慧聪供热采暖网 摘要：环境变化，如温度、湿度、海拔高度，均对燃气采暖热水炉的燃烧工况有较大的影响，特别是海拔高度对燃气采暖热水炉燃烧工况的影响更大。因为高海拔地区空气中氧含量偏少，大气压低，容易造成燃气燃烧不充分或缺氧燃烧，可能会出现烟气超标、热负荷不达标、回火等不良问题。
关键词：高海拔；燃气采暖热水炉；热负荷；燃烧工况；氧含量
0引言
随着我国人民生活水平的不断提高，城市供暖变成一项基础且必不可少的、事关广大居民安全过冬的一项重要民生工程。自2012年西藏拉萨市供暖工程开工以来，天然气管道入户，燃气采暖热水炉开始走进广大普通藏民家庭。
由于拉萨地处雪域高原，冬季昼夜温差大、海拔高、空气稀薄、气压低、含氧量少，对燃气采暖热水炉燃烧工况和热负荷的影响很大。本文主要是分析和解决普通燃气采暖热水炉在高海拔地区使用适应性问题，以此来消除当地气候和环境对燃气采暖热水炉的影响，提出更加经济合理的解决方案，为广大藏民家庭提供安全、合格的产品。
高海拔地区主要以西藏拉萨地区为例，西藏拉萨气候主要特点如下。
西藏拉萨气候主要特点
1高海拔地区对燃气采暖热水炉的影响
在解决方案说明前，我们先简单介绍燃气采暖热水炉的基本原理。目前市场上产品按输出功率分，主要有18kW、24kW、28kW、32kW、36kW；按使用功能分，有采暖卫浴双功能、单采暖、单采暖带储水罐等；其整机的结构主要分为水路系统、燃烧系统、排烟系统、控制系统等，如图1所示。因此解决高海拔对燃气采暖热水炉的影响，也主要围绕以上几大内部结构进行改善。
1.1海拔对燃气采暖热水炉热负荷的影响
海拔高度和大气压力影响燃气采暖热水炉的热负荷，以广州为例，调试的燃气采暖热水炉安装在拉萨地区使用时，热负荷将偏小。通过GB25034-2010可得出对应的海拔高度与燃气采暖热水炉热负荷的关系。
Q—15℃、大气压101.3kPa、干燥状态下的折算热输入的数值，单位为千瓦（kW）；
Hi—15℃、101.3kPa基准气低热值的数值，单位为兆焦每标准立方米（MJ/Nm3）；
V—试验燃气流量的数值，单位为立方米每小时（m3/h）；
Pg—试验时燃气流量计内的燃气压力的数值，单位为千帕（kPa）；
Pa—试验时的大气压力数值，单位为千帕（kPa）；
tg—试验时燃气流量计内的燃气温度的数值，单位为摄氏度（℃）；
d—干试验气的相对密度的数值；
dr—基准气的相对密度的数值；
Ps—在tg时的饱和水蒸气压力的数值，单位为千帕（kPa）；
0.622—理想状态下水蒸气相对密度的数值。
根据以上计算公式可得出海拔高度与燃气采暖热水炉热负荷的对应关系，如表3所示。
例如：以迪森公司一款SD24-C4机型燃气采暖热水炉（热效率为91%）为例，为了保证在拉萨地区使用时输出的热负荷为24kW，在广州地区输出的热负荷应调试为28.5953kW。（以下举例均以该机型为例）
为了解决在平原地区调试好的产品可在高海拔地区（拉萨）使用，我们可通过提高喷嘴前的压力或增大喷嘴孔径，甚至增加燃烧器的火排，达到增加燃气流量来消除海拔高度对采暖热水炉热负荷的影响。
按设计计算可得以下燃气流量参数，分别是广州和拉萨两地对比，因此在产品出厂前调试时，产品的输入功率须按拉萨当地的输入功率折算出广州当地的功率参数进行出厂调试。
1.2海拔高度对燃气采暖热炉中燃烧系统的影响
燃气采暖热水炉大部分都采用大气式燃气燃烧系统，燃烧所需要的过剩空气系数一般为1.3～1.8。过剩空气过多，导致热效率降低，过少导致燃烧不充分。海拔高度越高，氧含量越少，高海拔的冬春季氧含量也有差异。如表4所示，过剩空气过少又会影响燃烧系统的烟气指标及燃烧工况，表现主要有以下几方面：
