美国燃气协会燃气互换性公式评述(第三部分)
美国燃气输配运营监管、管道更新改造和对我国的启示 第三部分管道更新改造实践和成果
专家论坛Specialist F o ru mdoi:10.3969/j.issn.1671-5152.2020.12.003*美国燃气输配运营监管、管道更新改造和对我国的启示第三部分：管道更新改造实践和成果□美国环保协会（100007 )解东来摘 要：随着美国持续发展并对能源输送提出更多要求，有必要投资更新包括老旧管道在内的基础设施。
汇总了2010年〜2019年10年间美国燃气输配系统的管道长度、运营商数量、管道材质、燃气种类、建设年代等情况。
回顾了输配系统中铸铁管道和裸钢管道的使用情况。
在政府和运营商的共同努力下，美国在役铸铁和裸钢管道的数量持续减少。
截止到2019年，全国输配系统尚有铸铁主干管道34 235.06k m,庭院管道6 635条，裸钢主干管道6.8万k m,庭院管道170万条，已经有22个州和1个地区完全消除了输配系统中的铸铁管。
汇总了2000年以来美国输配系统的重大事故、严重事故，以及泄漏维修情况。
关键词：燃气输配管道更新铸铁管裸钢管管道事故泄漏缩略语英文缩写英文全称中文翻译DIMP Distribution Integrity Management Program输配管道完整性管理计划DOT Department of Transportation美国交通部NTSB National Transportation Safety Board美国国家交通安全委员会OPS Office of Pipeline Safety管道安全办公室PHMSA Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration管道与危险品安全管理局管道是天然气和危险液体产品运输的最安全、最 具成本效益的方法之一。
随着美国持续发展并对能源 输送提出更多要求，有必要升级、更新包括老旧管道 在内的基础设施。
2011年，在发生一系列重大天然气 管道事故后，美国交通部（DOT)管道与危险品安全 管理局（PHMSA)发出了行动呼吁，要求利益相关方加快高风险管道基础设施的维修、修复和更换。
韦弗法燃气互换性公式和图表的评述(一)
早 在上世 纪 的１ ９ １ ５ 年 ，美 国标 准局 就对 民用燃
具 的使 用做 了大规模 的调 研 ，调研 的结 果用燃 具及 其 运 行满意 范 围的常规 调定 图表示 （ 见 图１ ）…。图
随之发 生变化 的常规 图。 图 中 ，纵 坐标 用一 次 空气
系数Ｐ（ ％ ）、横坐标用热人力Ｉ（ ＭＪ ／ ｈ） 表示 。
籁
１ １
燃气热入力ＭＪ ／ ｈ 热人力ＭＪ ／ ｈ
图２ 燃具 调 定 的 常 规 图 ， 表示供气组成变化后燃具， 眭能 的 变 化
图 １ 燃 具 的 调 定 与 满 意 运行 范 围 的 关 系
４ ｌ 城市 燃气． 月 刊
李猷嘉 ・ 韦 弗 法 燃 气 互 换 性公 式 和 图 表 的评 述
／ 历 ＼
式 （ １ ）和式 （ ２）中的Ｈ、Ａ和Ｄ表示 燃 气 的热 值 、完 全燃烧 所需 的空气量 和燃气 的相 对密度 。ａ 、
ｓ
代 表调定气 和置换气 。 在 上两 式 的基 础上 可得 出燃气 互换 性 ３ ６ 号公 告
焰曲线表示。 见图３ ［ Ｉ ） 。 纵坐标为一次空气因数（ 半 ） ，
２ 代表 离焰新 指数的导 出Ｈ
由前所 述 ，燃 具运 行 中的 两个 限值 ：离 焰 与 回
火 ，与燃烧反应包括一 次空气 和二 次空气量 的大小关
一
箍 次 空 气 ： 箍
（１）
系较 大 ，与热 的释 放 量关 系较 小 ，因此 直接 采用 与
一
次 空气 有 关 的 ／ √ 而 不 是Ｈ ／ ｆ Ｄ作 主 要 变数 。离
的 实验 资料 和３ ６ 号公 告法 所使 用 的全部 数 据 。试 验 的燃具扩 大￣ Ｊ ｉ ２ ８ 种 ，有６ 种 调定气 ，分别 与９ ８ 、６ ５ 、 ５ ７ 、７ ２ 、９ ４ 和１ ３ 种置换气作 比较 ，其 中 ，相 应的２ ９ 、
LNG和管道燃气互换性
美国国家天然气委员会对于LNG和管道天然气可互换性的研究2005年3月，美国20多年来首座新建的LNG接收站在墨西哥湾投产。
这一年，美国进口LNG折合天然气184.7亿m3，仅占天然气消费总量的2.86％，但正在建设和已获批准的11个LNG接收站项目合计进口能力已达到每年2160亿m3天然气，此外还有更多的项目处在计划阶段。
根据美国国家石油理事会(NPC)2003年的预测，进口LNG在国内天然气消费总量中所占比例将于2025年提高到14％。
气化后的LNG与美国管网天然气相比，组分和热值存在较大差别，主要表现在LNG中含有较高比例的乙烷、丙烷和丁烷组分，基本不含氮气或CO2等惰性气体。
在用燃气利用设备转换为使用LNG 后，可能存在性能、安全、排放方面的问题。
LNG一旦大规模引进。
与管道天然气的“可互换性”将成为美国的一个全国性问题。
根据美国联邦能源管理委员会(FERC)的倡议，由美国国家天然气委员会(NGC)牵头，联合LNG、天然气管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构组成工作组(简称NGC+)，开展了燃气可互换性的研究，于2005年2月发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》。
NGC+对燃气“可互换性”的定义是：在不明显改变运行安全、效率和性能，或者不会明显增加空气污染物排放量的情况下，在燃烧设施中采用一种燃气替代另外一种燃气的能力。
这一定义与传统定义有所不同，传统定义主要关注燃烧性能是否受到影响。
1 燃气组分变化可能对燃气设备造成的影响目前在用的燃气燃烧设备大致可以分为两类：传统的燃气燃烧设备采用理想空燃比,通常对燃气组分的变化具有较强的忍耐力；低排放燃烧设备采用了各种精密的控制系统和尾气处理技术(例如“稀薄预混燃烧”技术)，有助于降低排放和提高效率，但对燃气组分变化的敏感程度有所增加。
