LPG液化气灶具改造成天然气的试验研究

今后深圳市将使用液化天然气(LNG)，由于原来所使用的液化石油气(LPG)与天然气不具有互换性，气源的变化对燃气灶具的运行工况会产生重大影响，因此需要对现有的灶具进行必要的改造和调整，以使灶具达到正常的燃烧工况[1～3]。本文主要通过试验研究燃气灶具改造的可行性，并提出改造建议。

1 试验气体和试验灶具

深圳市天然气利用工程可行性研究报告提供了LNG成分及其燃烧特性值。根据两种燃气燃烧特性相同便能互换的原理［4～8］，可以按照已知的燃气成分计算出燃气燃烧特性指标，用液化石油气和空气这两种容易获得的气体配制特性与天然气相近的代用天然气，在代用天然气中液化石油气与空气的体积比为60.62：39.38 [9]。试验选用深圳目前在用的液化石油气和代用天然气进行测试。各种气体的参数详见表1、2，可以看出代用天然气与天然气的燃烧特性极为相似，华白数和燃烧势的偏差分别小于2％、5％。

试验选取有代表性的两种型号灶具，分别为JZ20Y-2-Q20M型嵌入式双眼灶、JZ20Y-2-H01／T型台式双眼灶，用代号“灶具1”、“灶具2”表示，这两种灶具的设计要求及标准要求见表3[10]。

2 燃气灶具的改造试验

2.1 测试系统

试验用燃气经过调压器调压以后，用流量计测量试验所需的燃气体积，用压力计测量灶前燃气压力。铝锅内装有搅拌器和温度计。烟气泵把烟气从采样器抽至烟气分析仪，测出烟气中O2、CO2及CO的含量

2.2 试验内容

灶具1左右燃烧器的大火喷嘴直径D1=0.96mm，小火喷嘴直径D2=0.44mm；灶具2右燃烧器的大、小火喷嘴直径分别为D1=0.96mm和D2=0.44mm，左燃烧器的大、小火喷嘴直径分别为D1=0.87 mm和D2=0.38 mm。两种灶具的点火喷嘴直径均为0.60mm。

①灶具1

先将灶具1在以LPG为气源的条件下进行燃烧试验。然后，在以代用天然气为气源的条下，将左右燃烧器大、小火喷嘴直径均分别改为1.19mm、 0.51mm进行燃烧试验。再将左右燃烧器的大、小火喷嘴分别改为1.31mm、0.61mm，进行燃烧试验。在试验过程中，调整风门开度。

②灶具2

先将灶具2在以LPG为气源的条件燃烧试验。然后，在以代用天然气为气源的条件下，将右燃烧器的大、小火喷嘴直径分别改为1.19mm、0.51 mm进行燃烧试验。再将左燃烧器的大、小火喷嘴直径分别改为1.31mm、0.61mm进行燃烧试验。最后将左燃烧器的大、小火喷嘴直径分别改为1.19mm、0．51 mm，右燃烧器的大、小火喷嘴直径分别改为1．31mm、0．61mm进行燃烧试验。在试验过程中，调整风门开度。

2.3 热负荷测定

①试验气

分别使用LPG和代用天然气作为试验气。

②灶具连接

分别将试验灶具1和灶具2按国家标准规定的方式连接，点燃燃烧器后进行测定

③测试方法

点燃灶具后，待燃气耗量达到基本稳定后开始测试。每次测试时，使燃气流量计的指针转运1圈以上的整圈数，并且每次测定时间≥1min。如此进行数次，在测定相对误差<2％的值中求出实验测燃气耗量。

灶具分别使用LPG和代用天然气为气源进行测试时，灶具热负荷计算公式与文献[12]中热水器热负荷计算公式相同。计算得到灶具改造前后分别使用LPG和代用天然气时的实测热负荷

④热负荷偏差

在每次灶具燃烧测试中，将计算得到的实测热负荷与设计热负荷进行比较，热负荷偏差计算公式与文献[12]中热水器热负荷偏差计算公式相同。

⑤灶具热负荷百分比

灶具实测总热负荷与灶具左右燃烧器在同一次态下单独工作时实测热负荷之和的比值，

式中：ε——灶具热负荷百分比，％

φt——灶具实测总热负荷，kW

Σφ——左右燃烧器热负荷之和，kW

2.4 热效率测定

国家标准规定[11]，在0．5～1．5倍燃气额定压力茫围内使用灶具时，其热效率不得低于55％。热效率用规定的铝锅盛水在灶上加热进行测量。控制水的温度为：初温等于室温加5℃，终温等于初温加50℃。按式(2)计算出灶具分别使用两种不同气源情况下的热效率［11］，计算结果列于表4。

式中 η——灶具的热效率，％

m——被加热的水的质量，kg

t1、t2——水的初温和终温，℃

c——水的比热容，MJ／(kg·K)，可取c=0.004 186 MJ／(kg·K)

V——水温从t1升至t2所耗用的燃气量，m3

Q1——燃气低热值，MJ／m3

2.5 烟气中C0体积分数测定

分别点燃灶具1和灶具2，使其运行15min后，根据文献[11]规定的取样方法，均匀地抽取烟气，测定烟气中的02、CO及CO2的体积分数(测试中O2体积分数≤14％)。烟气取样器的规格依据文献[11]选用，采样点尽可能均匀分布在灶具的排烟部位。测得烟气中CO和02体积分数后，计算空气系数α=1时的干烟气中CO体积分数，计算公式与燃气热水器相关计算公式相同[12]。

2.6 火焰稳定性测定

火焰稳定性是燃气灶具测试的重要内容[13～18]。分别把燃气与一次空气的混合物在火孔出口处的流速增加或减少到一定程度，测定灶具火孔上火焰的离焰与回火。离焰检测在燃烧器点燃15s后进行，离焰时火孔端面处的温度降低，把火焰根部温度突然下降这一突变点作为判别离焰的特征温度。在燃烧器点燃20min后进行回火测定，当产生爆鸣声和频率较低的噪声，即判定为回火。

在燃烧器点燃20min后进行黄焰测定，逐渐减小一次空气系数，火焰拉长并出现飘浮，到一定程度时，火焰局部(在尾部)产生黄焰甚至产生游离碳。

3 分析

①，原有灶具燃用LPG时，灶具的各项指标均符合家用燃气灶具国家标准的要求。

②在灶具的改造中，燃烧器的大小火喷嘴的更换起到了决定作用。当改为燃用天然气并更换燃烧器的大、小火喷嘴后，灶具的热负荷发生变化。当增大喷嘴直径并且小于天然气喷嘴直径时，灶具的热负荷明显降低，并远低于额定热负荷，原因是喷嘴单位时问供给的燃气量不足；烟气中CO体积分数和火焰稳定性满足规范要求。当更换更大直径的喷嘴，且其直径大于天然气灶具的燃烧器喷嘴直径时，灶具的热负荷亦明显增大，且远高于额定热负荷，原因是喷嘴单位时问供给的燃气量过大；烟气中CO体积分数虽明显增大，但尚未超过国家规范规定的0.05％的上限，原因是一次空气供给不足，但由于二次空气的补充，CO体积分数没有增大很多；观察火焰的稳定性，火孔上的火焰出现离焰，是由于与喷嘴直径相对应的火孔直径偏小，火焰传播速度降低，从而导致离焰。

4 结论

将喷嘴直径调整为适用于天然气的尺寸，燃烧试验测试结果表明天然气灶具的热负荷、热效率、烟气中CO体积分数和火焰稳定性均达到国家标准的要求，改造取得成功。试验表明，通过对灶具进行改造来满足气源变化后灶具的使用。