鄧 旭， 周偉業(yè)， 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(zhì)量認(rèn)證中心， 北京 100070； 2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 天津 300384； 3.云南省燃?xì)庥?jì)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?xì)庠?簡稱燃?xì)庠?、家用燃?xì)饪焖贌崴?簡稱燃?xì)鉄崴?。本文中，將在過?？諝庀禂?shù)等于1條件下，干煙氣CO體積分?jǐn)?shù)簡稱為CO體積分?jǐn)?shù)；將在過?？諝庀禂?shù)等于1條件下，干煙氣NOx體積分?jǐn)?shù)簡稱為NOx體積分?jǐn)?shù)。目前燃具的現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)均未規(guī)定產(chǎn)品在高海拔地區(qū)使用時環(huán)境要求、相關(guān)項(xiàng)目的特殊檢測要求，而且我國絕大部分的燃具生產(chǎn)企業(yè)都坐落于低海拔地區(qū)，一般未考慮燃具在高海拔地區(qū)使用時可能出現(xiàn)的問題。2022年，成都市燃?xì)庠詈腿細(xì)鉄崴鞒椴橹胁缓细耥?xiàng)目包括熱負(fù)荷。2021年，云南省燃?xì)庠畛椴榻Y(jié)果不合格率25%，不合格項(xiàng)目主要為熱負(fù)荷、CO體積分?jǐn)?shù)。2016年，貴州省燃?xì)庠畛椴榻Y(jié)果不合格率達(dá)到50%，主要原因是產(chǎn)品的燃燒性能不滿足要求。可以看出，上述地區(qū)均為海拔較高的地區(qū)，產(chǎn)品不合格的原因?yàn)樯a(chǎn)企業(yè)未考慮高海拔影響因素，未按照海拔不同對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得燃具熱負(fù)荷、CO體積分?jǐn)?shù)等指標(biāo)不合格，嚴(yán)重威脅消費(fèi)者的人身安全。因此，為了確定燃具在高低海拔地區(qū)使用時差異，開展燃具燃燒性能的試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目和方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定試驗(yàn)室的大氣壓力為81～107 kPa，GB 6932—2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌芬?guī)定試驗(yàn)室的大氣壓力為86～106 kPa。GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)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(yàn)地點(diǎn)，海拔為3 m的天津作為低海拔試驗(yàn)地點(diǎn)。

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

選擇燃?xì)庠詈腿細(xì)鉄崴?種產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣品參數(shù)

燃?xì)庠铑~定熱負(fù)荷指左眼燃燒器額定熱負(fù)荷，右眼燃燒器額定熱負(fù)荷與左眼燃燒器相同。燃?xì)庠罹捎么髿馐饺紵?，進(jìn)風(fēng)方式均為下進(jìn)風(fēng)，且風(fēng)門固定。燃?xì)鉄崴鞯娜紵绞骄鶠榇髿馐饺紵?，給排氣方式均為強(qiáng)制排氣式。燃?xì)庠詈腿細(xì)鉄崴鳉庠礊樘烊粴?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(yàn)項(xiàng)目

結(jié)合我國西南地區(qū)燃具抽查不合格項(xiàng)目和海拔對燃具影響的理論分析，試驗(yàn)項(xiàng)目選擇實(shí)測熱負(fù)荷、CO體積分?jǐn)?shù)、NOx體積分?jǐn)?shù)。

2.4 試驗(yàn)方法

燃?xì)庠钤囼?yàn)方法按照GB 16410—2020進(jìn)行，燃?xì)鉄崴鞯脑囼?yàn)方法按照GB 6932—2015進(jìn)行。高、低海拔地區(qū)試驗(yàn)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?jǐn)?shù)為75%。試驗(yàn)中，熱負(fù)荷試驗(yàn)均進(jìn)行2次，試驗(yàn)結(jié)果取2次結(jié)果的算術(shù)平均值。CO體積分?jǐn)?shù)、NOx體積分?jǐn)?shù)的測試狀態(tài)為額定熱負(fù)荷狀態(tài)，待讀數(shù)穩(wěn)定后從煙氣分析儀讀取數(shù)據(jù)，并按照標(biāo)準(zhǔn)中公式進(jìn)行計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)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(shù)(實(shí)測熱負(fù)荷、CO體積分?jǐn)?shù)、NOx體積分?jǐn)?shù))減去在天津的參數(shù)的差再除以在天津的參數(shù)。

