燃?xì)饩呷紵刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與探討

楊志杰

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

大部分的燃?xì)饩叨纪ㄟ^控制空燃比使燃燒工況穩(wěn)定。在現(xiàn)有技術(shù)中，控制空氣一般用到的技術(shù)是通過控制設(shè)定的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而間接的控制風(fēng)量；控制燃?xì)庖话阌玫降募夹g(shù)是通過控制燃?xì)獗壤y的電流，從而間接地控制燃?xì)舛螇毫ΑＲ陨线@種間接的控制風(fēng)量和燃?xì)舛螇毫Φ姆绞?，一般情況下，燃?xì)饩叨寄苷５剡\(yùn)行，然而燃?xì)饩邔?shí)際運(yùn)行的環(huán)境是變化的。當(dāng)燃燒阻力發(fā)生變化，煙管處有刮大風(fēng)或者燃?xì)饩邇?nèi)外冷熱差比較大的時(shí)候，間接的控制風(fēng)量則讓燃?xì)饩攉@取不到正確的空氣量；某些地方用氣高峰的時(shí)候，燃?xì)庖淮螇毫?huì)大幅度的下降，此時(shí)間接的控制燃?xì)舛螇毫t讓燃?xì)饩攉@取不到正確的燃?xì)舛螇毫?；以上兩種情況將導(dǎo)致實(shí)際空燃比發(fā)生改變，燃燒工況將會(huì)失控，燃?xì)饩邩O有可能進(jìn)入停機(jī)保護(hù)，導(dǎo)致用戶沒有辦法使用或者用戶體驗(yàn)差，生產(chǎn)廠家將會(huì)被投訴。本論文提到的技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，主要在于：

1）在控制系統(tǒng)中增加燃?xì)鈮毫εc風(fēng)壓傳感器。

2）當(dāng)系統(tǒng)阻力發(fā)生變化的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且在系統(tǒng)阻力恢復(fù)原狀后，系統(tǒng)自動(dòng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3）通過檢測燃?xì)舛螇毫Γ瑢?shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)舛螇毫Φ拈]環(huán)控制，直接將燃?xì)鈮毫εc風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)起來，無論燃?xì)鈮毫θ绾巫兓?，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速都將會(huì)跟隨著變化，保持燃燒工況的穩(wěn)定。本技術(shù)可以最大限度的提高燃?xì)饩呷紵姆€(wěn)定性，為燃燒控制奠定良好的基礎(chǔ)，是行業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是市場迫切的需求。

以下將從燃?xì)獾奶匦浴毫鞲衅?、風(fēng)量的控制、燃?xì)獾目刂?、?shí)驗(yàn)驗(yàn)證幾方面去論述。

1 燃?xì)獾奶匦越榻B

1.1 華白數(shù)的概念

式中:

W—華白數(shù)，或稱熱負(fù)荷指數(shù)；

H—燃?xì)鉄嶂担╧J/nm3），按照各國習(xí)慣，有些取用高熱值，有些取用低熱值；

s—燃?xì)庀鄬?duì)密度（設(shè)空氣的s=1）。

華白數(shù)是代表燃?xì)馓匦缘囊粋€(gè)參數(shù)。假設(shè)燃?xì)馊A白數(shù)不變的情況下，在同一燃?xì)鈮毫ο聼崴魉a(chǎn)生的熱負(fù)荷基本不變。

1.2 燃?xì)鈮毫εc熱負(fù)荷之間的關(guān)系

對(duì)于大氣式燃燒器，燃?xì)饬髁靠砂聪率接?jì)算：

式中:

Lg—圓形噴嘴的流量(m3/h)；

u—噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，尺寸和燃?xì)鈮毫τ嘘P(guān)，用實(shí)驗(yàn)方法求得；

d—圓形噴嘴的直徑（mm）；

PG—燃?xì)鈮毫Γ≒a）；

s—燃?xì)獾南鄬?duì)密度（空氣=1）。

熱負(fù)荷Q為：

式中:

K—比例常數(shù)。

當(dāng)燃燒器噴嘴前壓力不變時(shí)，熱負(fù)荷Q與燃?xì)鉄嶂礖成正比，與燃?xì)庀鄬?duì)密度的平方根成反比，與燃?xì)鈮毫Φ钠椒礁烧?，因此可以通過控制燃?xì)鈮毫砜刂茻嶝?fù)荷。

2 壓力傳感器的介紹

2.1 壓力傳感器的概念及應(yīng)用領(lǐng)域

2.2 壓力傳感器的基本構(gòu)造及工作原理

壓力傳感器的基本構(gòu)造請見圖1。由2.2可知燃?xì)馓匦灾械娜細(xì)鈮毫?，如將其施加于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，具體可見圖2。

圖1 壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 氣壓監(jiān)測流程

2.3 壓力傳感器的參數(shù)

壓力傳感器要應(yīng)用于檢測燃?xì)鈮毫t必須要求精度高，一致性好（具體請見圖3 壓力與輸出信號(hào)的曲線），能適應(yīng)較高溫度的工作環(huán)境。具體參數(shù)請見表1。

