燃气的组份

燃气的组份

一、引言

天然气没有固定的组份，采出气体的成分取决于采出的地点，井与井之间都不相同。因此不可能总是供应相同组份的燃气，气质有限的变化是可以接受的。高峰供气期间补气时如果加入丙烷、丁烷或液化天然气（LNG）时天然气的组份的变化会更大一些。此时丙烷可能增加到40％；如果加入液化天然气会导致甲烷和乙烷剧烈的增加；如果甲烷为丙烷或丁烷所代替，必须加入氮气或二氧化碳等惰性气体以便得到同样的单位容积热值。

燃气公司有责任向用户供应符合一定质量标准的天然气。

从世界范围来说，表1中给出了几处天然气气质规格的主要区别。

表1 天然气的组份和性质(气体组份按体积％)

表1中所列的气质规格主要是用来满足输气管道的要求和工业与民用用户的需要，而对作为发动机燃料的天然气性质未计在内。

满足同样规格的不同批号的天然气，其化学组份可以有很大的不同，因为天然气不是以其化学组份而根据其所含能量来供应的。在这个意义上，最重要的性质是：

●密度

●热值

●沃伯指数（Wobbe index，沃伯指数为燃料低热值除以相对密度的平方根）

沃伯指数一般是各种燃气混合气气质的一个重要的度量指标。燃气公司有责任保持气体组份在一规定的沃伯指数范围内，而使燃气装置的安全得以保证。本文将阐述沃伯指数对天然气发动机也是非常重要的。

表2 列出了几种重要燃气的沃伯指数

表2 沃伯指数

天然气作为发动机燃料其化学组份就显得非常重要，因为它影响发动机的性能和排放。燃气组份对发动

机性能的影响将在第二，三节中，对排放的影响将在第四节中讨论。

如果将压缩天然气用于天然气汽车上，必须首先将它压缩到250bar左右，然后将燃气在同样压力下储存在气瓶内。当汽车充气时，首先发生从250bar到差不多0bar的气体膨胀；在充气期间，这个膨胀减少到约50bar。燃气组份对这个过程的影响将在第五节中讨论，同时还分析燃气组份对所用气瓶材料的影响。

二、燃气组份对发动机性能的影响

目前发动机已发展到能在最低燃料消耗下达到高效率、高动力特性和高操作可靠性。

而且，它们的排气也对环境污染很小。

火花点火式发动机的特性和废气排放与点火正时、燃烧速度、抗爆性（见第三节）和空燃比有关。要得到最佳结果要求有恰当的点火正时、合适的燃烧速度、较高的抗爆性能和可燃混合物燃料含有足够高的能量。

对于可燃混合物燃料，燃料（天然气）与所加入空气的均匀混合是非常重要的。由于天然气的组份可以在一定范围内变化，因而也会影响发动机的特性。在这方面，下列的性质是很重要的：

●密度；

●热值，即沃伯指数；

●理论空燃比；

●抗爆性。

可燃混合气所含能量一部分依赖于燃气组份，但主要是依赖于空燃比。

高的热效率要求高的压缩比，也就是需要燃料有高的抗爆性。

在发动机所有工况下必须控制理想的当量空燃比，以便减少排放和获得最佳性能和效率。

燃气组份对发动机性能的影响可以由两个指标恰当的表示：沃伯指数和甲烷值（见第三节）。

如果沃伯指数保持不变，燃气组份的变化不会导致空燃比和燃烧速度有明显的改变。但燃气组份变化时会导致能量密度和可燃混合气抗爆性的变化。实际上如果沃伯指数保持常数时，发动机的特性看来是几乎不变的。

变化的沃伯指数会影响发动机的特性，并且沃伯指数改变时需要调整空燃比。

沃伯指数增加很大而对化油器系统没有进行任何调整时，其结果是混合气燃烧速度的加快，最大有用功率增加而抗爆性降低。

沃伯指数降低很大而不调整化油器会导致不稳定的燃烧和着火不良，很明显这对发动机的稳定性和输出功率有负作用。

1．对发动机效率的影响

确定发动机效率的一个重要因素是可能接受的最大压缩比。

由于很多发动机是按液体燃料的压缩比设计的，不能最大限度的利用天然气的高抗爆性。这与专为天然气燃料设计的发动机是不同的。

确定发动机效率的第二个重要因素是空气－燃料比（即空燃比）。可燃混合气中含有比完全燃烧（λ

＝l）所需要的空气稍微少一点时可以使发动机发出最大功率。最高效率是在λ＝1.05－1.30的范围内得到。这就带来一个缺点：NOx排放高。

如果空燃比增加，可燃混合气所含能量降低，导致功率较低。

2．对输出功率的影响

为了使燃气发动机发出最大的功率，发动机应该使用比理论混合气稍浓一些的可燃混合气来运行，热值较高的燃料混合气可以发出更大的功率。

理论可燃混合气所需要的空气体积取决于燃料的组份，重烃比轻烃燃烧时需要更多的空气。

汽油机改用LPG作为燃料时，在λ＝1的情况下会导致理论功率损失7％；如果用格罗宁根（荷兰，G roningen）天然气损失为16％。

表3 燃料气的容积低热值和理论空燃比状态下混合气所含能量

空燃比的改变比燃气组份对功率输出的影响更大。

增加空燃比意味着增加过量的空气，这会导致混合气含有的能量减少。在自然吸气发动机中，从λ＝1增加到λ＝1.5可导致功率损失30％。对于涡轮增压发动机的功率输出在一定程度上可以通过提高进气歧管压力来保持。

3．对着火性的影响

在奥托发动机中，由占火系统产生的火花来点燃气缸中的燃料－空气混合气。混合气是否容易着火取决于空燃比和燃气的组份。

在可燃性和爆炸（着火）范围之间有很密切的关系。

在发动机中，着火范围要比一些资料所提供的范围窄。因为资料所提供的范围一般是在大气压下均匀静止的混合气所测得的数据，而气缸中的混合气则既不均匀又不静止，再有，着火与电极的尺寸、温度、火花塞间隙、混合气的温度和充气系数有关。

点火正时提前太多会由于燃气混合气的低温、低密度而导致着火不良。

如果过剩空气系数在λ＝0.9和λ＝1.5之间时，天然气的着火一般没有问题。较高的过剩空气系数传统导致着火发生问题。在开式燃烧室中过剩空气系数可达λ＝1.65，这可以减少NOx的排放。

对于稀薄燃烧，在天然气中加入丙烷可使着火范围变窄。如果为了满足沃伯指数而加入CO2和N2，会增强这种影响。

4．对燃烧速度的影响

火花点火发动机的正常燃烧是起始于火花生成至火焰传播到燃烧室壁为止，这时的燃烧速度决定了燃烧过程的长短。要保持燃烧消耗在合理的水平上，燃烧过程不能太慢；而燃烧进行得太快则会引起机械负荷高和产生噪音。

混合气浓度的变化主要影响燃烧过程的第一阶段。λ从理论混合比起往上增加会导致燃烧过程的第一阶段加长继而影响整个燃烧过程。这意味着按理论混合比确定点火正时的发动机，混合气变稀时，其点火正时要提前。

加入惰性气体如氮气和二氧化碳，会降低燃烧速度，此时，需要将点火正时提前。

在使用理论空燃比混合气的情况下，LPG的燃烧过程比天然气要快一些；从LPG转化到天然气时点火正时需推迟几度以防止爆震。

三、燃气组份对抗爆性的影响

在正常运行的发动机中，气缸中的燃烧过程是逐步进行的。而在爆震燃烧时就不是这样的了。