2 燃气可互换性的衡量指标燃气可互换性可以通过一系列根据试验结果制定的量化的经验参数衡量。
液化气混空气燃气与天然气的互换性
液化气混空气燃气与天然气的互换性作者：杨庆泉苏…文章来源：网络论文点击数：36 更新时间：2007-6-25 20:56:13天然气西气东输工程的实施将改变我国城市能源结构，推动城市燃气事业的发展，很多城市将会相继引进天然气，可以预见21世纪将是天然气的时代。
上世纪末液化气混空气燃气成为一些中小城市发展城市燃气的首选气源，特别是江浙地区许多中小城市都把液化气混空气燃气作为主要气源供应各类用户。
将来天然气进入这些城市会碰到很多问题，其中首届一指的问题就是液化气混空气燃气与天然气之间的互换性，这一问题已引起了有关方面的关注。
本文就这两种燃气间的互换性问题进行探讨。
1 燃气互换性的判定方法两种燃气是否可以互换，虽然可以通过试验的手段加以确定，但总希望有一些公式进行计算。
由于影响燃气互换性的因素极其复杂，因而至今仍不能从理论上推导出计算燃气互换性的公式，而都是在大量的实验基础上得出一些判定燃气互换性的方法，因此所得方法都有——定的局限性。
作者曾于上世纪的80年代后期对燃气互换性的问题进行了较深入的研究，当时仅局限于第一簇燃气互换性的研究。
我国城市燃气分类标准中把液化气混空气燃气与天然气都列入一组，属第二簇燃气的范围内，村他们之间的互换性尚木进行深入的研究。
国际上对第二簇燃气互换性的判定，比较有影响的方法为美国燃气协会（A.G.A)方法、法国燃气公司德布尔(R Delbourge)方法和美国的韦佛(Weaver)方法。
德布尔方法需要通过对用基准气设计和进行初调整的燃具进行实验，得到互换曲线图，而我国的燃具与法国的燃具有较大的差别;韦佛方法虽然精度很高，但六个指数的限制，使燃气组分的可变化范围变得很小：A．G.A．方法的使用较为方便，其精度为85％-90％，但对燃烧产物中CO含量这一指标未加控制。
本文采用A。
G．A．方法对液化气混空气燃气与天然气的互换性进行探讨，并根据燃具的运行特性分析其产生CO的可能性。
[总结]最新天然气换算
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[总结]最新天然气换算石油天然气常用单位换算体积1立方米(m3)=35.315立方英尺(ft3)=6.29桶(bbl)1立方英尺(ft3)=0.0283立方米(m3)=28.317升(liter) 1千立方英尺(mcf)=28.317立方米(m3)1百万立方英尺(MMcf),2.8317万立方米(m3)10亿立方英尺(bcf)=2831.7万立方米(m3)1万亿立方英尺(tcf)=283.17亿立方米(m3)1桶(bbl)=0.159立方米(m3)热功1焦耳,0.10204千克?米,2.778×10,7千瓦?小时,3.777×10,7公制马力小时=3.723×10,7英制马力小时,2.389×10,4千卡=9.48×10,4英热单位 1卡(cal)=4.1868焦耳(J)1英热单位(Btu),1055.06焦耳(J)1千克力米(kgf?m)=9.80665焦耳(J)1英尺磅力(ft?lbf)=1.35582焦耳(J)1米制马力小时(hp?h)=2.64779×106焦耳(J) 1英马力小时(UKHp?h)=2.68452×106焦耳 1千瓦小时(kW?h)=3.6×106焦耳(J)1大卡=4186.75焦耳(J)油气产量1桶(bbl)=0.14吨(t)(原油，全球平均)1吨(t)=7.3桶(bbl)(原油，全球平均)1桶/日(bpd)=50吨/年(t/a)(原油，全球平均)1千立方英尺/日(Mcfd)=28.32立方米/日(m3/d)=1.0336万立米/年(m3/a)1百万立方英尺/日(MMcfd)=2.832万立方米/日(m3/d)=1033.55万立方米/年(m3/a) 10亿立方英尺/日(bcfd)=0.2832亿立方米/日(m3/d)=103.36亿立方米/年(m3/a) 1万亿立方英尺/日(tcfd)=283.2亿立方米/日(m3/d)=10.336万亿立方米/年(m3/a)1桶原油,5.8×106英热单位(Btu)1立方米湿气,3.909×104英热单位(Btu)1立方米干气,3.577×104英热单位(Btu)1吨煤=2.406×107英热单位(Btu)1千瓦小时水电,1.0235×104英热(Btu)热当量1桶原油,5800立方英尺天然气(按平均热值计算)=164立方米 1千克原油,1.4286千克标准煤1立方米天然气,1.3300千克标准煤1桶(bbl)=0.14吨(t)(原油，全球平均)1吨(t)=7.3桶(bbl)(原油，全球平均)1桶(bbl)=0.159立方米(m3)=42美加仑(gal)1吨原油=42340立方英尺天然气(按平均热值计算)=1199立方米天然气(按平均热值计算)1000立方米天然气,1.3300吨标准煤1吨原油,1.4286吨标准煤备注:以上为1990年美国平均热值资料来源:美国国家标准局按热量换算，1桶石油?6百万英热单位?150立方米天然气。
美国燃气协会燃气互换性公式评述(第二部分)
Ｉ ＼ 在英制单位中 热值 用Ｂｕｃ表示时 ，由于 ／ １ 半 。 ｔ／ ｆ
，
此值 太 小 ，容易 忽略小 数 点后 面的数 而造 成计 算错
误 因 常 ＿ｏ７ 表 ， 在 际 位 ， ， 而 用ｆｏ４ １ 示 但 同 单 巾 １ｏ
＼ ｈ ／
发生变化 。美 国燃气协会实验室利用其精 密燃烧 器对 多种单一燃气和研究 中所遇到 的全部混合气体 做了试 验 ，有各种数据Байду номын сангаас表 ，其 中各单 一燃气 在精密燃烧器
即述算 （ ）用 （ （ 。 前计 中式 所 的 ‘ ２ ） ）
同理 ，置换后 的火孔 负荷 比于调定 时的火孔 反
