燃燒器在高海拔地區如何選型

摘要：文章主要闡述了燃燒器在高海拔地區使用時的特點和高原修正的計算過程，以
及燃燒器在高海拔地區的選型方法。
關鍵詞：燃燒器；高海拔；選型；探討
中圖分類號：TK223.23文獻標識碼：B

1前言
隨著西氣東輸工程的逐漸竣工，天然氣作為清潔燃料在我國的西部地區得到了廣泛的使用。由于西部地區的很多省份地處高原，大氣壓力低，空氣相對稀薄，所以燃料的燃燒過程和燃燒器選型方法與平原相比都有其特殊性。本文將主要討論燃氣燃燒器在高海拔地區使用時高原修正的計算過程和選型方法。
2燃燒器在高海拔地區使用時的特殊性
燃燒器是將燃料中的可燃成分與空氣中的氧氣充分混合燃燒后轉變為熱能的裝置。燃料燃燒時需要的氧氣來源于空氣，空氣中氧氣的體積百分比約為21%，1m3天然氣在標準狀態下完多燃燒所需要的理論空氣量約為9.64m3［1］ 。但是，在高海拔地區隨著海拔高度的變化，大氣壓力、空氣密度、含氧量與標準狀態相比會有較大的差異，如表1［2］。
從表1可以看出：海拔高度升高，大氣壓力下降、空氣密度減小、含氧量隨之降低。由于空氣中含氧量發生了變化，所以我們在標準狀態下計算出的理論空氣量值不適合高海拔地區的計算使用。
例如：很多用于高海拔地區的鍋爐鼓、引風機經常使用與平原地區的相同型號，這時鍋爐遠遠達不到額定輸出功率。有些使用單位會將鼓、引風機選大一個規格，即便如此使用效果仍難令人滿意。造成這一結果的主要原因是鼓風機所提供的空氣量不能適合燃料完多燃燒所需要的氧氣量。由此不難看出，我們只有將與海拔高度相對應的空氣中的氧氣含量作為主要參數，對燃燒所需要的實際空氣量進行修正，才能夠達到燃料以 小過量空氣系數完多燃燒的目的。這一修正的過程正是燃燒器在高海拔地區使用時的特殊性。
表1不同海拔高度下的大氣壓力、空氣密度、
含氧量和水沸點
海拔高度（m）[]0[]3000[]4000[]5000[]6000[]7000大氣壓力（kPa）[]101.32[]70.7[]62.4[]54.9[]48.1[]42空氣密度（g/m3）[]1292[]892[]802[]719[]644[]573含氧量（g/m3）[]260[]206[]186[]166[]149[]133水沸點（℃）[]100[]90 []87[]84[]80[]773燃燒器在高海拔地區使用時的修正計算
由于空氣壓力、溫度和密度符合理想氣體的狀態方程，因此在一定溫度下，大氣壓力與其密度成正比，三者的關系用理想氣體狀態方程表示［3］：
p=RρT（1）
或ρ=p/RT（2）
式中:p—大氣壓力，Pa；
ρ—空氣密度，kg/m3；
T—熱力學溫度，K；
R—氣體常數，J/（kg·K） 。
對于空氣的氣體常數R=287J/（kg·K），我們在已知某狀態的兩個基本參數時，根據式（2）就可以求出在該狀態下的空氣密度。各地區的大氣壓力可以從相關資料中查到，也可用下式計算［4］；
pH=p0（1-H/44340）5.256 （3）
式中:pH—海拔高度H處的大氣壓力，Pa；
p0—海平面處的大氣壓力，Pa；
H—海拔高度，m 。
15℃時常用海拔高度的空氣溫度、壓力和密度值如表2［4］。
表2常用海拔高度的空氣溫度、壓力和密度（15℃時)
