燃烧器在高海拔地区如何选型

摘要：文章主要阐述了燃烧器在高海拔地区使用时的特点和高原修正的计算过程，以
及燃烧器在高海拔地区的选型方法。
关键词：燃烧器；高海拔；选型；探讨
中图分类号：TK223.23文献标识码：B

1前言
随着西气东输工程的逐渐竣工，天然气作为清洁燃料在我国的西部地区得到了广泛的使用。由于西部地区的很多省份地处高原，大气压力低，空气相对稀薄，所以燃料的燃烧过程和燃烧器选型方法与平原相比都有其特殊性。本文将主要讨论燃气燃烧器在高海拔地区使用时高原修正的计算过程和选型方法。
2燃烧器在高海拔地区使用时的特殊性
燃烧器是将燃料中的可燃成分与空气中的氧气充分混合燃烧后转变为热能的装置。燃料燃烧时需要的氧气来源于空气，空气中氧气的体积百分比约为21%，1m3天然气在标准状态下完多燃烧所需要的理论空气量约为9.64m3［1］ 。但是，在高海拔地区随着海拔高度的变化，大气压力、空气密度、含氧量与标准状态相比会有较大的差异，如表1［2］。
从表1可以看出：海拔高度升高，大气压力下降、空气密度减小、含氧量随之降低。由于空气中含氧量发生了变化，所以我们在标准状态下计算出的理论空气量值不适合高海拔地区的计算使用。
例如：很多用于高海拔地区的锅炉鼓、引风机经常使用与平原地区的相同型号，这时锅炉远远达不到额定输出功率。有些使用单位会将鼓、引风机选大一个规格，即便如此使用效果仍难令人满意。造成这一结果的主要原因是鼓风机所提供的空气量不能适合燃料完多燃烧所需要的氧气量。由此不难看出，我们只有将与海拔高度相对应的空气中的氧气含量作为主要参数，对燃烧所需要的实际空气量进行修正，才能够达到燃料以 小过量空气系数完多燃烧的目的。这一修正的过程正是燃烧器在高海拔地区使用时的特殊性。
表1不同海拔高度下的大气压力、空气密度、
含氧量和水沸点
海拔高度（m）[]0[]3000[]4000[]5000[]6000[]7000大气压力（kPa）[]101.32[]70.7[]62.4[]54.9[]48.1[]42空气密度（g/m3）[]1292[]892[]802[]719[]644[]573含氧量（g/m3）[]260[]206[]186[]166[]149[]133水沸点（℃）[]100[]90 []87[]84[]80[]773燃烧器在高海拔地区使用时的修正计算
由于空气压力、温度和密度符合理想气体的状态方程，因此在一定温度下，大气压力与其密度成正比，三者的关系用理想气体状态方程表示［3］：
p=RρT（1）
或ρ=p/RT（2）
式中:p—大气压力，Pa；
ρ—空气密度，kg/m3；
T—热力学温度，K；
R—气体常数，J/（kg·K） 。
对于空气的气体常数R=287J/（kg·K），我们在已知某状态的两个基本参数时，根据式（2）就可以求出在该状态下的空气密度。各地区的大气压力可以从相关资料中查到，也可用下式计算［4］；
pH=p0（1-H/44340）5.256 （3）
式中:pH—海拔高度H处的大气压力，Pa；
p0—海平面处的大气压力，Pa；
H—海拔高度，m 。
15℃时常用海拔高度的空气温度、压力和密度值如表2［4］。
表2常用海拔高度的空气温度、压力和密度（15℃时)
海拔高度H（m）[]温度T（K）[]压力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如果我们将大气含氧量的体积百分比近似为常数，通过公式（4）可以计算出不同海拔高度与地面等同条件下的相对氧气密度。
ρ0′=CρH（4）
式中:ρ0′—不同海拔高度的相对氧气密度，kg/m3;
C—地面附近含氧量的百分比；
ρH—不同海拔高度的空气密度，kg/m3。
因为密度是单位体积物质所具有的质量，两个体积相同、密度不同的物质之间的质量比等于它们的密度比。所以，不同海拔高度的相对氧气密度与标准状态下氧气密度的比值，等于两者单位体积氧气含量的质量比，这一比值实际上就是不同海拔高度燃烧所需实际空气量的修正值，即：
K=ρ0′ /ρ0 （5）
式中：K—高原修正系数；
ρ0—标准状态下的氧气密度，kg/m3。
表3所列数值为根据公式（4）和表2数值计算出的15℃时常用海拔高度的相对氧气密度。
表3常用海拔高度的相对氧气密度（15℃）
海拔高度H
（m）[]1000[]2000[]3000[]4000相对含氧质量ρ0′
（kg/m3）[]0.233[]0.211[]0.191[]0.17215℃（T=288K）时海拔高度为零的地面附近空气含氧量的体积百分比为20.95%［5］，按照公式（4）此条件地面附近的氧气密度：
ρ0=Cρ=20.95%×1.225=0.2566kg/m3
则15℃（T=288K）时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高原修正系数K[]0.908[]0.823[]0.744[]0.67根据参考资料［1］我国各地区冬、夏季的平均大气压力相差较小，证明温度对同一气体的压力和密度的影响较小，因此，笔者在实际使用中基本上就是按照表4数值进行计算。只要在燃烧器的选型时适当留出余量，就完多可以消除空气温度对氧气密度的影响。