3.1 實(shí)測熱負(fù)荷

① 實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差

工況i的含義：工況1指低海拔地區(qū)，工況2指高海拔地區(qū)。筆者認(rèn)為，在濕式流量計(jì)中，燃?xì)膺_(dá)到飽和狀態(tài)。從濕式流量計(jì)出口至噴嘴出口，濕燃?xì)獾慕M成不變。設(shè)定噴嘴前的濕燃?xì)鉁囟鹊扔趪娮旌蟮臐袢細(xì)鉁囟?，且等于環(huán)境溫度。

根據(jù)伯努利方程可知，通過噴嘴的燃?xì)饬髁繛閇1]：

(1)

式中qi——工況i通過噴嘴的燃?xì)饬髁浚琺3/s

μ——噴嘴流量系數(shù)

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?xì)饷芏?，kg/m3

由理想氣體狀態(tài)方程可得：

(2)

式中ρ15,wet，i——101.325 kPa、15 ℃下工況i濕燃?xì)饷芏?，kg/m3

patm,i——工況i環(huán)境壓力，kPa

Tatm,i——工況i環(huán)境溫度，K

結(jié)合式(1)、(2)，實(shí)測熱負(fù)荷計(jì)算見下式：

(3)

式中Φi——工況i實(shí)測熱負(fù)荷，kW

H15,wet,i——101.325 kPa、15 ℃下工況i濕燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3

101.325 kPa、15 ℃下，工況i濕燃?xì)饷芏?、工況i濕燃?xì)獾蜔嶂涤?jì)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?xì)庵懈扇細(xì)怏w積分?jǐn)?shù)

ρ15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃?xì)饷芏?，kg/m3

φw,i——工況i濕燃?xì)庵兴魵怏w積分?jǐn)?shù)

ρ15,w——101.325 kPa、15 ℃下水蒸氣密度，kg/m3

H15,dry——101.325 kPa、15 ℃下干燃?xì)獾蜔嶂担琸J/m3

濕燃?xì)庵?，干燃?xì)狻⑺魵怏w積分?jǐn)?shù)計(jì)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(jì)處燃?xì)鈮毫?，kPa

pw,i——工況i環(huán)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(shí)測熱負(fù)荷理論偏差計(jì)算見下式：

(9)

式中Vth——實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差

令：

(10)

式中ε——中間參數(shù)

以天然氣燃具為例，實(shí)測熱負(fù)荷對比涉及的技術(shù)參數(shù)見表2。

將表2中相關(guān)參數(shù)代入式(8)、(9)，可得使用天然氣時，高海拔、低海拔地區(qū)實(shí)測熱負(fù)荷之比為0.890 3，實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差為-10.97%。將表2中相關(guān)參數(shù)代入式(10)，可得使用天然氣時，中間參數(shù)為0.993 9。同理，可計(jì)算得到使用液化石油氣時，高海拔、低海拔地區(qū)實(shí)測熱負(fù)荷之比為0.892 3，實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差為-10.77%，中間參數(shù)為0.996 2。

表2 實(shí)測熱負(fù)荷對比涉及的技術(shù)參數(shù)

可見，無論天然氣燃具還是液化石油氣燃具，中間參數(shù)均非常接近1。這說明，在實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差的計(jì)算中，環(huán)境壓力、環(huán)境溫度的直接影響起主要作用，而通過濕燃?xì)饷芏取袢細(xì)獾蜔嶂档拈g接影響起次要作用。因此，在計(jì)算精度要求不高時，可忽略式(9)中濕燃?xì)饷芏软?xiàng)、濕燃?xì)獾蜔嶂淀?xiàng)，得到實(shí)測熱負(fù)荷近似理論偏差，其計(jì)算見下式：

(11)

式中Vth,apr——實(shí)測熱負(fù)荷近似理論偏差

② 實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差

表3為實(shí)測熱負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果。

表3 實(shí)測熱負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

③ 實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差與實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差的對比

基于表3數(shù)據(jù)，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(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差。天然氣燃具的實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差為-10.90%，液化石油氣燃具的實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差為-10.43%。天然氣燃具的實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差為-10.97%，液化石油氣燃具的實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差為-10.77%。將各樣品類型的實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差與實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差做對比，以實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差作為真值，得到二者的相對誤差，見表4。

表4 實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差與實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差的相對誤差

