外界風壓自適應在燃氣熱水器上的應用研究

韓天雷 曹冠忠 鄭濤 張偉 鐘國庭

（青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

長度將超過4萬公里 。這將對燃氣熱水器的發展帶來廣闊前景。

燃氣熱水器的煙管全都通過墻壁伸到室外，當外界風力比較大時，風就會通過煙管倒吹入熱水器中，影響燃氣熱水器中的正常燃燒工況以及燃燒后煙氣的排放，嚴重時會導致回火或者熄火，甚至導致多余的CO超標無法排出室外，引發

隨著我國對能源規劃的發展，橫跨大陸東西、連接沿海、縱貫南北的天然氣框架藍圖的逐步呈現，2013年1月23日國家能源局發布的《天然氣發展“十二五”規劃》指出，到2015年，我國的城市和縣級天然氣用戶人口數量將達到2.5億，約占總人口的18%，“十二五”期間我國建設管道總安全隱患。

隨著國家經濟的發展和人們生活水平的不斷提高，人們對燃氣熱水器的安全性、舒適性要求也越來越高。燃氣熱水器的系統結構也由于新的用戶需求變的越來越復雜，因此控制部分的電子化程度也越來越高，利用軟件控制方法實現燃燒系統參數自動適應外界環境的變化情況已迫在眉睫。

圖1 硬件電路模塊圖

圖2 硬件電路原理圖

圖3 風機轉速與風機功率關系曲線圖

燃氣熱水器能夠給人提供快速的、恒溫的生活熱水，但在使用過程中也不可避免的出現一些問題，比如熱水器點火困難或者點不著火、燃氣熱值不足、出水溫度過熱、燃燒中途熄火等問題，其中以正常燃燒時中途熄火最讓人頭疼與煩惱，且絕大部分燃氣熱水器的中途熄火問題都是由于外界風壓的變化引起的，本論文提出了一種智能軟件控制方法，根據外界風壓變化自動選擇燃燒熱值曲線達到調節風機轉速的目的，以應對外界風壓的變化，始終保持燃燒室的內壓系統平衡，保證燃燒效率處于高位，確保燃氣熱水器安全穩定的工作，保證燃燒過程的出水恒溫穩定性、節省燃氣能源。

表1 熱帶氣旋等級劃分表

表2 蒲福風級表

2 外界風壓自適應硬件方案設計

2.1 硬件模塊圖

如圖1所示，將外界風壓自適應硬件電路按模塊劃分為：MCU模塊、風機調速模塊、功率檢測模塊、電壓檢測模塊、轉速檢測模塊。

2.2 各模塊功能介紹

(1)MCU模塊：為燃氣熱水器的主控制單元，負責處理一切燃氣熱水器的事務；

(2)風機調速模塊：為MCU模塊提供時刻轉速信息并時刻根據MCU指令調整風機轉速；

(3)電流檢測模塊：時刻監測風機回路電流數據并反饋給MCU模塊；

(4)電壓檢測模塊：時刻監測風機供電電壓數據并反饋給MCU模塊；

(5)轉速檢測模塊：時刻監測風機轉速數據并反饋給MCU模塊。

2.3 各模塊電路原理圖

各模塊的硬件電路原理圖如圖2所示。

3 外界風壓自適應軟件方案設計

3.1 簡要介紹

外界風壓自適應控制方案，通過檢測風機功率值的變化判斷風機負載的變化（外界風壓變大，風機的功率會隨之變小；反之亦然），進而對風機轉速進行調節來達到隨時適應外界多變的風壓的目的。尤其是在外界風過大、風機功率下降過快時，對熱水器內部燃燒室進行補風增氧處理，保證燃氣的燃燒充分和煙氣的及時排放。

考慮成本問題也可以只檢測風機的電流來代替檢測風機功率，只是不夠精確。因此，在這里我們采用同時檢測風機電流及電壓（即風機功率）的方式，來對風機轉速精確快速控制，效果更佳。

3.2 軟件控制設計的基礎方案

3.2.1 風力等級的定義

(1)風級的國標定義

根據《熱帶氣旋等級》國家標準（GB/T 19201-2006），熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風六個等級。熱帶氣旋底層中心附近最大平均風速達到 10.8m/s～17.1m/s（風力6～7級）為熱帶低壓，達到17.2 m/s～24.4 m/s（風力8～9級）為熱帶風暴，達到24.5 m/s～32.6 m/s（風力10～11級）為強熱帶風暴，達到32.7 m/s～41.4 m/s（風力12～13級）為臺風，達到41.5 m/s～50.9 m/s（風力14～15級）為強臺風，達到或大于51.0 m/s（風力16級或以上）為超強臺風，詳見表1。