4高海拔地区燃烧器的选型
目前燃油、燃气锅炉通常配套进口燃烧器，这类燃烧器自带鼓风机。其输出特性可以从每一个型号的特性曲线图中得到。图中的横坐标为燃烧器输出功率，纵坐标为鼓风机压力。针对特性曲线上的某一点，其横坐标值在表示燃烧器输出功率的同时还代表这种燃烧器所带鼓风机满足与此输出功率相对应的燃料完多燃烧能够供应的空气量，其纵坐标值为燃烧器在该输出功率条件下克服锅炉烟气侧总阻力的能力。因此，当燃烧器在平原或接近标准状态下使用时，我们确定燃烧器型号通常按照以下步骤：
（1）计算燃烧器的输出功率Qb
Qb=Q/η
式中：Q—锅炉额定输出功率，MW；
η—锅炉热效率。
（2）确定配套锅炉烟气侧总阻力ΔP
（3）校核燃烧器鼓风机压力
根据燃烧器特性曲线图，从输出功率Qb向上画线与特性曲线相交于一点Pf，选择Pf>ΔP特性曲线所对应的燃烧器型号即完成了燃烧器的选型。
燃烧器在高原使用时由于高原修正系数K值小于1，即空气中的含氧量仅相当于标准状态下的K倍，特性曲线上的Qb/k点所对应的空气量才能满足燃烧器输出功率为Qb时燃料量的完多燃烧，而这一点的纵坐标值还必须大于锅炉烟气侧总阻力ΔP。高原使用条件下燃烧器的选型步骤如下：
(1)计算高原修正系数
K=ρ0′/ρ0
(2)计算燃烧器的实际输出功率
Qb=Q/η
(3)计算燃烧器满足高原空气量时的输出功率
Qbh=Q/η·K
(4)校核燃烧器鼓风机压力
根据燃烧器特性曲线图，从Qbh向上与特性曲线相交的一点Pfh 。选择Pfh >ΔP特性曲线相对应的燃烧器型号，即完成了燃烧器高原使用条件时选型。
例如意大利百得燃气燃烧器用于海拔3000m的2.8MW热水锅炉的修正过程：
（1）已知海拔3000m时，K=0.744
（2）锅炉效率取η=91%
燃烧器满足海拔3000m空气量时的输出功率Qb=2.8MW/0.744×91%=4.136MW
（3）锅炉总阻力ΔP=12mbar=1.2kPa
（4）燃烧器的特性曲线如图1［6］
图14.136MW时，几种燃烧器对应的纵坐标Pf即燃烧器鼓风机压头
a．GI350DSPGNPf=11mbar<ΔP
b．GI420DSPGNPf=20mbar>ΔP
因此在3000m海拔高度时选择GI420DSPGN才能保证锅炉达到2.8MW的额定负荷输出。在进行完高原修正计算后， 后按燃烧器的实际燃气量选择适当口径的电磁阀组。
5燃烧器在高海拔地区使用中的几个常见问题
(1)不进行选型计算
由于目前用于燃油、燃气锅炉的燃烧器基本上都是一体式带鼓风机的型式,很多厂家在选择燃烧器配套时仅核算燃烧器的输出功率是否满足锅炉的额定输出功率，而不校核燃烧器所能克服锅炉额定输出时阻力的能力，造成了燃烧器运行时噪音大振动严重，燃烧效果差。在这种情况下操作者通常采用减少燃烧器输出的办法勉强运行。因此，对于高海拔地区的燃烧器选型计算时，仔细校核燃烧器克服锅炉阻力的能力是至关重要的。
(2)负荷调节不正确
由于天然气作为燃料价格相对较高，很多使用单位在燃烧器运行时，为了节约燃料采用和燃煤锅炉相似的低温常供运行方式，燃烧器长时间小火运行。由于高海拔地区的特点，燃烧空气量为平原的1/K倍，同等负荷条件下其理论燃烧温度相对比平原低，此时长期小负荷运行无疑会进一步降低排烟温度，低于露点温度时冷凝水大量出现，严重者集聚在后烟箱，造成了锅炉的迅速腐蚀，减少了锅炉使用寿命。所以从节约燃料和保证供热效果以及延长设备使用寿命的几个方面考虑，燃烧器在高海拔地区运行时采用高温间断供热的运行方式是比较好的选择。
(3)没有定期的维护、保养计划
燃烧器作为机电一体化产品，运行中的任何隐患都涉及到人和设备的生命财产安多。由于燃烧器进入我国时间相对较短和燃烧器专业维修人员相对缺少的原因，很多使用单位从燃烧器安装开始就不再进行产品标准所要求的检查与保养，致使燃烧器的运行事故时有发生，并且随着社会保有量的增加呈上升趋势。因此，在主管部门未出台燃烧器的强制检查、保养规定以前，各使用单位加强燃烧器运行中的班检、周检、月保养、季保养工作是十分必要的。
参考文献
［1］项友谦.燃气热力工程常用手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000，3.
［2］周淑贞.气象学与气候学［M］.北京：高等教育出版社，1985，5.
［3］赵钦新，惠世恩.燃油、燃气锅炉 ［M］.西安：西安交通大学出版社，2000，5.
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［5］张家诚.地学基本数据手册［M］.北京：海洋出版社，1986,3.
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