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 時婷婷 常雪倫

*(國家電投集團科學技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

?(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)

氫能作為零碳燃料，成為世界公認的重要能源載體[1]。然而由于大規(guī)模儲氫成本高、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，目前國內(nèi)對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)標準、國家標準，仍缺乏成熟的應(yīng)用場景和商業(yè)模式。目前天然氣生產(chǎn)、輸運、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，然后實現(xiàn)氫消納是加速化石能源向氫能過渡的有效方案，是一種較好的實現(xiàn)大規(guī)模氫能應(yīng)用及高效運輸氫的方式[2]。同時，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[3]。

天然氣摻氫不僅可以提高天然氣的燃燒效率，擴展天然氣的穩(wěn)定稀燃極限，而且可以減少污染物與碳排放[4]。為了進一步拓寬天然氣摻氫的應(yīng)用范圍，美國、荷蘭、英國等西方國家相繼開展了天然氣摻氫民用示范項目，通過天然氣管網(wǎng)運輸摻氫天然氣應(yīng)用于民用燃氣終端。英國HyDeploy天然氣摻氫示范項目對民用燃氣灶具進行了適應(yīng)性評估，并已向100戶居民供應(yīng)含氫比例20%的摻氫天然氣[5]。美國SoCalGas天然氣摻氫示范計劃到2030年將氫氣摻混比例提升為20%供居民用戶使用[6]。國內(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氣相關(guān)的國家以及行業(yè)標準欠缺，不便于評價燃具使用天然氣摻氫時的性能。對此，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)對不斷變化的市場結(jié)構(gòu)[7]。但在燃氣供應(yīng)系統(tǒng)中這樣做實際上是有很大困難的，因為即使一個氣化率不高的中等城市，也有成千上萬只燃具（這里主要指民用燃具）分散在千家萬戶。不論氣源性質(zhì)發(fā)生長時期的一次性變化還是經(jīng)常反復地變化，從技術(shù)上和經(jīng)濟上都不可能將全部燃燒器逐個更換或重新調(diào)整。因此，以一種燃氣代替另一種燃氣時，必須考慮互換性問題。然而燃氣互換性評估主要來自熱值換算，燃燒特性實測較少，無法根據(jù)燃氣具實際燃燒工況下的測試數(shù)據(jù)論證燃氣互換性。

國家電投集團科學技術(shù)研究院有限公司（簡稱國家電投中央研究院）自2019年開始發(fā)展天然氣摻氫相關(guān)業(yè)務(wù)，在國內(nèi)率先建設(shè)了首例綠電制氫摻混入天然氣管道的輸運示范和終端應(yīng)用示范。2021年，基于朝陽示范項目（20%摻氫）需求和提供的實際場景，系統(tǒng)開展了現(xiàn)役家用燃氣灶具使用摻氫天然氣的燃燒性能測評和現(xiàn)場示范應(yīng)用研究，在模擬廚房場景中驗證民用燃氣具使用摻氫天然氣的適應(yīng)性、安全性和經(jīng)濟性，以解決氫進萬家落地實施中的最后一公里難題。

1 燃氣燃燒特性理論分析

我國絕大部分地區(qū)供應(yīng)的天然氣屬于《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》（GB/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)（燃氣熱負荷參數(shù)）和燃燒勢（燃氣燃燒速度參數(shù)）作為摻氫后互換性的評判依據(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）進行理論計算分析。根據(jù)華白數(shù)和燃燒勢的計算公式計算結(jié)果，得到試驗氣的高華白數(shù)和燃燒勢與摻氫比例的關(guān)系。

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

本文采用CHEMKIN軟件進行高熱值、高華白數(shù)和燃燒勢的計算分析。建立計算模型并驗證其可靠性后，通過該模型計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（以12T測試氣為基準），其中高華白數(shù)和燃燒勢選用燃氣的高熱值參數(shù)進行計算，所得結(jié)果如表1。將計算結(jié)果作圖整理，得到試驗氣的高熱值、高華白數(shù)和燃燒勢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