负 ｆ即 ， 前 计 中 式 ） 用 （ 考 即 述 算 （１所 的责） ，
ｆ １ 此 出了 述的（） ２ 两 由 导 前 １ ，（） 式。
如所供 燃气 的化学 组分 发生 变化 则燃 气燃 烧 的 极限特性 曲线也随着变化 ，也引起燃烧 器的运 行特性
燃气 的热值 。 由于英制单位 中Ａ 或２ 为１ 位数 ，ｈ ｑ 位 ．４ Ｙ ｌ 数 ，因而ａ 热值 为１ ０ ｔ／ｆ＇ 用 ０ ＢｕｃＮ 燃烧所需 的空气量ｍ， ］ 表示。在 国际单位 中可用 １ ／ ３ ＭＪ 燃气燃烧所需的空气 ｍ
在后述 的计算 中 ，斜率ｍ为常数 ，等于 一０ １ ， ． ６ ０ 与燃气 的性 质无关 ，而常数 值 （ 截距 ） “ ”决定离 Ｋ 焰极 限 曲线位置 ，可作为一个如 同燃烧速度那样 的燃 气离焰特性 的准则 。 “ Ｋ”值 与燃气 的化学 组成直接
整理成 以下通式 ：
蛔 Ｒ＝ ｍＬ＋ Ｋ （ ３）
有 相同 的值 ，就表示燃烧器 的头部有相 同的空气／ 燃
预测燃气互换性的各种方法论述(续)
标 预测 互换 性 的 由来 。随 着燃 气种类 的增 加 ．研究 范 围 的扩 大 ．又 考 虑 到 气 质 对 喷 嘴 流 量 系数 的影
响 ，又 出现 了校 正 的沃泊 指数 （ 尔布法 ）和有效 德
沃 泊数 （ 霍姆 维斯 脱法 ）等 。在 燃烧 特性方 面 ，也 开始 进行 深人 和定 量 的探讨 ．开 始 时只涉及 与火 焰
Ｉ Ｐ Ｉ Ｉ０ 【Ｗａ ２Ｃ ￣ Ｄ ＝ Ｏ （ ） １等 。 Ｐ －
Ｗ Ｓ
期运 行 中必须 确保 的。典 型 的简单 说 明是 （：如果 ）
供应 的是 一种高 甲烷 含量 的燃气 ．原来使 用燃 具 的
情 况 令 人 十 分满 意 ，即 火 焰 的状 况 良好 ．Ｃ Ｏ的生
在 关 于互换 性 的术语 中 ．指 明沃泊数 的含义是
在相 同 的压 力下 。 国的评 论 指 出（：早 在 １０ 美 ｎ ０ 年前
成量很 低 ：数就 增 大 ，一 次 空 气 引入 量虽 无 变 化 ， 但 完全 燃烧 所需 的空 气量增 大 了 ．因而一 次空 气系 数 下 降 ．于是在 火焰 的扩 散 区需 要有 更多 的空 气进 入 才能 完成燃 烧 过程 ，由于火焰 的拉 长 。更 多 的 冲 击 和接 触 冷 的加 热 器表 面 ，又 抑 制 了伸 长 的火焰 ，
（ ｉ ｔ ａｈ ａｋ （ 等 。且 为 试 验 人 员所 掌握 。有 Ｌｇ ｓｂ ｃ ） ｈｆ ｌ 回
统一 的认识 再 次要根 据试验 目的规 划好置换 气 的
试 验气 和配 制 方 法 的标 准 ：要 定 出试 验 环境 的标 准 ，如 体积 的参 照 状 态就 有 ２ ｑ 、ｌ ℃和０ ５ｃ ５ ℃等多
燃具 能力 的指标 ，也 是燃 具 的主要 性能 指标 ，是长
5.燃气互换性解析
华白指数法
• 以一种燃气置换另一种燃气，首先要保证热负荷在互换前后不发生大的 改变。 • 当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃气流量不变，燃具热负荷Q 与燃气热值 H 成正比，与燃气相对密度的平方根 s 成反比。 • 定义华白数
W
H s
这样，燃具热负荷 Q 就与华白数 W 成正比。
Q kW
• 华白数是代表燃气特性的一个参数。 • 设有两种燃气的热值和密度均不相同，但只要它们的华白数相等，就 能在同一燃气压力下和同一燃具上获得同一热负荷；如果其中一种燃气 的华白数比另一种大，则其所能达到的热负荷也大。因此，华白数又称 热负荷指数。 •当燃气性质改变时，除了引起热负荷改变外，还会引起燃烧器一次空气 系数的变化。根据大气式燃烧器引射器的特性，一次空气系数 ' 与 s 成 正比，与理论空气需要量V0 成正比。
• V0 与燃气热值 H 成反比；而W 与 H 成正比，因此 ' 与 H 成反比。这样， 一次空气系数 ' 就与华白数 W 成反比。 1 ' k' W
• 可以得出一个重要结论：如果两种燃气具有相同的华白数，则在互换 时能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数。如果置换气的华白数比 基准气大，则在置换时燃具热负荷将增大，而一次空气系数将减小；反 之，则燃具热负荷将减小，一次空气系数将增大。
• 为了达到这点，有时甚至需要“牺牲”一些其它方面的效益。但是，合 理的“牺牲”是值得的，它可以从提高制气经济性方面得到补偿。
• 在设计和调整燃具时，除了以基准气为主要对象外，还应预先估计到 可能使用的置换气，以便有针对性地采取措施扩大燃具的适应性。
• 一般来说，工业燃具对燃气的互换性要求较低，在考虑燃气互换性 时，主要应考虑燃气在民用燃具上能够互换。
美国燃气协会燃气互换性公式评述(第一部分)
美国燃气协会燃气互换性公式评述(第一部分)
李猷嘉
【期刊名称】《城市燃气》
【年(卷),期】2012(000)007
【摘要】美国燃气协会(A.G.A)的燃气互换性公式即美国燃气协会36号研究公报发表的公式,在我国的许多参考书中早已有所介绍,但至今未看到这些公式的理论基础、假设和形成的详细资料.根据计算结果,判定两种燃气能否互换时,公告原文本分成两类,即最佳值( Preferable)和不良值( Objectionable),无中间挡.我国有的文献中(9)分成合适、勉强和不合适3挡,但未说明“勉强”挡的出处和准确的内涵.范围的判定标准对这一方法的应用关系极大.从原文看, “中间挡”已突破了最初的理论假设条件,是在做燃具应用试验中出现的一些可允许情况,与原始的调定方法有关,是专对补充燃气而言,且并无“勉强”之意.本文引用了原文中的论述,可作进一步的研究.在已知所有的燃气互换性方法中,只有美国燃气协会的36号公告和韦弗法采用了数学公式分析的方法,曾做了大量的试验,内容十分丰富,可看到的资料也比较完整.本文尽可能的对36号公告法的试验结果作介绍,以加深对其研究思路的理解.对认识当前新形势下燃气互换性的问题也会有所帮助.