表1 壓力傳感器主要參數(shù)

圖3 壓力與輸出信號(hào)的曲線

2.4 氣壓傳感器應(yīng)用示意圖

如圖4所示。控制基板通過調(diào)節(jié)比例閥電流，利用氣壓傳感器反饋信號(hào)，形成閉環(huán)控制二次壓力。

圖4 氣壓傳感器應(yīng)用示意圖

2.5 流量／壓力與比例閥電流的曲線關(guān)系

現(xiàn)有的控制技術(shù)基本都是通過人工選擇液化氣或者天然氣，控制器再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序去控制比例閥的電流，從而控制燃?xì)饬髁炕驂毫?，從圖5可以看出他們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是，當(dāng)控制器需要自動(dòng)識(shí)別天然氣和液化氣時(shí)，這時(shí)候有燃?xì)鈮毫Φ臄?shù)據(jù)，則控制器進(jìn)行一定處理則可達(dá)到；另外在燃?xì)馇穳旱那闆r下，電流對(duì)應(yīng)的流量或者壓力就不準(zhǔn)確，因此引用采樣壓力，從而得出燃?xì)饬髁繒?huì)更加準(zhǔn)確。

圖5 壓力、流量和比例閥電流的曲線關(guān)系

2.6 壓力與熱負(fù)荷的曲線關(guān)系

由公式（2）、（3）繪制出壓力與熱負(fù)荷之間的曲線關(guān)系如圖6所示。

圖6 壓力與熱負(fù)荷的關(guān)系

3 系統(tǒng)對(duì)一次空氣的控制

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在燃?xì)饩呦到y(tǒng)中增加風(fēng)壓傳感器，風(fēng)壓傳感器連接風(fēng)機(jī)殼的風(fēng)壓取樣嘴，將讀取的風(fēng)壓值通過信號(hào)線傳輸給主控制器（圖7所示）；主控制器上的單片機(jī)通過當(dāng)前系統(tǒng)阻力和風(fēng)壓值計(jì)算出所需的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)壓，最終使系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3.2 軟件設(shè)計(jì)

通過以下步驟來完成恒風(fēng)量的技術(shù)，可以參考圖8。

圖8 風(fēng)速風(fēng)壓與負(fù)荷之間的關(guān)系

步驟一：以設(shè)定風(fēng)壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，以系統(tǒng)中反饋的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為參考值，在系統(tǒng)阻力發(fā)生變化時(shí)，提高設(shè)定風(fēng)壓值。具體方式為：通過實(shí)驗(yàn)測試得出系統(tǒng)最大燃燒負(fù)荷（Wmax）對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)壓（P1max）和無堵塞最大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1max），系統(tǒng)最小燃燒負(fù)荷（Wmin）對(duì)應(yīng)的最小風(fēng)壓（P1min） 和無堵塞最小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1min），介于最大燃燒負(fù)荷（Wmax）和最小燃燒負(fù)荷（Wmin）之間的負(fù)荷對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓（P1）和無堵塞風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1），則由線性關(guān)系計(jì)算得出。

步驟二：將計(jì)算得出的設(shè)定風(fēng)壓，由單片機(jī)通過反饋的風(fēng)壓進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)阻力發(fā)生變化（即風(fēng)機(jī)反饋轉(zhuǎn)速升高）的時(shí)候，反饋風(fēng)壓會(huì)下降，此時(shí)單片機(jī)通過提高一定的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可維持設(shè)定風(fēng)壓。

是的，這就是學(xué)生工作中的細(xì)，他需要像一顆頑強(qiáng)的細(xì)胞一樣，把積極的思想進(jìn)行復(fù)制，把健康快樂進(jìn)行感染，從而讓一個(gè)個(gè)獨(dú)立個(gè)體崛壯成長，成為國家未來的可用之才。我，一名高校輔導(dǎo)員，愿意做這一顆細(xì)胞君！

步驟三：通過實(shí)驗(yàn)測試得出系統(tǒng)最大燃燒負(fù)荷（Wmax）對(duì)應(yīng)的最大保護(hù)風(fēng)壓（P2max）和堵塞保護(hù)最大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S2max），系統(tǒng)最小燃燒負(fù)荷（Wmin）對(duì)應(yīng)的最小保護(hù)風(fēng)壓(P2min)和堵塞保護(hù)最小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S2min），介于最大燃燒負(fù)荷（Wmax）和最小燃燒負(fù)荷（Wmin）之間的負(fù)荷對(duì)應(yīng)的保護(hù)風(fēng)壓（P2）和堵塞保護(hù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S2），則由線性關(guān)系計(jì)算得出。

步驟四：當(dāng)步驟二中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到一定程度，系統(tǒng)雖然維持了設(shè)定風(fēng)壓，但是煙氣值不足以滿足國標(biāo)的情況下，通過計(jì)算S2與S1的差值和當(dāng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速S與S1的差值，得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速提升的百分比，然后計(jì)算P2與P1的差值，結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速提升的百分比來計(jì)算得出需要提升的風(fēng)壓值PE，最終設(shè)定風(fēng)壓值=P1+PE，然后單片機(jī)通過反饋風(fēng)壓進(jìn)行閉環(huán)控制。