由表4可見，各樣品類型的實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差與實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差的相對誤差的絕對值小于4%，說明試驗(yàn)結(jié)果可靠，也驗(yàn)證了理論的正確性。

3.2 CO體積分?jǐn)?shù)

表5為CO體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，對于燃?xì)庠?，與天津相比，昆明CO體積分?jǐn)?shù)存在偏高或偏低的現(xiàn)象；對于燃?xì)鉄崴?，昆明CO體積分?jǐn)?shù)均比天津高。

表5 CO體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果

原因分析：對于燃?xì)庠?，昆明?shí)測熱負(fù)荷偏低，在昆明試驗(yàn)時試驗(yàn)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(yàn)用鍋鍋內(nèi)徑為300、320 mm，而在天津試驗(yàn)用鍋鍋內(nèi)徑為320、340 mm，試驗(yàn)用鍋尺寸的差異對CO體積分?jǐn)?shù)影響較大。

對于燃?xì)鉄崴?，燃燒系統(tǒng)為封閉式，燃?xì)馊紵齼H與燃?xì)饬亢涂諝饬坑嘘P(guān)。以天然氣熱水器為例進(jìn)行分析。對于同一臺天然氣熱水器，出廠時技術(shù)參數(shù)已定，例如不同負(fù)荷率對應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。選取100%負(fù)荷率進(jìn)行分析。在100%負(fù)荷率下，在天津、昆明試驗(yàn)時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同，空氣體積流量相同。受試驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境壓力、環(huán)境溫度影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，試驗(yàn)時昆明空氣密度是試驗(yàn)時天津空氣密度的0.802倍。因此，在100%負(fù)荷率下，對天然氣熱水器，昆明空氣質(zhì)量流量是天津空氣質(zhì)量流量的0.802倍。根據(jù)前文，在100%負(fù)荷率下，對天然氣熱水器，昆明實(shí)際實(shí)測熱負(fù)荷是天津?qū)嶋H實(shí)測熱負(fù)荷的0.887倍?？梢?，與在天津試驗(yàn)相比，在昆明試驗(yàn)空氣質(zhì)量流量下降的幅度超過了實(shí)際實(shí)測熱負(fù)荷下降的幅度，導(dǎo)致燃燒需要的氧氣供應(yīng)不足且發(fā)生不完全燃燒，CO體積分?jǐn)?shù)升高。

3.3 NOx體積分?jǐn)?shù)

表6為NOx體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，由于海拔升高，昆明NOx體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。燃?xì)庠頝Ox體積分?jǐn)?shù)下降比例均超過50%，燃?xì)鉄崴鱊Ox體積分?jǐn)?shù)下降比例在50%左右。

表6 NOx體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可知，由于海拔升高，燃具的實(shí)測熱負(fù)荷減小并且空氣供給不足，導(dǎo)致燃?xì)獠煌耆紵?，燃燒熱?qiáng)度和火焰溫度降低。根據(jù)熱力型NOx的影響因素和生成條件可知，NOx體積分?jǐn)?shù)隨火焰溫度降低而降低。

4 結(jié)論

① 高海拔地區(qū)燃具實(shí)測熱負(fù)荷下降，與低海拔地區(qū)相比，實(shí)測熱負(fù)荷實(shí)際偏差與實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差非常接近，二者相對誤差的絕對值小于4%。實(shí)測熱負(fù)荷理論偏差主要與試驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境壓力、環(huán)境溫度有關(guān)。

② 與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)試驗(yàn)中，天然氣燃具實(shí)測熱負(fù)荷偏差為-10.90%，液化石油氣燃具實(shí)測熱負(fù)荷偏差為-10.43%；高海拔地區(qū)燃?xì)庠頒O體積分?jǐn)?shù)由于試驗(yàn)用鍋不同而存在偏高或偏低的現(xiàn)象，燃?xì)鉄崴鰿O體積分?jǐn)?shù)均偏高；高海拔地區(qū)燃?xì)庠頝Ox體積分?jǐn)?shù)下降比例均超過50%，燃?xì)鉄崴鱊Ox體積分?jǐn)?shù)下降比例在50%左右。

③ 海拔對燃具實(shí)測熱負(fù)荷、污染物排放量均有較大影響，因此在高海拔地區(qū)使用燃具，應(yīng)充分考慮海拔對燃具燃燒性能的影響。