空氣預熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制方法的研究

同濟大學　林立春　馮　良　鄧鈺才

空氣預熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制方法的研究

同濟大學林立春馮良鄧鈺才

基于空氣預熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制現(xiàn)狀，根據(jù)流體壓力、壓差、流量之間的耦合關(guān)系，提出了一種更具實用性且不受預熱空氣溫度影響的空燃比控制方法。文中采用AMESim仿真的研究方法，搭建了空氣預熱式燃燒系統(tǒng)空燃比控制性能測試平臺，測試該燃燒系統(tǒng)空燃比控制的可行性，同時驗證所建立AMESim模型的正確性。實驗結(jié)果表明：流量和壓力特性與理論分析的一致，驗證了該耦合控制方法在空氣預熱燃燒系統(tǒng)上的可行性；壓力特性的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，驗證了該AMESim模型的合理性和有效性。

空燃比冷端壓差控制閥空氣預熱燃燒AMESim

0　前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國在能源利用方面利用率低、排放高的問題日益凸現(xiàn)，這不僅使環(huán)境日益惡化，更影響到了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。空氣預熱燃燒技術(shù)因其充分回收排煙中的余熱、提高燃燒效率，被廣泛應用于燃燒系統(tǒng)中，成為節(jié)能減排的重要手段，但是空氣預熱燃燒系統(tǒng)易引起冷熱態(tài)空燃比漂移，導致點火成功率低、熱效率低、設(shè)備無法保持高效運行等問題。可見，具有空氣預熱的燃燒系統(tǒng)能否體現(xiàn)出節(jié)能減排等優(yōu)勢，空燃比調(diào)節(jié)和控制是關(guān)鍵技術(shù)之一。當前，國內(nèi)外空氣預熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制市場較小、空燃比控制相關(guān)產(chǎn)品有限、研究技術(shù)水平不高，因此進一步研究出一種經(jīng)濟、安全可靠且能廣泛應用的方法解決助燃空氣預熱溫度對空燃比影響的問題具有很大的市場價值和實用意義。

1　空氣預熱燃燒系統(tǒng)的空燃比控制難點

空氣預熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢突出，但存在一些控制難點：

空燃比可以用如下公式表示：

式中：α——過?？諝庀禂?shù)；

ma——空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

mg——燃氣的質(zhì)量流量，kg/s ；

ρa——空氣的密度，kg/m3；

ρg——燃氣的密度，kg/m3；

va——空氣體積流量，m3/s；

vg——燃氣體積流量，m3/s。

通常，當空燃比調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)完畢后，空氣與燃氣流量比值va/vg保持不變；在忽略其他微小因素的情況下，燃氣密度也不會發(fā)生變化；但空氣密度卻會隨著預熱空氣的溫度變化而發(fā)生變化，根據(jù)上述公式，可知空燃比就會發(fā)生飄移。

空燃比的穩(wěn)定性直接影響燃燒器的燃燒效率、污染物的排放和燃燒工況的好壞。空燃比漂移帶來的一系列問題如下：

(1)冷啟動時空氣過剩，從而可能引起點火成功率低，點火困難。

(2)由于冷啟動空氣過剩，熱效率低，使得鍋爐升溫緩慢。

(3)負荷變化時助燃風溫度變化，設(shè)備無法保持高效運行。

綜上所述，空燃比的調(diào)節(jié)是決定預熱空氣燃燒系統(tǒng)是否能達到節(jié)能減排目的的關(guān)鍵技術(shù)。因此，在調(diào)節(jié)空燃比過程中，必須將冷熱態(tài)溫度變化考慮在內(nèi)。

2　多級耦合控制方法理論研究

2.1多級耦合控制方法的設(shè)想

傳統(tǒng)控制方案中，系統(tǒng)首先從爐膛、空氣管道、燃氣管道取壓，并通過設(shè)置空氣側(cè)隔膜和燃氣側(cè)隔膜獲得一對壓差關(guān)系，即將壓力轉(zhuǎn)換為壓差，依賴壓差與流量之間的耦合關(guān)系Δp=kAL2，實現(xiàn)對空燃比的控制。這種模式的理論依據(jù)是壓力與壓差、壓差與壓差、壓差與流量之間的多層耦合關(guān)系。為效仿這種壓差控制模式，針對空氣預熱燃燒系統(tǒng)，在空氣管道冷端，即預熱器之前的空氣管道上設(shè)置孔板；在燃氣管道上設(shè)置閥門，將壓力轉(zhuǎn)換為壓差，從而構(gòu)造4個壓力，兩對壓差。這種獲取壓差的方式不必再從爐膛取壓，避免了空氣溫度變化對空燃比的影響。多級耦合控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　多級耦合控制系統(tǒng)原理

