘴的燃气流量，m3/s

μ——喷嘴流量系数

A——喷嘴截面积，m2

Δp——喷嘴前后压差(取燃具额定压力)，kPa

ρwet,i——工况i湿燃气密度，kg/m3

由理想气体状态方程可得：

(2)

式中ρ15,wet，i——101.325 kPa、15 ℃下工况i湿燃气密度，kg/m3

patm,i——工况i环境压力，kPa

Tatm,i——工况i环境温度，K

结合式(1)、(2)，实测热负荷计算见下式：

(3)

式中Φi——工况i实测热负荷，kW

H15,wet,i——101.325 kPa、15 ℃下工况i湿燃气低热值，kJ/m3

101.325 kPa、15 ℃下，工况i湿燃气密度、工况i湿燃气低热值计算见下列公式：

ρ15,wet,i=φdry,iρ15,dry+φw,iρ15,w

(4)

H15,wet,i=φdry,iH15,dry

(5)

式中φdry,i——工况i湿燃气中干燃气体积分数

ρ15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃气密度，kg/m3

φw,i——工况i湿燃气中水蒸气体积分数

ρ15,w——101.325 kPa、15 ℃下水蒸气密度，kg/m3

H15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃气低热值，kJ/m3

湿燃气中，干燃气、水蒸气体积分数计算见下列公式：

(6)

φw,i=1-φdry,i

(7)

式中pfw,i——工况i湿式流量计处燃气压力，kPa

pw,i——工况i环境温度下水蒸气饱和压力，kPa

对工况2、工况1，由式(3)可得：

(8)

实测热负荷理论偏差计算见下式：

(9)

式中Vth——实测热负荷理论偏差

令：

(10)

式中ε——中间参数

以天然气燃具为例，实测热负荷对比涉及的技术参数见表2。

将表2中相关参数代入式(8)、(9)，可得使用天然气时，高海拔、低海拔地区实测热负荷之比为0.890 3，实测热负荷理论偏差为-10.97%。将表2中相关参数代入式(10)，可得使用天然气时，中间参数为0.993 9。同理，可计算得到使用液化石油气时，高海拔、低海拔地区实测热负荷之比为0.892 3，实测热负荷理论偏差为-10.77%，中间参数为0.996 2。

表2 实测热负荷对比涉及的技术参数

可见，无论天然气燃具还是液化石油气燃具，中间参数均非常接近1。这说明，在实测热负荷理论偏差的计算中，环境压力、环境温度的直接影响起主要作用，而通过湿燃气密度、湿燃气低热值的间接影响起次要作用。因此，在计算精度要求不高时，可忽略式(9)中湿燃气密度项、湿燃气低热值项，得到实测热负荷近似理论偏差，其计算见下式：

(11)

式中Vth,apr——实测热负荷近似理论偏差

② 实测热负荷实际偏差

表3为实测热负荷试验结果。

表3 实测热负荷试验结果

③ 实测热负荷实际偏差与实测热负荷理论偏差的对比

基于表3数据，得到天然气灶、液化石油气灶、天然气热水器、液化石油气热水器的实测热负荷实际偏差。天然气燃具的实测热负荷实际偏差为-10.90%，液化石油气燃具的实测热负荷实际偏差为-10.43%。天然气燃具的实测热负荷理论偏差为-10.97%，液化石油气燃具的实测热负荷理论偏差为-10.77%。将各样品类型的实测热负荷实际偏差与实测热负荷理论偏差做对比，以实测热负荷理论偏差作为真值，得到二者的相对误差，见表4。

表4 实测热负荷实际偏差与实测热负荷理论偏差的相对误差

由表4可见，各样品类型的实测热负荷实际偏差与实测热负荷理论偏差的相对误差的绝对值小于4%，说明试验结果可靠，也验证了理论的正确性。

3.2 CO体积分数

表5为CO体积分数试验结果。可以看出，对于燃气灶，与天津相比，昆明CO体积分数存在偏高或偏低的现象；对于燃气热水器，昆明CO体积分数均比天津高。

表5 CO体积分数试验结果

原因分析：对于燃气灶，昆明实测热负荷偏低，在昆明试验时试验用锅尺寸与天津不一样。如测试样品Z3的左眼燃烧器和右眼燃烧器时，在昆明试验用锅锅内径为300、320 mm，而在天津试验用锅锅内径为320、340 mm，试验用锅尺寸的差异对CO体积分数影响较大。

对于燃气热水器，燃烧系统为封闭式，燃气燃烧仅与燃气量和空气量有关。以天然气热水器为例进行分析。对于同一台天然气热水器，出厂时技术参数已定，例如不同负荷率对应的风机转速。选取100%负荷率进行分析。在100%负荷率下，在天津、昆明试验时风机转速相同，空气体积流量相同。受试验地点环境压力、环境温度影响，根据理想气体状态方程，试验时昆明空气密度是试验时天津空气密度的0.802倍。因此，在100%负荷率下，对天然气热水器，昆明空气质量流量是天津空气质量流量的0.802倍。根据前文，在100%负荷率下，对天然气热水器，昆明实际实测热负荷是天津实际实测热负荷的0.887倍。可见，与在天津试验相比，在昆明试验空气质量流量下降的幅度超过了实际实测热负荷下降的幅度，导致燃烧需要的氧气供应不足且发生不完全燃烧，CO体积分数升高。

3.3 NOx体积分数

表6为NOx体积分数试验结果。可以看出，由于海拔升高，昆明NOx体积分数呈现明显的下降趋势。燃气灶NOx体积分数下降比例均超过50%，燃气热水器NOx体积分数下降比例在50%左右。

表6 NOx体积分数试验结果

根据前文理论分析和试验结果可知，由于海拔升高，燃具的实测热负荷减小并且空气供给不足，导致燃气不完全燃烧，燃烧热强度和火焰温度降低。根据热力型NOx的影响因素和生成条件可知，NOx体积分数随火焰温度降低而降低。

4 结论

① 高海拔地区燃具实测热负荷下降，与低海拔地区相比，实测热负荷实际偏差与实测热负荷理论偏差非常接近，二者相对误差的绝对值小于4%。实测热负荷理论偏差主要与试验地点的环境压力、环境温度有关。

② 与低海拔地区相比，高海拔地区试验中，天然气燃具实测热负荷偏差为-10.90%，液化石油气燃具实测热负荷偏差为-10.43%；高海拔地区燃气灶CO体积分数由于试验用锅不同而存在偏高或偏低的现象，燃气热水器CO体积分数均偏高；高海拔地区燃气灶NOx体积分数下降比例均超过50%，燃气热水器NOx体积分数下降比例在50%左右。

③ 海拔对燃具实测热负荷、污染物排放量均有较大影响，因此在高海拔地区使用燃具，应充分考虑海拔对燃具燃烧性能的影响。