高原环境下烟道式燃气热水器的烟气排放研究.pdf

2023 年 7 月/Jul.2023 53技术创新/高原环境下烟道式燃气热水器的烟气排放研究岑锦泉（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）摘要：本文针对烟道式燃气热水器在高原地区由于氧气含量偏低，很容易出现燃烧不完全和烟气排放超标的的问题，通过对比研究不同功率的烟道式燃气热水器在高原地区与海平面的烟气排放情况，提出一种在海平面模拟高原地区烟气排放的测试方法，这对烟道式燃气热水器出口到高原国家有积极的指导意义。关键词：烟道式；燃气热水器；高原环境；排放Abstract：This article focuses on the issue of incomplete combustion and excessive smoke emissions of flue type gas water heaters in plateau areas due to low oxygen content.By comparing and studying the flue emission patterns of flue type gas water heaters with different powers in plateau areas and sea level,a testing method for simulating flue emissions in plateau areas at sea level is proposed.This has positive guiding significance for flue type gas water heaters exported to plateau countries.Key words：flue type;gas water heater;plateau environment;emissionsResearch on the Flue Emission of Flue Type Gas Water Heater in Plateau Environment引言由于国标 GB 6932-2015 对烟道式燃气热水器的安装要求提升，以及人民群众安全意识的提高，烟道式燃气热水器逐渐退出国民的视野。然而，在很多经济欠发达的国家，烟道式燃气热水器仍是市场的主流。根据海关数据显示：2020 年 1 到 5 月，墨西哥、哥伦比亚燃气热水器出口额占总出口金额分别为 4.7%，4.1%，分别位列燃气热水器出口金额第七名与第九名，而墨西哥、哥伦比亚燃气热水器出口量占总出口量分别为 9.6%，4.8%，分别位列燃气热水器出口数量第二和第八名。其中，烟道式燃气热水器是这两个国家的主流燃气热水器产品，销量占比超 60%。而这两个国家地理位置又是处于高原：墨西哥首都墨西哥城，海拔 2 240 m，其他主要城市海拔高度在（500 2 200）m 之间；哥伦比亚首都波哥大，海拔 2 645 m，其他主要城市海拔高度在（300 2 200）m 之间。过往的开发经验一般是到海外当地市场去做燃气热水器产品开发与性能测试，但由于新冠疫情限制了各国之间的商贸活动。因此我们需要采取更多间接的手段来尽可能模拟当地的测试数据，以便开发的燃气热水器能够满足当地标准与实际使用场景。为了找到高原地区与海平面之间的差异，我们选取了 5 L、7 L、10 L、13 L，四款烟道燃气热水器进行高原地区与海平面的性能测试（考虑到各地气源的情况，54日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation测试使用同一配气公司提供的标准气 G20 甲烷，甲烷含量 99.9%）。海平面地点选择在佛山顺德（东经113 1，北纬 2240，海拔约 2 m，接近海平面），高原试验地点选择在云南昆明（东经 10242，北纬2502，市中心海拔约 1 900 m）。1 热负荷对比根据 EN26:2015 热负荷计算公式，修正热负荷：（1）式中：Qc修正热负荷，kW；Hi干燥基准气的低热值，基于体积流量时，MJ/m；V在煤气表处的湿度、温度和压力条件下，测得的燃气体积流量，m3/h；5 L7 L10 L13 L海平面1 900 m海平面1 900 m海平面1 900 m海平面1 900 m大气压力(kPa)100.8 80.9 100.8 80.9 100.8 80.9 100.8 81.1 环境温度()24.2 28.6 26.2 29.0 26.2 29.0 26.2 26.1 环境湿度(%)65.1 22.0 54.2 32.0 54.2 32.0 54.2 39.0 燃气温度()24.8 29.3 26.6 28.9 26.6 28.9 26.6 25.4 