步驟五：當(dāng)風(fēng)機(jī)反饋轉(zhuǎn)速大于或等于堵塞保護(hù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S2），系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以萬和JSLQ21-13GV56為例，進(jìn)行3米3彎和堵塞煙管的測試，各項(xiàng)性能均能滿足國標(biāo)GB 6932-2015《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌芬蟆?米3彎和堵塞煙管測試結(jié)果如表2所示，另外選取部分強(qiáng)制性及關(guān)鍵性能的條款的測試數(shù)據(jù)，具體如表3。

表2 測試結(jié)果

表3 分別通以天然氣和液化氣下的整機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)阻力發(fā)生變化的時(shí)候，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判別并且對(duì)設(shè)定風(fēng)壓做出調(diào)整，從而使風(fēng)量維持最適合的值，從而保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定。 此系統(tǒng)使燃?xì)饩叩目癸L(fēng)能力更強(qiáng)，因此適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，對(duì)于高樓層用戶、刮風(fēng)厲害的地區(qū)、室內(nèi)外溫差較大的地區(qū)，以上的用戶使用此技術(shù)的燃?xì)饩?，系統(tǒng)的穩(wěn)定性適用性更強(qiáng)。

4 燃?xì)鈮毫Φ目刂?/h2>

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在燃?xì)饩咧性黾尤細(xì)鈮毫鞲衅饔糜跈z測燃?xì)舛螇毫?，該燃?xì)鈮毫鞲衅骺梢允呛腿細(xì)獗壤y二合一體的；也可以是在燃?xì)獗壤y外面，通過傳壓管的方式將比例閥燃?xì)舛螇毫鬏斨羵鞲衅魈?；最后傳感器將壓力信?hào)傳輸給主控制器上的單片機(jī)（如圖9）。單片機(jī)根據(jù)收到的壓力信號(hào)輸出不同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)燃燒的穩(wěn)定性保證系統(tǒng)燃燒的穩(wěn)定性。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)式（3）得出如圖10所示的燃?xì)鈮毫εc負(fù)荷之間的關(guān)系，通過以下步驟來完成低氣壓燃燒控制的技術(shù)，具體參考圖11。

圖10 負(fù)荷與壓力關(guān)系

圖11 轉(zhuǎn)速與壓力關(guān)系

步驟一：以設(shè)定燃?xì)舛螇毫Υ鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)定比例閥電流，根據(jù)壓力傳感器反饋的燃?xì)舛螇毫Φ闹等フ{(diào)節(jié)不同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具體方式為：通過實(shí)驗(yàn)測試得出系統(tǒng)最大燃燒負(fù)荷（Wmax）對(duì)應(yīng)的最大燃?xì)舛螇毫Γ≒1max）和無堵塞最大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1max），系統(tǒng)最小燃燒負(fù)荷（Wmin）對(duì)應(yīng)的最小燃?xì)舛螇毫Γ≒1min）和無堵塞最小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1min），介于最大燃燒負(fù)荷（Wmax）和最小燃燒負(fù)荷（Wmin）之間的負(fù)荷對(duì)應(yīng)的燃?xì)舛螇毫Γ≒1）和無堵塞風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（S1），則由線性關(guān)系計(jì)算得出。

步驟二：將計(jì)算得出的燃?xì)舛螇毫1，由單片機(jī)通過反饋的燃?xì)舛螇毫ref進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速則根據(jù)反饋的二次壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為:

S1=[(Pref- P1min)/( P1max- P1min)]*( S1max - S1min)+S1min

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同樣以萬和JSLQ21-13GV56為例，測試不同的一次壓力下的燃燒工況，結(jié)果如表4。

表4 測試不同的一次壓力下的燃燒工況

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本論文機(jī)型在超低氣壓的時(shí)候仍然能夠正常燃燒，因此在用戶遇到用氣高峰導(dǎo)致的低氣壓情況時(shí)，機(jī)器還能正常運(yùn)行，極大的提高了機(jī)器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

5 結(jié)論

燃?xì)饪刂坪惋L(fēng)量控制屬于燃?xì)饩呖刂频闹攸c(diǎn)和難點(diǎn)，本文基于這兩點(diǎn)出發(fā)，借助近年市面上大量推出的壓力傳感器，改變原來燃?xì)饪刂?、風(fēng)量控制的方式，從而使燃?xì)饩咴诘蜌鈮旱臅r(shí)候仍然有很好的燃燒工況，同時(shí)在抗風(fēng)能力上有了很大的改進(jìn)，因此燃?xì)饩呖梢愿玫倪m應(yīng)環(huán)境，有更好的用戶體驗(yàn)，最后通過各項(xiàng)的測試驗(yàn)證，證明新技術(shù)的可行性。另外此技術(shù)也可以解決低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性的一些問題。以上所提到的，望能給予行業(yè)發(fā)展一定的推動(dòng)性。