【总页数】6页(P4-9)
【作者】李猷嘉
【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院 300074
【正文语种】中文
【相关文献】
1.韦弗法燃气互换性公式和图表的评述(二)
2.美国燃气协会燃气互换性公式评述(第二部分)
3.美国燃气协会燃气互换性公式评述(第三部分)
4.美国燃气协会燃气互换性公式评述(第四部分)
5.韦弗法燃气互换性公式和图表的评述(一)
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第9讲 燃气互换性
IL IF
IY
AGA互换性判定及结果对比：
除回火互换指数误差稍大，一般在3%以内 比华白数和燃烧势判断更进一步 能对黄焰进行判定
2014/11/26 燃气燃烧与应用 29
习题：
1. 已知基准气成分：CH4—81.7%, C3H8—8.7 %, C4H10—6%, O2—0.8%, N2—1.8%, CO2—1.0%； (1)若用40％空气＋60％丙烷混合气作为置换气，能否置换基 准气？ (2)如用60％的基准气＋40％的混合气，能否置换基准气？
特性曲线特点:
两大决定因素，缺一不可： 燃气 燃具 相对平移性 同型燃具上，两燃气曲 线相对位置不变。
典型燃具 上能互换
2014/11/26 燃气燃烧与应用
类似燃具 上能互换
17
第三节 火焰特性的影响
互换性的判定步骤：
确定基准气 特性曲线 确定基准气 工况 计算华白数 变化 确定置换气 特性曲线 确定置换气 工况
？
燃具B 燃气s对燃气a 具有互换性
通用燃具：
可调喷嘴、一次空气阀、火孔盖。
2014/11/26 燃气燃烧与应用 7
第一节 燃气互换性和燃具适应性
针对燃气：
燃气互换性 燃气变化不能过大 选用新燃气有限制
燃气 互换 问题
针对燃具：
燃具适应性 适应燃气变化 设计时考虑适应性
2014/11/26
0.004 µ d 2 j 3600 H p s
p
ρg
0.004 µ d 2 j 3600 ρ a
华白数 H W= s
热值 相对 密度
燃气燃烧与应用
9
第二节 华白数
华白数：
燃气质量中的互换性问题
说 ．其 互换 条件 是燃 具按 长期 稳定供 应 的调节 燃气
ｆｄＵｔ ｎ Ｇ ｓ调 整后 ， 使 用 另一 种 组 分 的燃 气 Ａ ｊＳ ｍｅ ｔ ａ） 在
发动机 和 非燃烧 终端 用户 应用 （ｏ ｏ ｂ ｓ ｏ ｎ — Ｎ ｎＣ ｍ ｕ ｔ ｎｅ ｄ ｉ
在 缺乏 对燃 具有 影 响 的各 种 资料 时 ．用 燃气 贸易 市
场 中应 用 的互 换 性 逻 辑 图 （ ｔｒｈ ｎ ｅｂｌｙＢ ｘ以 Ｉ ｅｃ ａ ｇ ａｉｔ ｏ） ｎ ｉ 限定燃气 的应用 范 围 。该 委员 会对 我 国所处 的状况 也 进 行 了评 论 ． 出 了许 多 问题 和建 议 将 Ｌ 提 已 ＮＧ
会上 ． Ｇ Ｄ组 （Ｎ Ｐ Ｃ Ｌ Ｇ组 １ 以荷 兰 Ｒ ６Ｋ ｅｎＮ ｇｌ ｏｔ ０ ｌｉ ａｅ ｏｒ ｉ
燃气 互换 性是燃 气 用户 根据 安全 和效 率等 方 面 的需要 对供 气 质 量提 出 的要 求 。 天 然 气 供气 链 中 在
也就 是下游 应 用对供 气 上游 的要求 ， 因此 ． 于燃 气 关
发达 国家根 据 其 自身 燃气 工 业 的发 展 历程 ， 对
燃 气 互换 性 的研 究 已有 近百 年 的历 史 。 如美 国从 上 世 纪 二 十年 代末 已开始 研 究 国在 上世 纪 五 十 年 法 代 ． 国从 六十 年代 均有研 究成 果发 表 。 国均做 了 英 各 大 量 的试验 ， 累 了丰富 的经验 。 国对 国外燃 气 互 积 我 换 性 的理 论 和实 践研 究 的进展 也 十 分 关切 。 由于 但 我 国的燃 气工 业虽 起 步早 ． 发展 缓慢 ． 终未 能做 但 始
美国国家天然气委员会对于LNG和管道天然气可互换性的研究
特立尼达
ＬＧ Ｎ
９． ５６ ３８ ．４ Ｏ４ ．５
挪威 Ｌ Ｇ Ｎ
阿尔及利
ＬＧ Ｎ
卡塔尔
ＬＧ Ｎ
８． ８ ９１ ７ ０ ．７ ２ ５ ．０
尼ｆ利亚 ＝ ｊ
ＬＧ Ｎ
８ ．７ ９０ ７ ６ ．７ ２９ ．２
阿曼
ＬＧ Ｎ
８． ２ ６５ ８ ３ ．１ ３ ３ ．２
用 了各种精 密 的控制 系统 和尾 气处 理技 术 （ 如” 例 稀
标 包 括单一 指数 （ 白数 ） 多重 指数两 类 ： 华 和
ｆ１ 白数 ： 白数是 使用最 为广 泛 的单一 指数 ， １ 华 华 用于 衡量燃 气设 备单 位时 间 内的能量 输入 ．计算公
式为 ｗ： ，０５ Ｈｓ ．。其 中 Ｈ代 表燃 气 的高热 值 ， ｓ为燃
维普资讯
城市燃气 ２ ０ ／ ＼ １ ７ ） ０ ６ ８（ ｏ． ８ ／ ３
Ａ Ｒ Ａ Ｂ Ｏ Ｄ
天然气燃烧特性及其与其它燃气的互换性分析
(3) 火焰黑度较小 , 不利于炉内辐射传 热。
