全預混冷凝燃氣熱水爐空氣流量檢測方法設計

武世濤 張 寧 林越聰

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300）

前言

當今世界，氣候變暖威脅人類生存，生存危機促使著各國加緊清潔能源研究應用，來降低碳排放，降低能源消耗。天然氣作為清潔能源，在我國一次能源占比逐年提高，以天然氣作為燃料的全預混冷凝燃氣熱水爐，以高能效，低大氣污染物排放等性能優勢，在建筑供熱市場得到快速發展。目前市場上全預混冷凝燃氣熱水爐，主要分為家用（24～60）kW壁掛式和中小型商業場所使用的落地式（100～2 800）kW。為適用全預混燃燒，降低回火風險，該類產品無論是家用還是商用，其燃燒器都采用小火孔燃燒器。尤其是商用類的產品，采用的是如圖1所示火孔更小的全預混金屬纖維燃燒器。該類燃燒器容易被空氣中的粉塵顆粒物堵塞火孔，造成熱水爐出現負荷下降、燃燒不穩定情況，火焰在燃燒器分布不均出現局部過熱，長時間反復燒結后出現燃燒器燒損的情況，如圖2所示家用燒損全預混金屬纖維燃燒器，這將帶來嚴重的運行安全性問題，因此對全預混表面燃燒器堵塞程度進行檢測，即檢測熱水爐空氣流量，對提升熱水爐運行安全性具有重要意義。

圖1 商用全預混金屬纖維燃燒器

圖2 家用燒損全預混金屬纖維燃燒器

1 全預混表面燃燒器空氣流量檢測的必要性

根據GB 36699-2018《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術條件》，將全預混燃燒定性為表面燃燒，并對該類燃燒器增加了專項設計要求。其中一項，需要增加空氣過濾裝置來對空氣中粉塵進行過濾。空氣過濾裝置本身帶有阻力，且過濾裝置精度越高阻力越大，過大的阻力會使進風阻力增大，如果空氣質量較差，高精度過濾器會很快被堵塞，引起全預混冷凝燃氣熱水爐功率大幅度下降。相反如果過濾裝置精度太低又起不到過濾效果，所以過濾裝置需要選擇一個適中的過濾精度，因此空氣過濾裝置，可以過濾掉空氣中大部分粉塵，但一些小顆粒粉塵還是會進入到熱水爐內，這些粉塵與水氣混合后會形成泥附著在燃燒的金屬纖維網上，隨著附著的量增加，最終還是會引起燃燒器的堵塞。此外，空氣過濾器，在使用一定時期后會被過濾的粉塵堵塞，出現空氣流量下降，熱水爐輸出負荷下降的問題。所以全預混燃燒器因固有的小伙孔結構特性和空氣中固有的灰塵顆粒物，決定了燃燒器出現堵塞基本無法完全避免。在燃燒器堵塞不能完全避免的情況，其堵塞程度檢測就是必不可少的。鑒于燃燒器和空氣過濾器堵塞均會造成熱水爐空氣流量的下降，這就需要通過一些安全裝置對全預混燃氣熱水爐的進風量進行檢測來判斷燃燒器堵塞程度，保證熱水爐在安全的堵塞范圍內運行。對空氣流量檢測，可以通多對空氣壓力變化檢測來實現，對圖3所示全預混燃燒系統，取壓點和取壓方式是壓力檢測可靠性的重點。

圖3 全預混燃燒系統原理圖

2 全預混表面燃燒器空氣流量檢測取壓點分析

圖3是全預混燃燒系統原理圖，一定比例的空氣和燃氣在文丘里管的喉部進行混合，混合后的氣體經風機鼓吹進燃燒器進行燃燒。燃氣調節閥上的壓力調節器與進空氣口上的a點通過硅膠管相連。當功率變化時，風機轉速變化，空氣進風量跟著改變，a點壓力也會隨之改變，壓力調節器會根據a點壓力的變化來調節燃氣閥門的大小，從而保證燃氣與空氣按設定比例供給。根據以上的預混原理和伯努利定理，當空氣流量發生變化時，a、b、c點的壓力會隨之變化，反之檢測這三點的壓力變化，即可檢測空氣流量的變化。

1）單取a點壓力進行流量檢測

根據上文分析，我們將壓力開關負壓端連接a點取壓，壓力開關的正壓端連通大氣。那么當全預混燃燒器堵塞或者排煙口堵塞時，熱水爐空氣流量下降，a點壓力與大氣壓差值下降，當壓差值下降到限值時壓力開關斷開，全預混燃氣熱水爐停止運行。采用這種檢測方法，當堵塞發生在進風口空氣過濾裝置上時，由于風機的抽力作用，在空氣流量下降的情況下，a點的負壓值是增大的。這時即使風量已經下降到限定值，壓力開關也不會觸發斷開動作，起不到保護作用。我們以一臺280 kW功率的全預混冷凝燃氣熱水爐作為試驗對象，分別對全預混燃氣熱水爐的進風口和排煙口進行堵塞，在全預混燃氣熱水爐最大功率下測試a點的負壓值，驗證a點壓力變化是否如上述情況，測試數據如表1堵塞對a點壓力的影響。

表1 堵塞對a點壓力的影響

從測試數據可得出空氣過濾器堵塞會使得a點負壓增大，而堵塞排煙管堵塞（等效燃燒器堵塞）會使a點負壓降低，且堵塞排煙管堵塞對進風口的壓力變化影響并不大，綜上單在a點進行壓力檢測，存在不可靠、反饋失真的問題，不能起到可靠的空氣流量檢測。