根據(jù)流體流動過程中壓差與流量的耦合關(guān)系，可以得出流經(jīng)空氣旁通管路上孔板和燃氣管道手動閥門的流體流動關(guān)系式：

將上述公式中的流量和密度用其標準狀態(tài)下的參數(shù)表示為：

將上述流量和密度公式帶入流體流動關(guān)系式為：

公式經(jīng)過變換可得旁通管內(nèi)空氣及燃氣管道內(nèi)燃氣流量的表達式：

式中：ξa,k——表示空氣旁通管道上孔板的局部阻力系數(shù)；

ξg,f——表示燃氣管道上手動閥門的局部阻力系數(shù)；

Aa,k——表示孔板的流通面積，m2；

Ag,f——表示燃氣管道上手動閥門的流通面積，m3；

ρa、ρg——分別表示空氣、燃氣的密度，kg/m3；

La、Lg——分別表示空氣旁通管、燃氣管道內(nèi)體積流量，m3/s；

ρan、ρgn——分別表示標準狀態(tài)下，空氣、燃氣的密度，kg/m3；

Lan、Lgn——分別表示標準狀態(tài)下，空氣旁通管、燃氣管道內(nèi)體積流量，m3/s；

ta、tg——分別表示預熱前空氣、燃氣的溫度，℃；

Kak、Kgf——分別表示空氣旁通、燃氣管道的阻力系數(shù)，m1.5/kg0.5；

ΔPa、ΔPg——分別表示孔板、手動閥門前后的壓差，Pa。

零壓閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其出口處與取壓管處壓力存在如下關(guān)系：

空氣主管內(nèi)的空氣燃燒后最終排向大氣。根據(jù)上述公式推導可得，作為空氣主管路內(nèi)的流體，其流量同樣可表示為：

因旁通管上的波紋形加熱盤管細而長，能夠?qū)⑴酝ü軆?nèi)空氣迅速加熱到與空氣預熱器出口近乎相等的溫度，故可將旁通管內(nèi)空氣的溫度特性近似看做與空氣預熱器出口處空氣的溫度特性近似相等，即：

空氣主管內(nèi)空氣流量與空氣旁通管內(nèi)空氣流量比值為：

將公式(15)代入得：

式中：Aa,k′——表示空氣主管的流通面積，m2；

Aa,k″——表示零壓閥后面一段空氣旁通管的流通面積，m2；

Ka,k′——表示空氣主管阻力系數(shù)，m1.5/kg0.5；

Ka,k″——表示零壓閥后面一段空氣旁通管阻力系數(shù)，m1.5/kg0.5。

當空氣旁通管與空氣主管結(jié)構(gòu)不變時，Aa,k′、Aa,k″、Ka,k′、Ka,k″也基本不變，故公式(17)中流量的比值為一個定值，假定為k。

則有如下關(guān)系式：

該燃燒系統(tǒng)空燃比表示為：

若閥門執(zhí)行器能夠使得壓差之間滿足線性關(guān)系，即：

則空燃比可表示為：

綜上所述，只需要保證旁通管上空氣側(cè)壓差與燃氣側(cè)手動調(diào)節(jié)閥處壓差為線性關(guān)系，就能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比穩(wěn)定。

3　冷端壓差比例閥的AMESim模型建立

3.1冷端壓差比例閥空間結(jié)構(gòu)及工作原理分析

本文在已有閥門的基礎(chǔ)上進行改造，設(shè)計出一種冷端壓差比例閥，使得旁通管上空氣側(cè)壓差與燃氣側(cè)手動調(diào)節(jié)閥處壓差為線性關(guān)系。該冷端壓差比例閥的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2所示。通過該閥門結(jié)構(gòu)，空氣側(cè)正負壓差作用于空氣側(cè)隔膜，燃氣側(cè)正負壓差作用于燃氣側(cè)隔膜，通過中間閥芯，作用力得以傳遞，并通過設(shè)置彈簧平衡閥芯的重力。最終，在穩(wěn)定狀態(tài)下實現(xiàn)壓差的平衡關(guān)系。