按照國標《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》GB/T 13611—2006，我國典型燃氣灶具適用的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)作為燃氣互換的判定標準，當摻混氫氣比例在30%時仍然具有互換性；從圖1(b)中可以看出，如果以高熱值作為燃氣互換的判定標準，當摻混氫氣比例在23%時仍然具有互換性；但是互換性應(yīng)該同時滿足燃燒勢的要求范圍，從圖1(c)中可以看出，理論分析結(jié)果表明，當12T天然氣中的氫氣比例低于21%時，滿足互換標準。在摻混氫氣比例小于21%的標準下，摻混氣的高華白數(shù)、高熱值和燃燒勢將都處于適合置換范圍之內(nèi)。重慶大學的學者對摻氫天然氣的燃燒特性參數(shù)也進行了理論計算（表2），結(jié)果顯示最高摻氫比例可以達到23%[10]。該結(jié)果存在差異的原因考慮為參數(shù)計算方法不同。相比于采用甲烷熱值與氫氣熱值按摻混比例加權(quán)后計算摻混氣熱值的方法，本文通過GRI3.0甲烷摻氫燃燒機理計算燃氣的熱值與相對密度，工況設(shè)置為室溫298 K，1個大氣壓。由此看出，理論分析結(jié)論具有一定的參考性，但燃氣具燃燒特性復雜，需要進一步通過實驗測試開展系統(tǒng)驗證。

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

2 實驗測試評價

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，是一種相當先進的燃料。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，可以降低混合燃氣的最小點火能量、增大火焰擴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致燃燒過程出現(xiàn)問題，甚至危及到燃氣系統(tǒng)的安全運行。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一步通過實驗進行研究驗證。對此，國家電投中央研究院聯(lián)合西安交通大學針對民用燃氣終端開展一系列實驗測試，包括民用燃氣灶具、燃氣熱水器，以論證現(xiàn)有燃氣具不做任何改變的前提下使用摻氫天然氣的適應(yīng)性與可行性。實驗氣特征參數(shù)如表3所示。

表3 實驗氣特征參數(shù)Table 3 Character parameters of experimental gas

2.1 燃氣灶具

實驗所用燃氣灶具為美的家用燃氣灶（產(chǎn)品型號：JZT-QW50）。利用西安交通大學GB 16410燃氣灶具測試平臺對摻氫甲烷（0%，10%，20% H2）進行測試，該平臺由燃氣灶、標準鍋、濕式流量計、計算機、減壓閥、壓力表、伺服電機、攪拌器和溫度探針等組成，可開展使用摻氫天然氣的性能評價主要包括氣密性試驗、熱負荷測試、燃燒工況試驗、溫升試驗、安全裝置試驗、使用性能試驗、排放性能試驗。熱負荷測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 燃氣灶具熱負荷測試數(shù)據(jù)表Table 4 Heat load test data of gas stove

燃氣灶具測試結(jié)果總結(jié)如下。

2 .1.1 氣密性測試

燃氣入口到燃燒器火孔前各部位無漏氣現(xiàn)象，燃氣通路氣密性良好。

2 .1.2 熱負荷測試

每個燃燒器的實測折算熱負荷與額定熱負荷的偏差在±10%以內(nèi)，灶具熱負荷滿足國標要求。

2 .1.3 燃燒工況測試

燃燒分為有火焰和無火焰兩種方式，火焰又可分為預混火焰和非預混火焰[13]。實驗所用燃氣具設(shè)計為部分預混燃燒方式。部分預混火焰由內(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。

對于甲烷和摻氫甲烷，燃燒器在4 s以內(nèi)均能著火，無爆燃，無離焰，無熄火，無回火（如圖2所示），燃燒工況基本滿足國標要求。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?？傮w而言，摻混20%氫氣對灶具火焰影響不大。

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 溫升測試

溫升測試數(shù)據(jù)見表5。從溫度采集的數(shù)據(jù)中看出，底板溫升整體來說較低。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。整體上來說各部位溫升正常，滿足國標要求。

表5 燃氣灶具溫升測試數(shù)據(jù)表Table 5 Temperature rise test data of gas stove

2 .1.5 熱效率測試

實測熱效率為計算所得，計算公式為

需要測得參數(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；實際加水量與鋁鍋換算當量加水量之和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℃；實測耗氣量V耗，單位m3；15 ℃下、一個標準大氣壓下實驗氣低熱值Q1實，單位MJ/m3；測定時燃氣流量計內(nèi)燃氣溫度tg，單位℃；實驗時的大氣壓力Pamb，單位kPa；實驗燃氣流量計內(nèi)燃氣相對靜壓力Pm，單位kPa；溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力S，單位kPa。

