燃氣全預混燃燒液槽加熱器的研究

同濟大學 金芮 馮良 姬穎 譚建新

上海梅帝燃氣設備技術有限公司 陳祥善

0 前言

國內傳統的液槽大都采用蒸汽、熱水、導熱油或電等二次能源進行加熱。其中，前三種形式都需要建設中央鍋爐，將產生的蒸汽、熱水或導熱油通過保溫管道傳輸到需要加熱的液槽中。除了熱水、蒸汽或導熱油生產過程中有大量的能量損失外，保溫管道上也有一定的熱損失，因此總體熱效率普遍較低。此外，廠內外、車間、液槽周圍需安裝繁雜的供熱設備、輸送管網、閥門管道、換熱裝置等，既占用了寶貴的空間資源，又增加了維護費用。

燃氣液槽加熱器可以直接利用燃燒產生的高溫煙氣加熱，減少一個能量轉換過程(熱水、蒸汽或導熱油的生產)、大幅提高總體能源利用率。傳統的燃氣加熱器大都采用擴散式或部分預混式，熱強度較低、火焰長，需要較大的燃燒空間，且長火焰接觸冷壁面容易產生不完全燃燒現象。此外，這類燃燒器負荷調節比普遍較小，一般采用 ON-OFF、HIGH-LOW-OFF負荷控制模式，液槽內液體溫度波動較大。

由于燃氣全預混燃燒具有燃燒速度快、過?？諝庀禂敌?、燃燒完全性好、負荷調節比大等優點，因此在液槽加熱應用上預期可以實現加熱器更緊湊的結構、更高的傳熱效率、更低的污染物排放、更好的控制性能，滿足實際應用的要求。

本課題針對目前市場上的液槽現狀，利用天然氣優質清潔能源的優勢，結合全預混燃燒的特點，設計一套高效低污染的燃氣全預混燃燒液槽加熱器，與采用傳統的液槽加熱方式相比，省卻了能源轉換環節，又能保證較好的排放，且能做到溫度精確控制，填補了國內對此類液槽加熱器研究的空白。

1 液槽加熱器系統的設計

液槽加熱器系統包括燃燒器、加熱浸管及控制系統等組成部分。實驗液槽尺寸為650×700×650 mm，燃燒器設計功率50 kW。

1.1 燃燒器

液槽加熱采用金屬纖維燃氣全預混燃燒器，主要包括助燃風機、燃氣電磁閥、混合器、燃燒器頭部、點火及火焰探測器、控制器等部分，如圖1所示。

圖1 金屬纖維燃氣全預混燃燒器結構

其中：

(1)燃燒器頭部，為直徑為60 mm的金屬纖維圓筒型頭部，設計面積熱強度約2 500 kW/m2，即金屬纖維部分有效長度為120 mm。

(2)燃氣電磁閥，選用西門子公司的VGU86燃氣伺服電磁閥。

(3)助燃風機，選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司的PWM直流無刷風機，額定電功率為80 W。

(4)混合器，選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司的M25型混合器。

(5)燃燒控制器，選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司的DFC-1控制器。

(6)溫控器，選用日本 SHIMAX 公司的MAC50D溫度控制器。

燃燒器工作時，風機先進行預吹掃，排盡加熱管里面可能殘留的可燃氣體、防止發生爆燃現象，然后打開點火器，點火針上產生高壓電火花，稍后打開燃氣電磁閥，燃氣和空氣按設定的空燃比在混合器中進行預混、從燃燒器頭部流出并被點燃。離子火焰探針實時監控火焰的存在，如果燃燒器沒有點燃或燃燒過程中發生熄火時，則自動關閉燃氣閥，風機繼續運轉進行后吹掃，并報警。

1.2 加熱浸管

加熱浸管包括燃燒室、煙管和尾箱等部分。由于燃燒室浸沒在液體中，所以也參與了熱量交換，屬于加熱浸管的一部分。

燃燒室設計的好壞不僅影響著換熱效率，更與燃燒狀況有著密切的關系。煙管是整個液槽加熱系統中最主要的熱交換場所，因為液槽內液體溫度比較低，高溫煙氣中的水蒸氣遇到冷的煙管壁面會發生冷凝、析出水分，因此煙管應有一定的坡度、讓冷凝水順利排出。