海拔高度H（m）[]溫度T（K）[]壓力p（kPa）[]密度ρ（kg/m3）0[]288[]101.325[]1.2251000[]281.651[]89.872[]1.11172000[]275.154[]79.501[]1.00663000[]268.659[]70.121[]9.0925×10-14000[]262.166[]61.66[]8.1935×10-1如果我們將大氣含氧量的體積百分比近似為常數，通過公式（4）可以計算出不同海拔高度與地面等同條件下的相對氧氣密度。
ρ0′=CρH（4）
式中:ρ0′—不同海拔高度的相對氧氣密度，kg/m3;
C—地面附近含氧量的百分比；
ρH—不同海拔高度的空氣密度，kg/m3。
因為密度是單位體積物質所具有的質量，兩個體積相同、密度不同的物質之間的質量比等于它們的密度比。所以，不同海拔高度的相對氧氣密度與標準狀態下氧氣密度的比值，等于兩者單位體積氧氣含量的質量比，這一比值實際上就是不同海拔高度燃燒所需實際空氣量的修正值，即：
K=ρ0′ /ρ0 （5）
式中：K—高原修正系數；
ρ0—標準狀態下的氧氣密度，kg/m3。
表3所列數值為根據公式（4）和表2數值計算出的15℃時常用海拔高度的相對氧氣密度。
表3常用海拔高度的相對氧氣密度（15℃）
海拔高度H
（m）[]1000[]2000[]3000[]4000相對含氧質量ρ0′
（kg/m3）[]0.233[]0.211[]0.191[]0.17215℃（T=288K）時海拔高度為零的地面附近空氣含氧量的體積百分比為20.95%［5］，按照公式（4）此條件地面附近的氧氣密度：
ρ0=Cρ=20.95%×1.225=0.2566kg/m3
則15℃（T=288K）時常用海拔高度的高原修正值如表4。
表4常用海拔高度的高原修正值（15℃）
海拔高度H（m）[]1000[]2000[]3000[]4000高原修正系數K[]0.908[]0.823[]0.744[]0.67根據參考資料［1］我國各地區冬、夏季的平均大氣壓力相差較小，證明溫度對同一氣體的壓力和密度的影響較小，因此，筆者在實際使用中基本上就是按照表4數值進行計算。只要在燃燒器的選型時適當留出余量，就完多可以消除空氣溫度對氧氣密度的影響。
4高海拔地區燃燒器的選型
目前燃油、燃氣鍋爐通常配套進口燃燒器，這類燃燒器自帶鼓風機。其輸出特性可以從每一個型號的特性曲線圖中得到。圖中的橫坐標為燃燒器輸出功率，縱坐標為鼓風機壓力。針對特性曲線上的某一點，其橫坐標值在表示燃燒器輸出功率的同時還代表這種燃燒器所帶鼓風機滿足與此輸出功率相對應的燃料完多燃燒能夠供應的空氣量，其縱坐標值為燃燒器在該輸出功率條件下克服鍋爐煙氣側總阻力的能力。因此，當燃燒器在平原或接近標準狀態下使用時，我們確定燃燒器型號通常按照以下步驟：
（1）計算燃燒器的輸出功率Qb
Qb=Q/η
式中：Q—鍋爐額定輸出功率，MW；
η—鍋爐熱效率。
（2）確定配套鍋爐煙氣側總阻力ΔP
（3）校核燃燒器鼓風機壓力
根據燃燒器特性曲線圖，從輸出功率Qb向上畫線與特性曲線相交于一點Pf，選擇Pf>ΔP特性曲線所對應的燃燒器型號即完成了燃燒器的選型。
燃燒器在高原使用時由于高原修正系數K值小于1，即空氣中的含氧量僅相當于標準狀態下的K倍，特性曲線上的Qb/k點所對應的空氣量才能滿足燃燒器輸出功率為Qb時燃料量的完多燃燒，而這一點的縱坐標值還必須大于鍋爐煙氣側總阻力ΔP。高原使用條件下燃燒器的選型步驟如下：
(1)計算高原修正系數
K=ρ0′/ρ0
(2)計算燃燒器的實際輸出功率
Qb=Q/η
(3)計算燃燒器滿足高原空氣量時的輸出功率
Qbh=Q/η·K
(4)校核燃燒器鼓風機壓力