1）氧气不足情况下，烟气指标变差，如CO、NOX增高；
2）氧气不足情况下，影响火焰的稳定性，即火焰高度变长，严重的会导致火焰的外焰烧到主换热器；
3）氧气不足情况下，导致燃烧不充分，主换热器的翅片易产生碳颗粒，影响换热器使用寿命以及堵塞烟气通道。
我们设计的时候采用了以下的解决方案，可以有效改善在氧气不足情况下对燃烧系统的影响：
减少燃烧器的火排出口面流速以及增加火排的数量，可以有效解决燃烧时脱火现象及火焰高度拉长等问题，燃气燃烧更加充分，阀后压力不至于过高。
A燃烧器的火排出口面从槽形孔更改为圆孔加槽形，更加适应高原地区氧气不足情况。由燃烧器的火孔总面积FP公式可知：
式中Fp—火孔总面积（mm2）；
Q—燃烧器热负荷（kW）；
Hi—燃气低热值（kJ/Nm3）；
α＇—一次空气系数；
V0—理论空气需要量（Nm3/Nm3）；
vp—火孔出口气流速度（Nm/s）；
qp—火孔热强度（kW/mm2）。
hic=0.86Kfpqp×103（式2-2）
式中hic—火焰的内锥高度（mm）；
fp—一个火孔的面积（mm2）；
qp—火孔热强度（kW/mm2）；
K—与燃气性质及一次空气系数有关的系数。
式中hoc—火焰的外锥高度(mm)；
n—火孔排数；
n1—表示燃气性质对外锥高度影响的系数；
s—表示火孔净距对外锥高度影响的系数。
由式2-1中可知，燃气在充分燃烧的情况下，燃气低热值Hi和理论空气需要量V0是受海拔影响很小，本文不做讨论。燃烧器火排出燃气面从槽形孔更改为圆孔加槽形（如图2所示）。在热负荷一定情况下，燃烧火孔总面积FP增大，qp（火孔热强度）变小，圆孔加槽形结构使得燃气与二次空气混合更加充分。同时通过公式（式2-2和式2-3）可得，火焰的高度将降低，燃气的燃烧更充分，过剩空气减少，使得热效率增大。在满足冬季含氧量少的情况，夏季使用时热效率不至于降低的特点。
B增加大气燃烧器的火排数量：
1）由第1点中可知，高海拔地区对燃气采暖热水炉负荷的影响,燃烧器每排火排设计负荷一般为2kW，共12排火排，以一台24kW燃气采暖热水炉在拉萨地区使用为例，根据表3在平原地区输出的热负荷应调试为28.5953kW，理论上需要增加到14个火排。
2）选用合理燃烧器喷嘴，以提高一次空气的引射能力，使燃气和空气混合燃烧更充分。
我们通过以下喷嘴直径公式进行分析：
式中d—喷嘴直径（mm）；
Lg—燃气流量（m3/h）；
µ—喷嘴流量系数；
s—燃气的相对密度；
P—喷嘴前燃气压力（Pa）。
以及质量引射系数µ算法如下：
式中µ—质量引射系数；
V0—理论空气需要量；
α＇—一次空气系数；
s—燃气的相对密度。
大气式燃烧器的一次空气系数α＇通常为0.45～0.75，因为西藏空气中的含量相对少，V0理论空气需要量需要增大，所以燃烧器中质量引射系数µ需要增大，由公式2-4和式2-5可知，在高原上使用的燃烧器喷嘴直径d可以适当减小。
1.3增大风机的排风量，以便提供充分的氧气燃烧
燃气采暖热水炉大都采用强制排烟方式，风机在燃气采暖热水炉中的作用就是将烟气强制排到室外，同时使封闭的燃烧系统产生负压，通过平衡烟道将室外的空气吸入燃烧室以满足燃烧所需，使燃气充分燃烧。从表1可知，高原上（拉萨地区）氧含量大约只有平原地区64.3%，主要有以下两点影响：
其一、在高原上，为了保证燃气采暖热水炉中的燃气充分燃烧，必须增加风机风量Q，可通过增大风机的功率及涡轮；
其二、风压差开关动作参数的影响。