(4) 由于热值较高 , 原有配风系统难以满 足要求 , 可能造成碳黑的生成和不完全燃烧损 失增大 。
天然气将供应于以下几个领域 : (1) 用于 以 “燃气 —蒸汽联合循环”为代表的燃用天然 气的发电机组 ; (2) 将推广应用到工业 、民用 领域 , 用于电站锅炉 、工业锅炉 、生活锅炉 、 工业炉窑 、民用灶具和燃气热水器等 ; (3) 液 化天然气还将用于机动车辆 。
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34
冶 金 能 源 20 卷 3 期 200115
2 天然气的价格 表 1 是 1990 、1997 、1998 年国际市场化
石能源的价格〔3〕。表 2 是中国部分城市 1999 年 10 月中旬几种主要能源的价格〔3〕。
由于天然气热值较高 , 其单位热量价格较 低 , 这为其大规模的利用 , 创造了价格上的优 势 。但是 , 减少煤 、油 、液化石油气的消费 , 必然对传统能源产业的产量和效益带来直接的 影响 。煤矿企业缺乏活力 , 经营困难 , 职工下 岗 , 已是普遍存在的问题 , 加之西北 、西南 、 海域天然气开发 , 以及国外天然气引进 , 将面 临更严峻的挑战 。石化企业 、城市煤气公司也 都将不同程度的受到进口天然气的冲击 。若电
气体名称 CH4 CO H2
表 4 甲烷 、一氧化碳 、氢气的主要特性
美国燃气协会燃气互换性公式评述(第一部分)
９ ｍ ／ 。组分为 ：Ｃ ４５ ． ０ ｍ。 Ｈ 一９ ． ％，惰 性气体一５５ ． ％， 沃泊指数为４ ． ＭＪ 。 ７ ３ ／ ）。 ８ ｍ （ ３）高 惰 性 气 体 （ 量 ）天 然 气 （ 值 为 含 热 ３ ．６ Ｊｍ ，或 １ ０ Ｂｕｃ，相对密度为０６ ３ ７２ Ｍ ／ 。 ０ ｔ／ Ｏ ｆ ． ，燃 烧 ９ 的理论 空气量 为９３ ｍ ／ 。组 分为 ：ｃ 厂 ７ ．％， ．７ ３ ｍ， Ｈ ４ １
步 的研 究。
在 已知所有的燃气互换性方法中，只有关国燃气协会的３号公告和韦弗法采用了数学公式分析的 ６
方 法 ，曾做 了大量 的试验 ，内容 十分丰 富 ，可看到 的资料也 比较 完整 。本 文尽 可能 的对３号公 告 ６ 法的试验 结果作介 绍 ，以加 深对 其研 究思路 的理 解 。对认识 当前新 形势 下燃 气互 换性 的 问题也 会
ｄ ｉ Ｏ３ ６ ／．ｓ ． ７ —５ ５ ．０ ２０ ． １ ｏ： ． ９ｊ ｓ １ １ １ ２２ １ ． ０ ｌ ９ ｉｎ ６ ７ ０
美国燃气协会燃气互换性 公式评述 （ 第一部分 ）
口 中国市政工程华北设计研究总院 （ ０ ０ ４） ３ ０ ７ 李猷嘉
摘
要 ： 美 国燃 气协会 （ ．． 的燃 气互换 性公 式 即美 国燃 气协会 ３号研 究公报 发表 的公 式 ，在我 国的 ＡＧＡ） ６
强”挡 的 出处 和 准确 的 内涵。 范 围的判 定标 准对 这一 方 法的应 用 关 系极 大。从 原 文看 ， “ 中间
燃气互换性
燃气互换性概述由于气源的大幅增加，大规模管网的应用使得任何地方的电器、锅炉、燃烧器和电厂发电机组使用天然气作为气源有了可能，然而，各个气源的燃料成分常常各不相同。
此外，国内天然气需求量的增加已经引起了对煤基合成气、进口液化天然气、氢气以及氢气衍生气体等替代气体的关注，显然，燃气轮机的燃气互换性问题已成为当今工业界的一个重要课题。
现今，已设计了预混燃烧模式下低排放的燃气轮机来维持冷火焰状况，从而抑制NO X污染物的形成。
使用这项技术的燃气轮机已展现了低NO X排放的能力。
然而，LPM燃烧室更加容易受诸如喷气不足、回火和燃烧不稳定等不理想燃烧状况的影响。
这些现象都在不同程度上受到燃气组分的影响。
国内供应的天然气一般由90％多的甲烷、少量的重烃（乙烷和丙烷）和诸如氮、CO2和水蒸气等的惰性气体组成。
对于传统能源供应需求量的增加增强了人们对在预混模式下使用不同气体的兴趣。
如煤基合成气、进口液化天然气、氢气以及氢气衍生气体等。
虽然，合成气的组分差异较大，这些气体主要由H2和CO，少量的CH4，N2，H2O和CO2组成。
填埋气体的特点是热值较低，主要是因为燃气体积的40％都是CO2，剩下的主要是CH4和N2。
用于生产LNG的低温过程常常会引起美国国内天然气中惰性气体含量的减少。
然而，根据气源的情况，LNG可能比管道规范含有更多的C2和C3等碳氢化合物，因此，具有更高的热值。
例如氮气和空气等惰性气体能够与“热”燃气混合以减少热值。
表1中给出了燃气组分变化范围，燃气组分的变化可能会对燃烧产生影响，但是，燃气类型对预混汽轮机燃烧室性能影响的评估标准程序尚未被开发。
一些关于燃气组分和环境对LPM燃气轮机运行影响的研究已经公布。