燃气压力(kPa)2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 实测燃气耗量（L）3030303040405050消耗时间（s）101.7391.66971.5166.56 69.2563.70 72.1767.42 燃气流量（L/s）0.295 0.327 0.420 0.451 0.578 0.628 0.693 0.742 进水温度()25.422.226.119.727.117.128.317.3出水温度()65.162.165.356.667.757.568.157.9热水流量(kg)2.98 2.60 4.40 4.08 5.71 5.23 7.14 6.40 基准气低热值（MJ/m）34.0234.0234.0234.0234.0234.0234.0234.02测试燃气的相对密度0.555 0.555 0.555 0.555 0.555 0.555 0.555 0.555 实测热负荷（kW）9.9 8.6 13.9 12.0 19.2 16.7 23.0 20.0 修正热负荷（kW）10.0 9.9 14.1 13.7 19.6 19.1 23.5 22.7 pg煤气表处的燃气压力，mbar；pa测试时的大气压力，mbar；tg在煤气表处的温度，；d测试燃气的相对密度（等体积的干燥燃气与干燥空气在相同的温度和压力条件下的质量比率：温度为 15 或 0，大气压为 1 013.25 mbar）；dr基准气的相对密度。从公式（1）可以看出在高原地区和海平面，燃气体积流量与大气压是影响修正热负荷的关键参数，而其中大气压力可以直接由仪器设备读取，燃气体积流量可以在高原实测得到。即可计算出修正热负荷。实验数据结果如表 1。由实验数据可知，5 L、7 L、10 L、13 L 四款烟道式燃气热水器实测燃气耗量云南昆明（1 900 m）比佛山顺德（海平面）约增加（7 11）%，但由于大气压力降低约 20%，测试气（甲烷）的密度变小，热值变低，导致实测热负荷降低约 13%，但通过修正后（高原的燃气表 1 不同功率烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原测试数据2023 年 7 月/Jul.2023 55技术创新/耗量增加刚好抵消了大气压力的变小），热负荷的偏差范围也能控制在 3%以内。所以不管在何种环境，使用同样的测试气，同样一台热水器的修正热负荷基本上不会出现太大的波动。2 烟气对比通过烟气分析仪的读数，可以得知云南昆明（1 900 m）与佛山顺德（海平面）的氧含量均一致（约 20.9%），这由于烟气分析仪是按空气中氧气的体积分数来进行测算。根据理想气体方程式：（2）式中：密度，kg/m3；P 压强，Pa；M 摩尔质量，g/mol；R 气体常数；T 温度，K。气体的密度与压强成正比，所以在高原地区，由于高原的大气压力的小，氧气的密度也会变小，在同等的体积下，氧气的质量也会变少。这样就很容易造成燃烧不充分，直接影响烟气排放。5 L、7 L、10 L、13 L 烟道式燃气热水器，在不同海拔高度的 CO 排放，测试数据如图 1。由实测数据发现，不同升数的烟道式燃气，在同一进气压力的条件下，在云南昆明（1 900 m）的 CO 排放远高于佛山顺德（海平面）：5 L 在云南昆明（1 900 m）的CO排放是佛山顺德（海平面）的 4 5 倍；7 L 在云南昆明（1 900 m）的 CO排放是佛山顺德（海平面）的 8 13 倍；10 L在云南昆明（1 900 m）的 CO 排放是佛山顺德（海平面）的 5 10 倍；13 L 在云南昆明（1 900 m）的 CO 排放是佛山顺德（海平面）的 4 8 倍。通过实测烟气数据发现，不同升数、不同结构的图 1 不同升数烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原 CO 排放对比图(a)高气压 2 500 Pa 海平面(a)额定气压 2 000 Pa）海平面(b)1 900 m 高原(b)1 900 m 高原图 2 5 L 烟道式燃气热水器高气压（2 500 Pa）海平面与1 900 m 高原火焰形态图图 3 5 L 烟道式燃气热水器额定气压（2 000 Pa）海平面与1 900 m 高原火焰形态图烟道式热水器差异性较大。所以必须每个机型结构进行单独对比。3 火焰对比通过观察火焰的形态，可以发现：在云南昆明（1 900 m），由于氧气供应不足，导致火焰变长、变浓，导致燃烧不充分，烟气 CO 含量上升。这是所有升数烟道式热水器普遍存在的现象。由于海拔的升高，燃气的密度就会减小，从而就增加了燃气的流速，而火焰传播速度基本不变，当燃气流速大于火56日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation焰传播速度时，就会有离焰的情况产生。