關于燃氣熱水器風量自適應控制技術方案研究

鄧飛忠 李志敏 吳桂安 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528416）

引言

隨著社會的不斷發展，燃氣熱水器煙氣排放要求也不斷提高，在熱水器實際使用過程中，受到外界環境因素的影響導致排煙阻力增加，造成燃燒不充分從而導致煙氣排放超標造成環境污染及資料浪費。故在此條件下必須進行相應風量補償維持良好的燃燒工況。

本文通過在實際研發測試過程中發現在不同的外界阻力條件下（系統負載發生變化），風機轉速R與風機電流I會產生相應的對應關系,而根據此特征性能結合實際試驗結果，講述一種風量自適應的控制方法，再描述驗證實驗數據，根據相應的分析實驗，驗證控制方案的可行性。

1 燃氣熱水器的燃燒工況分析

CO排放指標是衡量燃氣熱水器的燃燒工況的核心性能指標，良好的煙氣指標輸出必須滿足燃料與氧有充分合理的比例混合方能將燃料中的熱量充分釋放，氧量的過少或過量都不利于維持燃燒工況的穩定。由此可見氧氣的供給對于燃氣熱水器穩定的工作顯得尤為重要，烴類燃料的燃燒反應式如（1）所示[1,2]：

而燃料燃燒所需的實際空氣量為：

式中：

α—過剩空氣系數；

O2—燃氣中O的容積成分（%）；

CmHn—燃氣中可燃組分的容積成分（%）；

V0—理論空氣量（%）；

V1—一次空氣引射量（%）；

V2—二次空氣吸入量（%）；

Vε—系統損失空氣量（%）；

VCO—煙氣中CO含量（%）；

β—燃料特性系數，與成分相關。

從上述公式反應了維持良好燃燒工況的前提是保證系統充分燃燒所需空氣的量。

2 方案設計

前期試驗過程中發現在不同外界條件下直流風機電流I與風機轉速R比值均存在一定線性變化關系，故設置虛擬值P=I/R*K（K為常數）；正常生產調節過程中系統根據上述公式在最大負荷狀態下自動獲取最大虛擬值Pmax及最小虛擬壓力值Pmin。

當機器受到外界阻力影響時，系統根據前期獲取Pmax及Pmin進行線性補償，主要動作是通過調整風機轉速，使P=I/R*K逐漸逼近標態負荷曲線上的P標值同時為了避免受外界阻力波動的影響，設定±5 Pa的允許波動范圍。

隨著外界阻力的不斷增加，系統在逼近過程虛擬值P標值時會產生過程壓差值ΔP=P標- P實，而隨著ΔP的不斷增加，反映的是系統燃燒工況逐漸惡化，所以需限定報警界限值ΔP報及最大轉速值Rmax來限定系統的報警點。

3 試驗分析

3.1 試驗條件說明

試驗選取的是一臺熱負荷30 kW，四分段（分段方式為：4～7～11～14）的強抽直流燃氣熱水器。

3.2 標管狀態下風機最大轉速FH及最小轉速FL確定

1）燃氣熱水器內部系統結構確定后，通過手動補償方式，滿足整機在標定最長煙管條件下（如：3米3彎）煙氣性能指標（折算后CO≈400 ppm）得到風機轉速為3 100 r/min，風機電流為437 mA，確定I/R比值。

2）實驗操作將熱水器煙管安裝恢復至標態煙管狀態，根據上述確定I/R比值,調整風機轉速使得I標/R標=I/R，確定整機在額定負荷下的風機轉速如表2。

表1 具體參數表

表2 額定負荷下風機轉速及電流

3）根據小火燃燒穩定性及結合CO、02及排煙溫度等輸出露點溫度），確定整機在小負荷下的風機轉速如表3。

表3 最小負荷下風機轉速及電流

3.3 標管狀態下虛擬值Pmax及Pmin確定

為了使所得虛擬值與傳統風壓傳感器壓力控制范圍相似（壓力范圍：（0～200）Pa），定義K值為1 130，根據虛擬值公式P=I/R*K，得出虛擬值如表4。

表4 標管狀態下的壓力虛擬值

3.4 不同火排數下壓差補償值確定

1）額定負荷下，測試壓差值如表5:（以最多排數為基礎）

表5 不同火排段最大負荷下壓差補償值

2）小負荷下，壓差值測試如表6（以最多排數為基礎）

表6 不同火排段最小負荷下壓差補償值

通過上述測試結果得出的過程控制曲線輸出可以用圖1表示。

圖1 不同負荷段虛擬壓力與比例閥電流對應關系

3.5 過程控制點的可行性評估

1）按上述線性曲線控制方法，提取過程控制點，通過主要性能參數的采樣及分析，評估控制方法的可性性，如表7所示。

表7 不同火排段下控制點性能參數

2）實際控制曲線輸出見圖2。

圖2 實際狀態不同火排段下虛擬壓力與比例閥電流對應關系

從上述數據采集結果，主要性能指標分析，可證明控制方案滿足要求。

3.6 界限參數值確定

1）試驗方法說明

設定抗風壓能力參數：設定滿負荷狀態抗風壓能力：（200～300）Pa,最小負荷抗風壓能力：（150～200）Pa；通過外阻測試試驗，尋找報警界限參數：過程壓差值ΔP報及最大轉速值Rmax。

2）不同火排段最大/最小負荷狀態界限參數采樣測試見表8、表9

表8 不同火排段下最大負荷抗風壓狀態參數

表9 不同火排段下最小負荷抗風壓狀態參數

3）界限參數值輸出結果

①最大風機轉速及壓差值確定見表10

表10 不同狀態下極限風機轉速及壓差關系

由此得到的壓力界限曲線如圖3。

圖3 極限狀態下虛擬壓力與比例閥電流對應關系

4）系統抗阻能力輸出結果

①參數設置模式下測試，其結果如表11所示。

表11 不同狀態下理論虛擬壓力與實測虛擬壓力對應關系

②實際工作狀態下測試，其結果如表12所示。

表12 實際工作狀態下達到的抗風壓情況

通過數據采集分析及最終抗阻能力輸出結果，通過上述抗風壓值的情況可知，控制方案滿足系統總體性能要求。

4 結論

本文通過對關于燃氣熱水器風量自適應控制方案探討，結合上述試驗分析,圍繞著直流風機電流及轉速的關系，通過虛擬值的設定，模擬不同火排段及對應負荷點的虛擬值采樣，通過壓差補償等方式實現各火排段的風量補償線性控制，同時通過界限參數值的設置從而保證系統抗阻能力的輸出，最終證明了上述風量補償方案的可行性。