從圖中可見，其結(jié)構(gòu)包括四個腔體、三個波紋形隔膜、彈簧、閥芯、閥桿。

圖2　冷端壓差比例閥的結(jié)構(gòu)示意

3.2冷端壓差比例閥模型

為設(shè)計出可行且精確性更高的冷端壓差比例閥，本文采用了AMESim軟件建模的方法對所設(shè)計冷端壓差比例閥的各基本組成部分(包括四個腔室、三個隔膜、彈簧、閥芯等)的物理特性進行研究，確定各組成部分的基本參數(shù)(腔室體積、隔膜截面積、隔膜彈性系數(shù)等)。本文建立冷端壓差比例閥的AMESim模型，如圖3所示：

圖3　空燃比多級耦合控制系統(tǒng)的AMESim模型

圖中的空燃比多級耦合控制系統(tǒng)的AMESim模型是結(jié)合冷端壓差比例閥的空間結(jié)構(gòu)和工作原理，通過AMESim應用庫的元件等效建立的，模型中的每一個基本元件與所研究冷端壓差比例閥的物理元件是一一對應。本系統(tǒng)的可行性證明僅涉及到壓力，且為了保持與實驗的一致性，系統(tǒng)中燃氣也使用空氣作為氣體工質(zhì)，根據(jù)需求差異取不同的壓力值，恒溫恒壓氣源7、9中的氣體壓力是給冷端壓差比例閥提供的空氣旁通管道上孔板前后產(chǎn)生的壓力，而恒溫恒壓氣源6中的氣體壓力是燃氣入口壓力。11(腔室q3)和14(腔室q4)是冷端壓差比例閥的燃氣取壓側(cè)的腔室，仿真模擬中所需要觀察的變量即為該腔室的壓力，氣體經(jīng)過該腔室通過可調(diào)限流閥12流出，可調(diào)限流閥對應系統(tǒng)中燃氣管道上的手動調(diào)節(jié)閥，控制信號模型可以控制閥門的開度來模擬流量的變化。

3.3各子元件參數(shù)設(shè)置

要完成系統(tǒng)的仿真，其中各個子元件的參數(shù)設(shè)置是關(guān)鍵。各元件的參數(shù)設(shè)置將會影響到系統(tǒng)的動態(tài)特性(衰減比、余差、最大偏差、過渡時間、震蕩周期)，嚴重時會影響到系統(tǒng)性能，如出現(xiàn)震蕩、超調(diào)等。

影響冷端壓差比例閥性能的因素很多，包括各腔室(q1、q2、q3、q4)體積、彈簧剛度、燃氣側(cè)隔膜直徑、空氣側(cè)隔膜直徑、閥桿及閥芯等重力元件的質(zhì)量、閥芯直徑。這些因素是綜合作用的，應利用AMESim軟件多次調(diào)節(jié)各物理元件參數(shù)使得冷端壓差比例閥動態(tài)特性良好。

3.4冷端壓差比例閥AMESim模型的運行模擬

冷端壓差比例閥是否可行，可通過AMESim模型的仿真模擬進行初步驗證。利用該仿真平臺可以對冷端壓差比例閥的靜態(tài)和動態(tài)特性進行模擬仿真。仿真時，保持燃氣入口壓力為2 kPa，并通過設(shè)置腔室q1、q2的壓力，產(chǎn)生幾個不同壓差，輸出該不同壓差下腔室q3、q4之間的壓差。部分仿真曲線如圖4至圖6所示：

圖4　空氣側(cè)壓差為0.25 kPa時的仿真曲線

圖5　空氣側(cè)壓差為0.30 kPa時的仿真曲線

圖6　空氣側(cè)壓差為0.35 kPa時的仿真曲線

從仿真曲線中我們可以看出：隨燃氣側(cè)壓差從小到大變化，過度時間和工作周期的變化趨勢是逐漸變小，而震蕩頻率則逐漸增大。過渡時間短，說明過渡過程進行得順利，這時即使干擾再次出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應。在相同的衰減比條件下，周期與過渡時間成正比，通常希望周期短一些較好。