(2)風級的國際規范——蒲福風級

風力等級（簡稱風級）是根據風對地面或海面物體影響而引起的各種現象，按風力的強度等級來估計風力的大小，國際上采用的風力等級是英國人蒲福（Francis Beaufort，1774—1859）于1805年所擬定的，故又稱“蒲福風級”。他是從靜風到颶風分為13級。自1946年以來風力等級又作了一些修訂，由13級變為17級，如表2。

表3 風機轉速與功率值5條曲線表

3.2.2 風機轉速與風機功率曲線定義

風機轉速與風機功率關系曲線如圖3所示，其中：

A：燃氣熱水器火焰浮火界限，曲線以上會出現火焰飛火、中途熄火現象；

B：外界風停止后，減小風速目標值線，稱為減風停止線；

C：整機裝標準管，標準參數，非燃燒狀態時風機功率曲線，稱為風機學習線；

D：外界風有風壓時，增加風速目標值線，稱為加風停止線；

E：燃氣熱水器不完全燃燒界限，曲線以下會出現不完全燃燒、積碳現象。

3.3 軟件控制方案原理說明

(1)加風處理

當燃燒時，若風機電流低于E曲線時，則提高風機轉速，增加燃燒系統中氧氣，直到風機功率在D曲線以上，則停止加風，加風程度多少需要根據燃氣熱水器的設計抗風等級（比如抗風9級）及伯努利方程(p+(ρv )/2+ρgh=c)計算風級與壓力之間的換算關系，試驗室模擬出加風階數。

(2)減風處理

當風機受到外界風壓影響有加風動作時，若外界風壓消失，檢測風機功率大于A曲線，則減少風機轉速，直到功率處于B曲線以下。

(3)燃燒控制范圍

a.燃燒處于B、D曲線范圍內，燃燒狀態最佳或較好，不做修正；

b.燃燒處于D、E曲線范圍內，燃燒狀態不佳，雖CO較高，但在可容許范圍之內，不做修正；

c.燃燒處于E曲線以下，氧氣量不足，不完全燃燒，CO較高，火焰變紅，進行加風增氧處理至D線以上，根據燃氣熱水器的設計抗風等級及伯努利方程計算風級與壓力之間的換算關系，確定加風階數，增加一定階數后，風機功率值仍低于E線，則停止燃燒，報風壓過大故障。

(4)點火智能風壓

a.點火時檢測外界風壓變化，如風機功率低于D線則進行加轉速（不能加的太多，防止點火爆燃），點火成功后，同時檢測風機功率值，隨時進行修正；

b.點火智能風壓是在機器點火前就進行風機物理性能及環境風壓狀況檢測，進行風機轉速修正，風機參數修正合格后，再進行點火，如修正一定階數后風機功率還低于D線，則報風壓過大故障。

3.4 軟件控制方案的程序參數取值法

(1)測試多個風機的6個轉速在標準煙管狀況下對應的功率值、浮火界限的平均功率值及設計抗風9級的平均功率值，見表3。

(2)程序取值為5條線的標準管功率值，6個取值點：標準管狀態下風機轉速為2000，2300，2700，3200，3700，4200時對應的風機功率值。

(3)風機學習值默認為C線，會根據學習值與平均功率值之間的比例系數，相應計算平移5條曲線的位置，適應風機的個體差異情況。

4 結論

隨著城鎮化程度的深化，城市中心土地資源的減少，高層住宅越來越多，特別是冬天時，外界風力強勁，燃氣熱水器在使用過程中越來越多的地受到樓層風壓的影響。燃氣熱水器的煙管全都通過墻壁伸到室外，當外界環境的風力比較大時，外界風會撞擊建筑物的墻壁，進而通過排煙管管壁上的眾多排煙孔吹入燃氣熱水器中，造成燃氣熱水器中燃燒排氣不暢，供氧量不足，影響燃氣熱水器的正常燃燒效率以及燃燒后廢氣的排放，嚴重時會導致回火或者熄火，甚至導致多余的CO超標無法排出室外，進入用戶的房間，引發安全隱患。

因此，通過控制器硬件及軟件的優化設計，通過檢測風機功率值的變化判斷風機負載的變化，進而對風機轉速進行調節來達到隨時應對外界多變的風力的環境。尤其是冬天，且用戶家的機器安裝在北向房間時，在外界風力過大，風機功率下降過快時，對燃氣熱水器內部燃燒系統進行補風增氧處理，保證燃氣熱水器燃燒系統中的空燃匹配良好以及燃燒廢氣的及時排放，對解決高層用戶由于外界環境風力過大造成無法使用燃氣熱水器的問題起到極大的作用。本論文對于在惡劣條件下燃氣熱水器的使用提供了簡便、低成本的解決方案。

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