燃氣具燃燒控制系統的優化設計與探討

楊志杰

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

大部分的燃氣具都通過控制空燃比使燃燒工況穩定。在現有技術中，控制空氣一般用到的技術是通過控制設定的風機轉速，從而間接的控制風量；控制燃氣一般用到的技術是通過控制燃氣比例閥的電流，從而間接地控制燃氣二次壓力。以上這種間接的控制風量和燃氣二次壓力的方式，一般情況下，燃氣具都能正常地運行，然而燃氣具實際運行的環境是變化的。當燃燒阻力發生變化，煙管處有刮大風或者燃氣具內外冷熱差比較大的時候，間接的控制風量則讓燃氣具獲取不到正確的空氣量；某些地方用氣高峰的時候，燃氣一次壓力會大幅度的下降，此時間接的控制燃氣二次壓力則讓燃氣具獲取不到正確的燃氣二次壓力；以上兩種情況將導致實際空燃比發生改變，燃燒工況將會失控，燃氣具極有可能進入停機保護，導致用戶沒有辦法使用或者用戶體驗差，生產廠家將會被投訴。本論文提到的技術與現有技術對比，主要在于：

1）在控制系統中增加燃氣壓力與風壓傳感器。

2）當系統阻力發生變化的時候，系統自動增加風機轉速來保證燃燒系統的穩定，并且在系統阻力恢復原狀后，系統自動降低風機轉速來保證燃燒系統的穩定。

3）通過檢測燃氣二次壓力，實現對燃氣二次壓力的閉環控制，直接將燃氣壓力與風機轉速對應起來，無論燃氣壓力如何變化，系統風機轉速都將會跟隨著變化，保持燃燒工況的穩定。本技術可以最大限度的提高燃氣具燃燒的穩定性，為燃燒控制奠定良好的基礎，是行業技術發展的趨勢，也是市場迫切的需求。

以下將從燃氣的特性、壓力傳感器、風量的控制、燃氣的控制、實驗驗證幾方面去論述。

1 燃氣的特性介紹

1.1 華白數的概念

式中:

W—華白數，或稱熱負荷指數；

H—燃氣熱值（kJ/nm3），按照各國習慣，有些取用高熱值，有些取用低熱值；

s—燃氣相對密度（設空氣的s=1）。

華白數是代表燃氣特性的一個參數。假設燃氣華白數不變的情況下，在同一燃氣壓力下熱水器所產生的熱負荷基本不變。

1.2 燃氣壓力與熱負荷之間的關系

對于大氣式燃燒器，燃氣流量可按下式計算：

式中:

Lg—圓形噴嘴的流量(m3/h)；

u—噴嘴流量系數，與噴嘴的結構形式，尺寸和燃氣壓力有關，用實驗方法求得；

d—圓形噴嘴的直徑（mm）；

PG—燃氣壓力（Pa）；

s—燃氣的相對密度（空氣=1）。

熱負荷Q為：

式中:

K—比例常數。

當燃燒器噴嘴前壓力不變時，熱負荷Q與燃氣熱值H成正比，與燃氣相對密度的平方根成反比，與燃氣壓力的平方根成正比，因此可以通過控制燃氣壓力來控制熱負荷。

2 壓力傳感器的介紹

2.1 壓力傳感器的概念及應用領域

2.2 壓力傳感器的基本構造及工作原理

壓力傳感器的基本構造請見圖1。由2.2可知燃氣特性中的燃氣壓力，如將其施加于傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號，具體可見圖2。

圖1 壓力傳感器的基本結構

圖2 氣壓監測流程

2.3 壓力傳感器的參數

壓力傳感器要應用于檢測燃氣壓力則必須要求精度高，一致性好（具體請見圖3 壓力與輸出信號的曲線），能適應較高溫度的工作環境。具體參數請見表1。

表1 壓力傳感器主要參數

圖3 壓力與輸出信號的曲線

2.4 氣壓傳感器應用示意圖

如圖4所示。控制基板通過調節比例閥電流，利用氣壓傳感器反饋信號，形成閉環控制二次壓力。

圖4 氣壓傳感器應用示意圖

2.5 流量／壓力與比例閥電流的曲線關系

現有的控制技術基本都是通過人工選擇液化氣或者天然氣，控制器再執行對應的程序去控制比例閥的電流，從而控制燃氣流量或壓力，從圖5可以看出他們之間的對應關系。但是，當控制器需要自動識別天然氣和液化氣時，這時候有燃氣壓力的數據，則控制器進行一定處理則可達到；另外在燃氣欠壓的情況下，電流對應的流量或者壓力就不準確，因此引用采樣壓力，從而得出燃氣流量會更加準確。

圖5 壓力、流量和比例閥電流的曲線關系

2.6 壓力與熱負荷的曲線關系

由公式（2）、（3）繪制出壓力與熱負荷之間的曲線關系如圖6所示。

圖6 壓力與熱負荷的關系

3 系統對一次空氣的控制

3.1 系統設計

在燃氣具系統中增加風壓傳感器，風壓傳感器連接風機殼的風壓取樣嘴，將讀取的風壓值通過信號線傳輸給主控制器（圖7所示）；主控制器上的單片機通過當前系統阻力和風壓值計算出所需的風機轉速和風壓，最終使系統風量穩定。