表1各种气体混合的典型组分气体天然气填埋气煤基合成气示范LNGCH4（％）92.0 54.5 0.9 89.8C2H6（％） 3.6 - 7.5C3H8（％）0.8 - 2.0C4+（％） 1.5 - 0.7H2（％）- - 45.0 -CO（％）- - 49.0 -CO2（％）- 37.5 2.9 -N2（％） 1.8 7.0 2.2 0.2O2（％）- 1.0 -639 450 1415WI（％）1367（英制热量单位/立方英尺）Flores et al.和Hack及McDonell等人的最新研究结果表明，当将大量的重烃（C2+）加入到常规管道燃气时，NO X的排放量会增加。
美国燃气协会燃气互换性公式评述(第四部分)
４ Ｅ．． ｂ ｒ ａ ｔ ｒ１ Ｉ ｔ ｒ ｈ ｎ ｅ ｂ ｌ ｙｏ ｕ ｌ ｓ ｓ Ｊ Ｗｅ ｅ Ｃｈ ｐ ｅ ４＜ ｎ ｅ ｃ ａ ｇ ａ ｉ ｌ ｆ ｅ ｅ ＞ ｉ Ｆ Ｇａ
Ｇａ ｎ ｉ ｅ ｒ ａ ｄ ｏ ｋ Ｆ ｅ ａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｐ ａ ｔ ｅ ． ｓ Ｅ ｇｎ ｅ ｓＨ ｎ ｂ ｏ ． ｕ ｌＧ ｓＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｒ ｃ ｉ ｓ ｃ １ ６ ． ｈ ｎ ｕ ｔｉｌ ｒ ｓ ３Ｗ ｏ ｔ ｔ ｅ ｗ ｏ ｋ Ｎ． ９ ５ Ｔ ｅＩ ｄ ｓｒ ｅ ｓ ｒ Ｓ ｒ ｔ ａ Ｐ ９ ｈ ｅ Ｎｅ Ｙ ｒ ， Ｙ
李猷嘉 ・ 国燃气协会燃气互换性公式评述 （ 美 第四部分 ）
的页岩气等 。
所有上述燃气均期望通过量身定作后能成为通常
所称 的 “ 管道 质量燃 气” （ “ ｉｅ ｎ ｕｌｙｇｓ ） Ｐｐ ｌ ｅｑ ａ ｔ ａ” ｉ ｉ
Ａｓ ｏ ｉｔｏ ｓ ｃａ ｉｎ．１ ４ ９５
３Ｅ０ Ｒ ｓ ａｈｓＩ ｙ ａ， Ｅ 《Ｎ Ｅ ｃ ＡＮ Ｅ Ｂ ＬＴ ： ．． ｏｓ ｃ；－Ｈ ｍ ｎＥ ．Ｉ Ｔ Ｒ Ｈ Ｇ Ａ Ｉ ＩＹ ｂ ． ＷＨＡ Ａ Ｓ ＡＵ Ｅ Ｕ Ｒ Ｇ ＡＭ Ｉ Ｏ Ｔ Ｎ ＴＩ ＭＥ Ｎ ＞ Ｓ Ｆ ＬＰ Ｏ Ｒ Ｆ Ｒ ＲＡ Ｔ ＞ Ｎ
Ａｓ ｏ ｉ ｔ ｎ Ｆ ｒｔＰｒｎ ｉ ｇ Ｊ ｎ ａ ｙ １ ７ ， ｇ ｈ Ｐ ｉ ｔｎ ｓ ｃ ａ ｉ ｉｓ ｉ ｔ ａ ｕ ｒ ９ ３ Ｅｉ ｔ ｒ ｎ ｉ ｇ ｏ ｎ
Ｍａ ｃ ， ９ ８ ｒｈ １ ８
燃气转换成天然气 时的状况 。对基 础负荷 气的组成发
生这样 的变化在 当今是不希 望发生 的 ，很 多 国家已提
LNG和管道燃气互换性
美国国家天然气委员会对于LNG和管道天然气可互换性的研究2005年3月，美国20多年来首座新建的LNG接收站在墨西哥湾投产。
这一年，美国进口LNG折合天然气184.7亿m3，仅占天然气消费总量的2.86％，但正在建设和已获批准的11个LNG接收站项目合计进口能力已达到每年2160亿m3天然气，此外还有更多的项目处在计划阶段。
根据美国国家石油理事会(NPC)2003年的预测，进口LNG在国内天然气消费总量中所占比例将于2025年提高到14％。
气化后的LNG与美国管网天然气相比，组分和热值存在较大差别，主要表现在LNG中含有较高比例的乙烷、丙烷和丁烷组分，基本不含氮气或CO2等惰性气体。
在用燃气利用设备转换为使用LNG 后，可能存在性能、安全、排放方面的问题。
LNG一旦大规模引进。
与管道天然气的“可互换性”将成为美国的一个全国性问题。
根据美国联邦能源管理委员会(FERC)的倡议，由美国国家天然气委员会(NGC)牵头，联合LNG、天然气管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构组成工作组(简称NGC+)，开展了燃气可互换性的研究，于2005年2月发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》。
NGC+对燃气“可互换性”的定义是：在不明显改变运行安全、效率和性能，或者不会明显增加空气污染物排放量的情况下，在燃烧设施中采用一种燃气替代另外一种燃气的能力。
这一定义与传统定义有所不同，传统定义主要关注燃烧性能是否受到影响。
1 燃气组分变化可能对燃气设备造成的影响目前在用的燃气燃烧设备大致可以分为两类：传统的燃气燃烧设备采用理想空燃比,通常对燃气组分的变化具有较强的忍耐力；低排放燃烧设备采用了各种精密的控制系统和尾气处理技术(例如“稀薄预混燃烧”技术)，有助于降低排放和提高效率，但对燃气组分变化的敏感程度有所增加。
2 燃气可互换性的衡量指标燃气可互换性可以通过一系列根据试验结果制定的量化的经验参数衡量。
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互换性指数“ 黄焰端