考慮到煙氣在煙管中受迫流動，流速較快，容易產生噪聲和振動，因此煙管后部增設一個尾箱。一方面起消聲減震作用，另一方面延長煙氣的停留時間、增加傳熱面積、提高熱量利用率，同時也便于冷凝水的排放。

由于液槽體積及加工要求的限制，加熱浸管的結構設計如圖2所示，結構尺寸見表1。

圖2 液槽加熱器結構布置

表1 液槽加熱器結構尺寸

1.3 控制系統

液槽加熱器控制系統包括燃燒安全控制及負荷控制。

液槽在實際應用中，啟動時都有一個升溫至工作溫度的過程。為了提高生產效率，往往要求在升溫階段能大功率工作；而當溫度達到要求值時，則只須在小功率下工作、維持液體溫度恒定即可，因此負荷調節比要求較大。由于理論上金屬纖維燃燒器的負荷調節比可以達到10以上，因此非常適合液槽加熱應用。

本課題設計的系統通過PWM信號調節直流風機的轉速、獲得不同的風量，于是混合器前的風壓也隨之變化，該壓力信號傳遞給電磁閥，由電磁閥上伺服閥控制燃氣的流量，實現對空燃比的控制。因此，燃燒器功率大小的變化是通過調節風機的轉速來實現的，即燃燒器功率是可以無級調節的。

1.3.1 采用PID溫度控制器

運行時，在啟動階段設定溫度與實際溫度有較大的溫差，燃燒器一般以最大功率運行，溫度上升后，由溫控器經PID計算給出合適電流信號值來控制燃燒器的實際功率。

加熱器的啟動開關中串接溫控器的報警閥觸點，當溫控器給出最小功率的信號后，如果液槽溫度仍然上升，當達到報警溫度時，報警閥觸點動作，等于關閉加熱器工作狀態，來保證加熱器的安全。當實際溫度回落到設定溫度后，報警閥觸點重新合上，即重新啟動燃燒器。

負荷控制原理見圖3，其中，4~20 mA信號對應風機的最小到最大PWM信號值，即燃燒器最小功率到最大功率。

圖3 PID溫控器負荷控制原理

控制器接線如圖4所示。

圖4 控制器接線

1.3.2 采用普通溫度控制器

由于PID溫控器價格較貴，該加熱器也可以與普通溫控器配合使用。線路上把溫控器的控制觸點與DFC-1控制器的大小火控制輸入端連接，其控制原理見圖5。

圖5 普通溫控器控制原理

當實際溫度沒有達到設定值時，控制器以最大PWM信號輸出，即這時燃燒器以最大功率工作。當測量溫度達到設定值時，溫控器輸出觸電動作，控制器輸出最小PWM信號，即燃燒器以最小功率工作。

2 燃燒性能測試及分析

利用上海管道天然氣對液槽加熱器樣機進行測試，測試結果見表2。

表2 液槽加熱器實驗數據

測試數據反映出，該加熱器的燃燒性能卓越，但排煙溫度較高，說明加熱浸管設計不盡合理，有很大的改進空間。但另一方面，設計功率50 kW的燃燒器在該系統上實際最大功率為45 kW，與設計功率存在有約 10%的負偏差。說明加熱浸管在最大功率下加熱管中存在有較大的背壓，如果進一步加大浸管的長度，實際最大功率有進一步下降的可能。需要進一步分析浸管的結構，作一定的優化處理才能滿足需要。

3 結論

(1)全預混燃燒金屬纖維燃燒器，由于燃氣和空氣預先混合均勻，所以燃燒速度快，大大縮小了燃燒空間，可以適應燃氣液槽加熱器的技術要求；

(2)全預混金屬纖維燃氣燃燒器應用在液槽加熱器上可以獲得極低的CO和NOx排放量；

(3)控制器可以接受溫控器4~20 mA的控制信號，無級調節燃燒器功率，可以實現液槽溫度的平穩控制；

(4)加熱器自動化程度高，具有完整的燃燒安全控制功能——預吹掃、自動點火、熄火保護、后吹掃及過熱保護等功能，安全性好；

(5)負荷調節比很大，能滿足了液槽加熱工藝的特殊要求；

(6)加熱管的設計中，煙管段太短，所以排煙溫度高。如果條件允許，建議對煙管進行重新設計。