根據燃燒器特性曲線圖，從Qbh向上與特性曲線相交的一點Pfh 。選擇Pfh >ΔP特性曲線相對應的燃燒器型號，即完成了燃燒器高原使用條件時選型。
例如意大利百得燃氣燃燒器用于海拔3000m的2.8MW熱水鍋爐的修正過程：
（1）已知海拔3000m時，K=0.744
（2）鍋爐效率取η=91%
燃燒器滿足海拔3000m空氣量時的輸出功率Qb=2.8MW/0.744×91%=4.136MW
（3）鍋爐總阻力ΔP=12mbar=1.2kPa
（4）燃燒器的特性曲線如圖1［6］
圖14.136MW時，幾種燃燒器對應的縱坐標Pf即燃燒器鼓風機壓頭
a．GI350DSPGNPf=11mbar<ΔP
b．GI420DSPGNPf=20mbar>ΔP
因此在3000m海拔高度時選擇GI420DSPGN才能保證鍋爐達到2.8MW的額定負荷輸出。在進行完高原修正計算后， 后按燃燒器的實際燃氣量選擇適當口徑的電磁閥組。
5燃燒器在高海拔地區使用中的幾個常見問題
(1)不進行選型計算
由于目前用于燃油、燃氣鍋爐的燃燒器基本上都是一體式帶鼓風機的型式,很多廠家在選擇燃燒器配套時僅核算燃燒器的輸出功率是否滿足鍋爐的額定輸出功率，而不校核燃燒器所能克服鍋爐額定輸出時阻力的能力，造成了燃燒器運行時噪音大振動嚴重，燃燒效果差。在這種情況下操作者通常采用減少燃燒器輸出的辦法勉強運行。因此，對于高海拔地區的燃燒器選型計算時，仔細校核燃燒器克服鍋爐阻力的能力是至關重要的。
(2)負荷調節不正確
由于天然氣作為燃料價格相對較高，很多使用單位在燃燒器運行時，為了節約燃料采用和燃煤鍋爐相似的低溫常供運行方式，燃燒器長時間小火運行。由于高海拔地區的特點，燃燒空氣量為平原的1/K倍，同等負荷條件下其理論燃燒溫度相對比平原低，此時長期小負荷運行無疑會進一步降低排煙溫度，低于露點溫度時冷凝水大量出現，嚴重者集聚在后煙箱，造成了鍋爐的迅速腐蝕，減少了鍋爐使用壽命。所以從節約燃料和保證供熱效果以及延長設備使用壽命的幾個方面考慮，燃燒器在高海拔地區運行時采用高溫間斷供熱的運行方式是比較好的選擇。
(3)沒有定期的維護、保養計劃
燃燒器作為機電一體化產品，運行中的任何隱患都涉及到人和設備的生命財產安多。由于燃燒器進入我國時間相對較短和燃燒器專業維修人員相對缺少的原因，很多使用單位從燃燒器安裝開始就不再進行產品標準所要求的檢查與保養，致使燃燒器的運行事故時有發生，并且隨著社會保有量的增加呈上升趨勢。因此，在主管部門未出臺燃燒器的強制檢查、保養規定以前，各使用單位加強燃燒器運行中的班檢、周檢、月保養、季保養工作是十分必要的。
參考文獻
［1］項友謙.燃氣熱力工程常用手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000，3.
［2］周淑貞.氣象學與氣候學［M］.北京：高等教育出版社，1985，5.
［3］趙欽新，惠世恩.燃油、燃氣鍋爐 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2000，5.
［4］朱祖培，趙乃仁.高海拔地區對新型干法、水泥廠燒成系統的初步分析［DB/OL］.http:www.celnentengineering.com/showarticle.article.asp.
［5］張家誠.地學基本數據手冊［M］.北京：海洋出版社，1986,3.
［6］BTG GBNGI SPARKGAG.產品樣本，編號0001101120，意大利百得公司.