圖7為模擬空氣側(cè)壓差和燃氣側(cè)壓差關(guān)系的折線圖，從圖中可以看出，燃氣側(cè)壓差與空氣側(cè)壓差的比值近似為2.0。

圖7　空氣側(cè)壓差與燃氣側(cè)壓差線性關(guān)系

4　實驗系統(tǒng)設(shè)計及分析

4.1實驗裝置和操作

本實驗測試目的是測試冷端壓差比例閥的靜態(tài)特性，主要包含壓力特性和流量特性兩部分，并將實驗結(jié)果與AMESim仿真模擬得出的結(jié)論進行對比，驗證模型的正確性。本文設(shè)計的多級耦合控制系統(tǒng)性能測試示意圖如圖8所示。基于此，搭建多級耦合控制系統(tǒng)性能測試平臺。

圖8　多級耦合控制系統(tǒng)性能測試示意

首先調(diào)節(jié)壓縮空氣管道上的調(diào)壓器，使出口壓力穩(wěn)定在2 kPa，然后通過風機控制面板調(diào)節(jié)直流無刷風機的占空比PWM，改變風機風量，模擬不同負荷下的燃燒系統(tǒng)工況。記錄下不同風機占空比下的空氣側(cè)壓差及燃氣側(cè)壓差，并通過燃氣管上浮子流量計讀出燃氣側(cè)流量。

4.2靜態(tài)特性試驗數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)和AMESim軟件仿真數(shù)據(jù)如下表1所示。分析實驗數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

表1　數(shù)據(jù)記錄表

4.2.1冷端壓差比例閥的壓力特性良好

實驗測得不同負荷下空氣側(cè)壓差與燃氣側(cè)壓差的數(shù)據(jù)點分布，對這些數(shù)據(jù)點進行添加趨勢線操作，得到冷端壓差比例閥壓力特性曲線，如圖9。

從圖9中可以看出，燃氣側(cè)壓差與空氣側(cè)壓差在不同負荷下呈線性關(guān)系，比例系數(shù)近似為2.3。這說明冷端壓差比例閥壓力特性良好。

圖9　冷端壓差比例閥壓力特性

4.2.2冷端壓差比例閥的流量特性良好

實驗測得不同負荷下燃氣流量和空氣側(cè)壓差的數(shù)據(jù)點分布，對這些數(shù)據(jù)點進行添加趨勢線操作，到冷端壓差比例閥的流量特性曲線，如圖10。

圖10　冷端壓差比例閥流量特性

從圖中可以看出，隨風機占空比的不斷增大，即系統(tǒng)負荷的增大，空氣側(cè)壓差與燃氣側(cè)流量都具有逐漸增大的變化趨勢，二者基本呈二次方的關(guān)系。這完全符合流體力學中流量與壓差的關(guān)系，說明冷端壓差比例閥的流量特性良好。

4.2.3AMESim仿真模型具有一定準確性

實驗測得的壓力特性曲線與AMESim仿真模擬得出的壓力特性曲線的對比如圖11所示。

圖11　壓差關(guān)系對比

從圖中可以看出，通過實驗和AMESim軟件仿真得出的結(jié)果基本一致：燃氣側(cè)壓差與空氣側(cè)壓差呈線性比例關(guān)系，比例系數(shù)約等于2。對比結(jié)果表明，AMESim仿真模型具有一定準確性。

5　結(jié)語

本文針對空氣預熱燃燒系統(tǒng)存在的工程實際應用問題，設(shè)計出一種更簡便、可行、經(jīng)濟、有效的空氣預熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制系統(tǒng)，通過實驗驗證的方式，驗證了該多級耦合控制系統(tǒng)是解決預熱空氣燃燒系統(tǒng)空燃比問題的一種有效方法。同時，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，二種情況下的系統(tǒng)性能基本一致，表明該AMESim仿真模型具有一定的準確性，為此后系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

Research on Air-fuel Ratio Control Method in Preheat Combustion System

Tongji UniversityLin LichunFeng LiangDeng Yucai

Based on the present air-fuel ratio control method, this paper puts forward a more practical air fuel ratio control method, which can avoid being influenced by air-preheating temperature. The AMESim simulation research method is the approach as taken in this paper. The paper also analyses the results of performance testing in the laboratory platform, and draws some conclusions such as the feasibility of this new method and the validity of the AMESim model.

air-fuel ratio, cold end pressure control valve, air-preheating combustion, AMESim