圖7 系統結構框架

3.2 軟件設計

通過以下步驟來完成恒風量的技術，可以參考圖8。

圖8 風速風壓與負荷之間的關系

步驟一：以設定風壓代替傳統的設定轉速，以系統中反饋的風機轉速為參考值，在系統阻力發生變化時，提高設定風壓值。具體方式為：通過實驗測試得出系統最大燃燒負荷（Wmax）對應的最大風壓（P1max）和無堵塞最大風機轉速（S1max），系統最小燃燒負荷（Wmin）對應的最小風壓（P1min） 和無堵塞最小風機轉速（S1min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應的風壓（P1）和無堵塞風機轉速（S1），則由線性關系計算得出。

步驟二：將計算得出的設定風壓，由單片機通過反饋的風壓進行對比，進行閉環控制，當系統阻力發生變化（即風機反饋轉速升高）的時候，反饋風壓會下降，此時單片機通過提高一定的風機轉速即可維持設定風壓。

是的，這就是學生工作中的細，他需要像一顆頑強的細胞一樣，把積極的思想進行復制，把健康快樂進行感染，從而讓一個個獨立個體崛壯成長，成為國家未來的可用之才。我，一名高校輔導員，愿意做這一顆細胞君！

步驟三：通過實驗測試得出系統最大燃燒負荷（Wmax）對應的最大保護風壓（P2max）和堵塞保護最大風機轉速（S2max），系統最小燃燒負荷（Wmin）對應的最小保護風壓(P2min)和堵塞保護最小風機轉速（S2min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應的保護風壓（P2）和堵塞保護風機轉速（S2），則由線性關系計算得出。

步驟四：當步驟二中，風機轉速提高到一定程度，系統雖然維持了設定風壓，但是煙氣值不足以滿足國標的情況下，通過計算S2與S1的差值和當前風機轉速S與S1的差值，得出當前轉速提升的百分比，然后計算P2與P1的差值，結合當前轉速提升的百分比來計算得出需要提升的風壓值PE，最終設定風壓值=P1+PE，然后單片機通過反饋風壓進行閉環控制。

步驟五：當風機反饋轉速大于或等于堵塞保護風機轉速（S2），系統進行停機保護。

3.3 實驗結果

以萬和JSLQ21-13GV56為例，進行3米3彎和堵塞煙管的測試，各項性能均能滿足國標GB 6932-2015《家用燃氣快速熱水器》要求。3米3彎和堵塞煙管測試結果如表2所示，另外選取部分強制性及關鍵性能的條款的測試數據，具體如表3。

表2 測試結果

表3 分別通以天然氣和液化氣下的整機實驗數據

從實驗結果可以看出，在系統阻力發生變化的時候，系統能夠自動判別并且對設定風壓做出調整，從而使風量維持最適合的值，從而保證燃燒系統的穩定。 此系統使燃氣具的抗風能力更強，因此適應環境的能力更強，對于高樓層用戶、刮風厲害的地區、室內外溫差較大的地區，以上的用戶使用此技術的燃氣具，系統的穩定性適用性更強。

4 燃氣壓力的控制

4.1 系統設計

在燃氣具中增加燃氣壓力傳感器用于檢測燃氣二次壓力，該燃氣壓力傳感器可以是和燃氣比例閥二合一體的；也可以是在燃氣比例閥外面，通過傳壓管的方式將比例閥燃氣二次壓力傳輸至傳感器處；最后傳感器將壓力信號傳輸給主控制器上的單片機（如圖9）。單片機根據收到的壓力信號輸出不同的風機轉速，保證系統燃燒的穩定性保證系統燃燒的穩定性。

圖9 系統結構

4.2 軟件設計

根據式（3）得出如圖10所示的燃氣壓力與負荷之間的關系，通過以下步驟來完成低氣壓燃燒控制的技術，具體參考圖11。

圖10 負荷與壓力關系

圖11 轉速與壓力關系

步驟一：以設定燃氣二次壓力代替傳統的設定比例閥電流，根據壓力傳感器反饋的燃氣二次壓力的值去調節不同的風機轉速。具體方式為：通過實驗測試得出系統最大燃燒負荷（Wmax）對應的最大燃氣二次壓力（P1max）和無堵塞最大風機轉速（S1max），系統最小燃燒負荷（Wmin）對應的最小燃氣二次壓力（P1min）和無堵塞最小風機轉速（S1min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應的燃氣二次壓力（P1）和無堵塞風機轉速（S1），則由線性關系計算得出。

步驟二：將計算得出的燃氣二次壓力P1，由單片機通過反饋的燃氣二次壓力Pref進行對比，進行閉環控制，系統的風機轉速則根據反饋的二次壓力進行調節，風機轉速計算公式為:

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

4.3 實驗結果

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

表4 測試不同的一次壓力下的燃燒工況

從實驗結果可以看出，本論文機型在超低氣壓的時候仍然能夠正常燃燒，因此在用戶遇到用氣高峰導致的低氣壓情況時，機器還能正常運行，極大的提高了機器對環境的適應能力。

5 結論

燃氣控制和風量控制屬于燃氣具控制的重點和難點，本文基于這兩點出發，借助近年市面上大量推出的壓力傳感器，改變原來燃氣控制、風量控制的方式，從而使燃氣具在低氣壓的時候仍然有很好的燃燒工況，同時在抗風能力上有了很大的改進，因此燃氣具可以更好的適應環境，有更好的用戶體驗，最后通過各項的測試驗證，證明新技術的可行性。另外此技術也可以解決低負荷燃燒穩定性的一些問題。以上所提到的，望能給予行業發展一定的推動性。