风压差开关的主要功能：用于检测烟管的通畅情况、在烟气超标前关闭设备（即CO浓度大于0.1%）以及风机的运行情况。其原理利用流体力学中的理论设计了文丘里管来采集负压，分别采集排烟管内或空气室负压的压力参数。由于采集的气压受到气压环境的影响，如大气压、环境温度。风压开关属燃烧系统的保护部件，为确保燃烧的安全起到关键的作用，因此其动作必须准确。
1.4高海拔对采暖水路循环系统的影响
在燃气采暖热水炉中，采暖水路循环系统的作用是将采暖水加热，并使其在采暖系统中循环。其核心部件就是循环水泵，其作用是提供热水在采暖系统中的循环动力。在西藏拉萨地区对水泵电机温升，水泵电机电晕的换向均有不利影响，因此设计水路系统中水泵功率要满足所需克服的水阻扬程。
1）海拔高，水泵电机温升越大，输出功率小；
2）高压电机在高原使用时要采取防电晕措施。
根据《工业泵选用手册》海拔高原对水泵选择使用时功率降低的关系计算如下：
△NC=[(h-1000)△i-(40-tat)]NC/100
式中△NC—电机轴功率下降值；
h—为当地海拔；
△i=0.01×电机温升极限/100；
F—级电机定子、转子温升极限145℃；
tat—使用地点的最高温度；
NC—水泵计算的轴功率。
1.5环境温度对燃气采暖热水炉的选型
燃气采暖热水炉进行独立采暖，其供热的热负荷必须与室外的传热热负荷达到平衡，这样才能够按用户要求达到舒适温度。建筑物的供暖热负荷，主要取决于通过垂直围护结构（墙、门、窗等）向外传递热量，它与建筑物的平面尺寸和层高有关，因而不是直接取决于建筑面积。用供暖体积热指标表征建筑物供暖热负荷的大小。计算详见《采暖空调制冷手册》（机械工业出版社，1997.10）。我们可以用以下公式就能计算出需要供暖热负荷的大小。
Q（取暖）=q（单位面积热负荷指标）×S（供暖面积）
其中Q—表示供暖热负荷的大小；
q—代表单位面积热负荷指标；
S—代表供暖面积。
单位面积热负荷指标我们可以估算出所需的热负荷：对北京地区居民取暖q一般取60Kcal/m2•h，而拉萨居民取暖q可取65～70Kcal/m2•h。
最后根据Q数值选用匹配输出热负荷的燃气采暖热水炉功率。
2总结
对高海拔地区开发合适的燃气采暖热水炉，需要从整个燃烧系统、排烟系统和采暖水路循环系统上调整，否则会出现回火、烟气超标、热负荷不达标等问题，给消费者带来影响，甚至出现安全隐患等。通过以上针对高海拔燃气采暖热水炉的调整，可以消除高海拔带来不良的影响。西藏拉萨的供暖工程给拉萨居民带来了温暖，同时也给燃气采暖热水炉带来了新的课题。
参考文献
[1]姜正侯编著.同济大学出版社，《燃气工程技术手册》
[2]全国化工设备设计技术中心机泵技术委员会编.化学工业出版社，《工业泵选用手册》
[3]王启，高勇，赵力军编著《关于海拔高度对燃气用具热负荷影响的对策研究》
[4]黄素逸等编著.机械工业出版社，1997.10《采暖空调制冷手册》
总编点评：
本文为“万和杯”第五届中国国际壁挂炉产业高峰论坛论文二等奖获奖文章。西藏地区的供暖作为一项政府对少数民族的民生工程，得到政府、燃气采暖热水炉厂家以及相关监管部门的大力支持，中国国家燃气用具质量监督检验中心（CGAC）先后四次委派专业实验室检测人员带着实验仪器到拉萨和生产厂家一起进行燃气采暖热水炉整机测试。本文称得上是总结之作，从高海拔对负荷的影响、对燃烧系统的影响、对水路系统的影响等不同方面做了全面的概述。环境温度对燃气采暖热水炉的选型的影响以及风机、风压开关的匹配等也做了介绍。高海拔地区的燃气用具适用性一直是燃气界的难题，对于效率的影响、回火问题和热负荷的调整、火排的设计等其实还有很多需要研究的课题。无论西藏还是青海都是属于高海拔地区，本文不仅仅有益于燃气采暖热水炉设计，对于燃气灶具、燃气热水器等燃气用具的设计都有指导意义。