外焰高度公式：（3）式中：hOC火焰的外焰高度，mm；n火孔排数；n1表示燃气性质对外焰高度影响的系数；s表示火孔净距对外焰高度影响的系数；fp单个火孔面积，mm；qp火孔热强度，kW/mm；dp火孔直径，mm。其中 n1与燃气性质有关，研究表明，海拔越高，燃气密度小，流速快，n1系数值越大，因此火焰的外焰高度同样也会随之海拔的升高而变高。很明显，在云南昆明测试的机子火焰都被拉高。4 海平面测试模拟通过云南昆明（1 900 m）与海平面的烟气 CO对比，同样一台烟道式燃气热水器，即使在佛山顺德（海平面）不断的提高进气压力，也无法模拟出实际云南昆明（1 900 m）的排放。所以我们考虑使用欧标黄焰气 G21（87%甲烷，13%丙烷）看能否得到云南昆明（1 900 m）烟气 CO 排放。数据如图 47。通过对比发现，佛山顺德（海平面）使用黄焰气 G21 基本上能够达到云南昆明（1 900 m）CO排放水平，也就是说，我们可以在佛山顺德（海平面）使用 G21 来得到接近于云南昆明（1 900 m）的 CO 排放数据。5 总结 通过云南昆明（1 900 m）与佛山顺德（海平面）的实地测试对比，得到以下结论：图 4 5 L 烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原 CO 排放对比图图 5 7 L 烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原 CO 排放对比图图 6 10 L 烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原 CO 排放对比图图 7 13 L 烟道式燃气热水器在海平面与 1 900 m 高原 CO 排放对比图1）海拔越高，燃气流量越大，实测热负荷越低，1 900 m海拔高度实测热负荷比海平面约降低 13%，经修正后，热负荷偏差基本控制在 3%以内；2）1 900 m 高原的 G20 甲烷与海平面使用欧标黄焰气 G21的烟气 CO 排放非常接近，即可以在海平面使用欧标黄焰气G21 得到 1 900 m 高原 CO 排放的数据。本文着重试验分析 1 900 m 的高原环境对烟道式燃气2023 年 7 月/Jul.2023 57技术创新/参考文献：作者简介：1 王启,冯璇,高文学.海拔高度对燃气用具燃烧性能影响研究 C.中国土木工程学会燃气分会燃气供热专业委员会 2013 年会论文集,2013：222-234.2 李罗标,潘泽林.关于燃气热水器在高海拔地区使用的试验分析 J.日用电器,2015(4):53-553 张维华,李猷嘉.燃具检测热负荷的确定与海拔高度的影响 J.煤气与热力,1993(3):35-42.4 王保友.高海拔地区燃气热水器测试方法探讨 C.中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会会,2007.5 严明卿.燃气工程技术手册 M.上海：中国建筑工业出版社,2008.6 同济大学.燃气燃烧与应用 M.北京：中国建筑工业出版社,2011.7 GB 6932-2015,家用燃气快速热水器 S.8 EN437:2018,测试气体-测试压力-测试类别 S.9 EN26:2015,用于制造生活热水的燃气快速热水器 S.岑锦泉（1988-），男，燃热研发工程师，主要从事燃气热水器产品相关技术工作。热水器的影响，随着海拔的进一步升高，想必对燃烧工况肯定会有更加消极的影响，但是也可以通过在海平面使用热值更高的气体来进行模拟高原排放。出口到高原国家的烟道式燃气热水器必须适当的调整燃烧器、热交换器、集烟罩的结构优化来降低 CO 排放。也可以通过增加稳压器，来解决高气压烟气 CO 排放偏高的问题。且烟气排放要求也需要根据实际当地的标准要求进行合理的调整。（上接 52 页）参考文献：作者简介：1 王平,魏鹏,宋一格.基于 ARIMA 模型下的能源生产问题 J.应用数学进展,2018,7(8):1057-1062.2 海文龙,王亚慧,宋洋,等.基于 ARIMA 结合 ConvLSTM 的燃气负荷预测 J.微电子学与计算机,2022,39(1):62-70.3 张志禹,侯凯,李晨曦.分布式 SVR 在短期负荷预测中的研究 J.计算机测量与控制,2019(3):173-176,182.4 庞传军,张波,余建明.基于 LSTM 循环神经网络的短期电力负荷预测 J.电力工程技术,2021(1):175-180,194.5 杨斌,陈振宇,霍尧,等.基于 MM-LSTM 的非工楼宇中央空调负荷预测 J.智能电网,2021,11(3):288-295.6 Hochreiter,S.and Schmidhuber,J.(1997)Long Short-Term Memory.Neural 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