燃氣灶具搭配的為標準委員會指定標準鍋，對于確定內(nèi)徑的標準鍋，其配套的相關(guān)配件質(zhì)量已知。實驗所用燃氣灶具測試平臺較為智能，以上計算內(nèi)容由平臺自身完成。

整體上來說，隨著摻氫比的下降，將會導致熱效率降低。對于甲烷和摻氫甲烷，灶具熱效率均大于60%，滿足國標要求。

2 .1.6 排放測試

排放測試數(shù)據(jù)見表6。可以看出，當改變?nèi)細庵袣錃獾谋壤龝r，廢氣中CO濃度隨摻氫比例的增加而降低。

表6 燃氣灶具熱效率及排放測試數(shù)據(jù)Table 6 Thermal efficiency and emission of gas stove

2.2 燃氣熱水器

實驗所用燃氣熱水器為美的家用熱水燃氣快速熱水器（產(chǎn)品型號：JSQ30-16HTL8）。利用西安交通大學GB 6932燃氣熱水器測試平臺對摻氫甲烷（0，10%，20% H2）進行測試，該平臺由燃氣熱水器，濕式流量計，計算機，減壓閥，壓力表和熱電偶等組成，可開展使用摻氫天然氣的性能評價主要包括燃氣系統(tǒng)氣密性試驗、熱負荷測試、燃燒工況試驗、熱水性能試驗、排放性能試驗評價。

燃氣熱水器測試結(jié)果如下。

2 .2.1 燃氣系統(tǒng)氣密性試驗

燃氣進口到燃燒器火孔前各部位無漏氣現(xiàn)象，燃氣通路氣密性良好。

2 .2.2 燃燒工況試驗

點燃一處火孔后，火焰在2 s內(nèi)傳遍所有火孔，無爆燃現(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標要求。

2 .2.3 熱負荷測試

熱負荷測試數(shù)據(jù)見表7。整體來說實測折算熱負荷與額定熱負荷偏差小于10 %，熱水器熱負荷滿足國標要求。

表7 燃氣熱水器熱負荷及排放測試數(shù)據(jù)Table 7 Heat input and emission test data of gas water heater

2 .2.4 熱水性能試驗

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

綜合測試可以得出，在實驗所測民用燃氣終端中，使用摻氫比例為20%的摻氫天然氣是可行的。

3 現(xiàn)場示范測試

2021年，朝陽燕山湖發(fā)電有限公司聯(lián)合國家電投中央研究院在遼寧朝陽開展民用天然氣摻氫示范，并于10月邀請國內(nèi)近20家能源和燃氣企業(yè)共同見證了摻氫天然氣（含氫比例10%）在民用燃氣具上的成功點火和食物烹飪（如圖3所示），這代表著氫能的綜合利用向“氫進萬家”又邁出了堅實的一步，也為后續(xù)推動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

該示范項目于2021年5月開始籌備，基于上文所述實驗室測試結(jié)果分析民用摻氫可行性。由北京市煤氣熱力工程設(shè)計院出具模擬廚房場景的燃氣管路和安全監(jiān)測設(shè)計方案，由美的和萬和集團提供示范所用燃氣具，包括燃氣灶具、燃氣熱水器和燃氣壁掛爐，歷時3個月建設(shè)完成投入使用。民用模擬廚房中設(shè)有7 臺燃氣具，包括2 臺熱水器、2 臺壁掛爐和 3 臺燃氣灶。示范過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）針對民用燃氣灶具和燃氣熱水器通過理論分析、實驗測試和示范驗證相結(jié)合的多重手段，獲得了摻氫天然氣燃燒特性參數(shù)理論計算數(shù)據(jù)，基于燃氣灶具和燃氣熱水器的國家標準中要求的實驗測試內(nèi)容驗證其使用摻氫天然氣的適應(yīng)性和安全性，摻氫20%時各項測試均基本符合國標要求。

（2）在實驗室測試基礎(chǔ)上通過模擬民用廚房的示范應(yīng)用，驗證了民用燃氣具點火安全性。最終綜合上述分析數(shù)據(jù)，確定了燃氣具不做任何調(diào)整的前提下可以使用含氫比例不超過20%的摻氫天然氣。

由于燃氣具種類繁多且使用條件和狀態(tài)不盡相同，因此某一個燃氣具使用摻氫天然氣的評價測試結(jié)果并不能代表該類燃氣具的使用特性。文中所述測試方法和數(shù)據(jù)結(jié)論可為燃氣具特性評價相關(guān)標準的制定提供參考。