“Ｉｖ” １．Ｏ １．０７ １．０４７ ０．９４２ ０．８８５ ０．９ｌ ０．９３５ ０ ５９７ ０．７３２ ０．７６６ ０．４８２ Ｏ．８４５ １．４９ｌ Ｉ．２６ｌ Ｉ．１１６ ０．９３７ ０．９９ ０．７６４ ０．９３３ Ｏ．６４５ ０．８０５ ０．５７８ ０．７０７ ０．５１ ０．６４６ ０．７３７ Ｏ．８５１ １．０３６ ０．６５５ １．０４３ ０．５３５ １．０２３ １．２６７ １．２４９ ０．６６９ ０．７９５ ０．５４８ ０．６５５ Ｏ．７３ ０．４７３ ０．６１５ ０．７８５ Ｏ．７６９ ０．８９９ Ｏ．６０５ Ｏ．８０６ ０．５０８ ０．６４６ ０．７３８
５．１
Ｋ值 根据混合燃气的化学组分可算出Ｋ值。已知Ｋ值
得数据，用数学分析方法建立以离焰、黄焰端和回火 ３个互换性指数公式的全过程，由此对互换性本质的 了解和认识可以得到进一步的加深。但公式只能提供 一个必要条件的期望值，在实际应用中，尚需有一个 充分条件，即互换性指数允许范围的判定值，必须考 虑到实际的使用情况，根据公式的计算与试验结果进 行比较后才能确定。作为重要的研究报告，文献５中 介绍了不同基础负荷天然气互换性指数的范围值，如 表５所示。 由表５可知，范围分成两档，即最佳值（Ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ） 和不良值（Ｏｂｊｅｃｔｉｏｎａｂｌｅ），在文献２和４中亦是如此。 我国有的文献中…９，有一中间项“勉强”但未说明 出处。对中间情况在研究资料中是如何评价的问题就 值得深究，南文献５可知，它涉及到许多试验中的调
调定气有不同的Ｉ．．极限值，且随Ｋ。的降低而减小。
对高热值天然气而言，当Ｉ。在１．卜１．１２之间时，
会出现点火和火孑Ｌ间传火困难的情况，如果只是短期 发生也被认为允许。特征是火焰只有少量离焰，当燃 烧器被加热后，火焰仍将稳定在火孔上。高甲烷与高
惰性天然气ＩＬ在１．０一１．０６和１．０一１．０３范围内的状态也
％
５８．５６ ５４．４４ ５２．５６
高热值天然气 高甲烷天然气 高惰性天然气
４ｌ＿５４ ３５．７３ ３７．２６
０．６４ Ｏ．５５８ ０．６９３
１０．５７５ ９．Ｏ ９３７
＋接公式（３）．Ｒ：２时Ｌ＝堡尘壁：—Ｋ－０—．３０１。 ０．０１６
０．０１６
１４ ｌ城市燃气．月刊
万方数据
李猷嘉・美国燃气协会燃气互换性公式评述｛第三部分）
２％丁烷＋２８％改制丁烷＋６０％高甲烷天然气
表７不同燃气黄焰端极限值的测得值与计算值的比较（％）
豢黎攀藜藩萋§攀攀藜霪ｉ黪ｉ蓥爹》ｌ藜ｉ瀚鹣蕾萌罄藜》鏊§蓥婺蘩霪藜攀繁麟鎏霪鬻 骥鬻■霸■澜 鬻蔫颤■麟藕ｊ
增碳水煤气（２９．８ＭＪ／ｍ，或８００Ｂｔｕ／ｃｆ） 增碳水煤气（２９．８ＭＪ／ｍ，或８００Ｂｔｕ／ｃｆ）＋７０％高热值天然气 增碳水煤气（３７．２６ＭＪ／ｍ，或１ ０００Ｂｔｕ／ｅｆ）＋２５％高热值天然气 增碳水煤气（５２．１６ＭＪ／ｍ３或１ ４００Ｂｔｕ／ｏｆ） 焦炉气（２９．８ＭＪ／ｍ３或８００Ｂｔｕ／ｃｆ）＋高热值天然气 焦炉气（３７．２６ＭＪ／ｍ３或１０００Ｂｔｕ／ｃｆ）＋高热值天然气 ３５％的丁烷＋６５％的发生炉气 ５５％的丁烷＋４５％的发生炉气 ３０％的丁烷＋７０％的改制丁烷 １５％丁烷＋３５％改制丁烷＋５０％高热值天然气 ５０％丁烷＋５０％改质丁烷 ２５％丁烷＋２５％改制丁烷＋５０％高热值天然气 ３０％丁烷＋７０％水煤气 ９％丁烷＋２１％水煤气＋７０％高热值天然气 ５０％丁烷＋５０％水煤气 ２５％丁烷＋２５％水煤气＋５０％高热值天然气 高热值天然气 高甲烷天然气 高惰性气体含量天然气 ８０％增碳水煤气（３７．２６ＭＪ／ｍ３或１ ０００Ｂｔｕ／ｃｆ）＋２０％高甲烷天然气 １５％丁烷＋３５％丁烷改制气＋５０％高甲烷天然气 ２７．５％丁烷＋２２．５％发生炉气＋５０％高甲烷天然气
・应用范围见随后的讨论
＋＋此值等于丽Ｋｄ，随后有论证。
１２ ｉ城市燃气．月刊
万方数据
李猷嘉－美国燃气协会燃气互换性公式评述（第三部分）
蒸鬻繁鬻蒸瀵蒸瀵鬣爨繁粪蒸濑壤麟麟黉蘸蒸壤蘸鬃鬻蕤蘩蒸懋 鬓颡獭■骥 鬻灏翻鞠辩ｔ
表６不同燃气离焰极限测定值与计算值的比较
高热值天然气 高甲烷天然气 高惰性气含量的天然气 增碳水煤气（２９．８ＭＪ／ｍ３或８００Ｂｔｕ／ｅｆ） ２９．８ＭＪ／ｍ３增碳水煤气＋２５％的高热值天然气 增碳水煤气（４４．７１ＭＪ／ｍ３或１ ２００Ｂｔｕ／ｃｆ） ４４．７１ＭＪ／ｍ３的增碳水煤气＋５０％的高热值天然气 焦炉气＋高热值天然气（２９．８ＭＪ／ｍ３或８００Ｂｔｕ／ｃｆ） 焦炉气＋高热值天然气（３３．５ＭＪ／ｒｎ３或９００Ｂｔｕ／ｃｆ） ３５％的丁烷＋６５％的发生炉气 ５５％的丁烷＋４５％的发生炉气 ３０％的丁烷＋７０％的丁烷改制气 ４０％丁烷＋３６％丁烷改制气＋２４％高热值天然气 ５０％丁烷＋５０％丁烷改质气 ３０％丁烷＋７０％水煤气 ４０％丁烷＋６０％水煤气 １２％丁烷＋１８％水煤气＋７０％高热值天然气
后，在任一火孔负荷下，不同燃气离焰时的一次空气 系数可按公式（３）求得，（３）式中ｍ＝一０．０１６，公 式可记为：ｌｏｇＲ＝一０．０１６Ｌ＋Ｋ 表６为不同燃气、取火孔负荷为３２．６８９６
ｋＪ／ｈ・ｍｍ２
（２０ ０００Ｂｔｕ／ｈ・ｉｎ：）时计算所得的Ｌ值（离焰极限的
一次空气系数）与Ａ．Ｇ．Ａ精密燃烧器实测数据的比较。 由比较可知，最大差值为３．２％，平均差值为０．９％， 在试验的误差范围之内。 ５．２黄焰端极限值Ｙ 如上所述，也可按燃气的化学组成计算。计算公 式见公式（１７）。计算结果与实测值的比较可见表７。 由表７可知，最大偏差为２．８％，平均偏差为１．Ｏ％。 表６和表７中列出的混合燃气都是研究中可能作为 补充燃气使用的燃气，涉及的范围很广。基础负荷气
Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ ６
一次空 气因数
¨‘“
一次空 气因数
‘‘ｆ
离焰极 限常数
“Ｋ” Ｉ．２３８ １．７０ ｌ＿５７２ １．３６７ １．５０７ １．４４２ １．３５１ １．３９７ １．３２６ １．３０８ １．４６８ １．３ １．５５２ １．４３９ １．３３５ １．１９３ １．２２ｌ １．２ １．２２４ １．２０５ １．２１８ １．２ｌ １．２１８ １．２１３ １．２２ １．２２８ １．１４３ １．２２４ １．１６５ １．２１ｌ １．１８３ １．２１０ １．１７２ １．１４２ Ｉ．５６５ １．４２５ １．４７５ １．４０５ １．３５９ ｌ ４０８ １．３４９ １．２９ｌ １．４０２ １．３０４ Ｉ．３６５ Ｉ．２９２ １．４１０ １．３５３ １．３１８
万方数据
２０１２／０９总第４５１期ｌ １３
有３种，以基础负荷气作调定气，再以表中列出的混 合燃气按不同的比例作为补充燃气ｘ寸３种调定气作置 换实验，并逐个的对其互换性进行分析。对上述３种 基础负荷气之间，也按以一种为调定气，另两种为置 换气的方法作置换实验，对其互换性进行分析，以这 样的实验数据作为互换性指数的确定基础无疑是很有 意义的。由于３种调定气是置换研究中的核心，将其 相关数据先用表８列出，可加深对其差异的理解。 ５．３计算所得互换性指数与燃具燃烧器实测结果的 比较 为了便于比较，用可控燃烧器的运行数据与计算 结果进行比较。Ｉ．．表示离焰、Ｉ。表示黄焰端，Ｉｖ表示回 火的极限值指数。对每一混合燃气在燃具燃烧器上的 运行数据用一次空气因数、离焰极限常数和黄焰端极 限Ｙ在表上列出。 表９为以高热值天然气，表１０为以高甲烷天然 气、表１ １为以高惰性天然气作调定气时与各种类型的 补充气互换时的计算值和运行数据的比较。 在表９、表１０、表１１中均出现了表５中最佳值与不 良值之间的互换范围，值得注意ｆ５】，说明如下： （１）当离焰互换性指数Ｉ。＜１．ｏｎ，－Ｊ，无离焰现象 发生。但当Ｉ。．＞１．０时，在整个研究中发现，离焰也只 发现于某些燃烧器上，对多数燃烧器而言，只要经 过一定的加热时间，燃具仍能获得满意的性能。对３ 种调定气，Ｉ．．的不良值究竟如何确定就值得研究。研 究表明，Ｉ。Ｊ的超过值是随调定气，Ｋａ值的降低而减小 的，其间明显有一个数量关系，这就是调节气离焰极 限常数Ｋ。值与互换性指数Ｉ。之间的比值是一个常数， 即１．１０５。由表８可知，高热值天然气的Ｋ。＝１．２３８，高 甲烷和高惰性天然气的Ｋ。值分别为１．１７２和１．１４２，因 此，Ｉ。的极限值就分别为＝１．１２，和１．０６和１．０３，不同
表９用热值为４１．５４ＭＪ／ｍ３，相对密度为０．６４的高热值天然气调定后。 燃具使用不同补充燃气时的运行性能和互换性指数的比较
补充燃气 满意性 补充燃气 在供出燃 能燃烧 气中的％ 高热值天然气 ２９．８０ＭＪ／ｍ３（８００Ｂｔｕ／ｃｆ）增碳水煤气
１００ １００ ７５ ３０ １００
不满意性能燃烧器数 黄焰端
与上述相似。 对满意性能的不同极限值作上述解释实际上也很 简单。如果在可控燃烧器上做运行试验时，确实是按 基础负荷燃气的离焰极限值调定，则只要Ｉ。大于１．０就 是离焰的不良值。但如动了可控燃烧器的风门，则一 次空气量可以在很大的范围内变化，甚至使燃烧器在 离焰极限值时不会有离焰发生。因而当今在燃气互换 性的定义中规定了对燃烧器不能变动的要求。还有一 种可能发生的情况是可控燃烧器的运行试验中，调定 的一次空气系数只是大致接近基础负荷气的离焰极限 值，从而处于调定气的最低极限值的范围。 （２）同理，互换研究巾所得说明黄焰端形成的 公式也是基于假设可控燃烧器是根据黄焰端限值调定 的。也即用Ｉ。表示的任一互换值，只要小于１．０，就会 产生黄焰端。如用高热值燃气在正常的范围内调定， 则其他燃烧器就没有必要再对其黄焰端极限值重新调 定。从表９可知，只要互换所得的结果Ｉ。值大于０．７就 可获得满意的运行性能。如果Ｉ。＜０．７，则在一些燃烧 器上就会出现黄焰端。 如用高甲烷天然气作调定气，由于风门可略为关 小，某些燃烧器的调定会正好接近其黄焰端限值。与 用高热值天然气调定的情况相比，就更不易有黄焰端 的情况发生。如果基础负荷气中加有较多的高甲烷天 然气，则Ｉ。的值在未达０．８之前，就完全不会有黄焰端