2）單取b點壓力進行流量檢測

b點是與文丘里管喉部相通，在燃氣閥未開閥前，其位置的負壓值等于文丘里喉部的負壓值。當燃氣閥開閥后，該位置受閥后燃氣壓力和文丘里喉部壓力的影響，負壓值會有明顯波動，尤其是在點火期間。我們仍以280kW的全預混冷凝燃氣熱水爐為例，對該點點火期間的壓力進行了測試，測試結果如圖4所示。從圖中可以看出，在點火期間，其壓力波動非常劇烈。如在該位置進行取壓檢測，明顯會存在壓力檢測誤判的問題，因此在該位置單點取壓仍不可靠。

圖4 點火過程b點壓力點曲線圖

3）單取c點壓力進行流量檢測

在c點取壓，因其位于風機出口后的位置，該位置的壓力相對大氣壓為正值。經實驗測試當堵塞空氣過濾器時，該位置的正壓值呈現下降趨勢，當堵塞排煙管時，該位置的正壓值呈上升趨勢。同樣存在堵塞不同位置，壓力變化不能反饋空氣流量的變化。此外該位置是正壓，且是可燃混合氣，該位置取壓出現混合燃氣泄漏風險極高。因此該位置不適合作為取壓檢測點。

從上面分析來看c點不適合作為取壓點，a點和b點適合作為取壓點，但單點取壓都不可靠。

3 壓差取壓空氣流量檢測方法

上文分析a點和b點單點取壓都不可靠，因此根據文丘里管的原理，設計采用a點和b點同時取壓的雙點取壓來進行空氣流量檢測。

為驗證雙點取壓的可行性，我們以280 kW全預混冷凝燃氣熱水爐檢測驗證，分別通過堵塞排煙管和空氣過濾器，來驗證不同堵塞程度下，熱水爐在最大負荷和最下負荷下a點和b點壓差的變化，得到如表2所示的堵塞-壓差表。從表中可以看到，堵塞排煙管，a點和b點的壓差逐漸減小，堵塞空氣過濾器，a點和b點壓差逐漸減小，因此檢測這兩點的壓差，無論堵塞發生在那個位置，都可以可靠的檢測熱水爐空氣流量的變化。

表2 堵塞-壓差表

全預混冷凝燃氣熱水爐采用的是變頻風機，通過調節風機轉速來控制全預混燃氣熱水爐功率，最大功率與最小功率之間的風機轉速變化大，進風量變化也大，檢測用壓力開關的動作值是一個固定值（雖然現在也有風壓傳感器技術，但精度高的成本太高，精度低的達不到使用要求），從表2數據得出，相同堵塞量，在額定負荷和最小負荷引起的壓差變化相差較大，在最小負荷下，空氣過濾器和排煙堵塞達到90 %時，熱水爐均熄火不能正常燃燒工作。那么壓力開關的動作值如在最小功率狀態下測定，那么在大功率運行時這個限值就起不到保護作用，如果依據最大功率堵塞狀況測定動作值，則小功率時會使全預混燃氣熱水爐誤報風壓故障而不能正常運行。所以如果僅采用單一固定值壓力開關作為空氣流量檢測開關，則此檢測方法不適合用于全預混冷凝燃氣熱水爐全程空氣流量檢測。可用于點火前的空氣流量檢測，作為點火前的一項安全自檢：熱水爐啟動后，對壓力開關斷開-閉合的動作過程進行檢測，檢測通過后熱水爐進入點火程序，進行點火運行，在點火和運行階段，壓力開關不進行檢測。該種檢測方式，可以檢測額定負荷下燃燒器和空氣過濾器的堵塞情況，對負荷比在1∶5以內熱水爐，基本可以避免燃燒器出現燒損。

家用全預混冷凝燃氣熱水爐執行標準是GB 25034-2020 《燃氣采暖熱水爐》，標準中規定空氣流量檢測可以采用點火前檢測的方式。但是對于商用的全預混冷凝燃氣熱水爐，其燃燒相關規定主要依據GB 36699-2018《鍋爐用液體和氣體燃料燃燒器技術條件》，該標準規范性附錄F，制定的液體和氣體燃料燃燒器控制時序圖，其中對空氣流量檢測時序包含有額定運行，即需要在全功率段對空氣流量進行檢測。以上分析的方法，僅采用一個壓力開關在點火前來對空氣流量進行檢測，顯然達不到全功率段檢測的要求。鑒于此，經對表3數據進行分析，設計如圖6所示雙壓力開關來進行全程空氣流量檢測。

4 雙空氣流量壓力開關檢測邏輯方案

如圖5所示，通過三通連接器，在a點和b點取壓管上，安裝壓力開關1和壓力開關2。其中壓力開關1用于額定負荷堵塞檢測，即點火前檢測。壓力開關2用于額定運行檢測，即正常全功率段運行檢測。具體邏輯判定如圖6。

圖5 雙空氣流量壓力開關檢測原理圖

圖6 雙空氣流量壓力開關檢測邏輯流程圖

壓力開關1的動作值相對較大，用于判斷機器在額定負荷時空氣流道的風壓值是否符合設定值，點火前風機預吹掃階段的轉速與額定負荷時的轉速一致。其中一個實施例中，當空氣流道堵塞導致機器滿負荷下降30 %，此時空氣流道的風壓值作為壓力開關1的動作值(預設值)，當空氣流道堵塞到讓機器滿負荷下降超過30 %時，壓力開關1不能閉合，則不允許點火。

壓力開關2的動作值相對較小，用于檢測熱水爐額定運行時空氣流量的風壓值是否符合設定值。壓力開關2的動作值，在熱水爐最小風機轉速下設定，當空氣過濾器發生堵塞導致最小負荷下降15 %，此時測得的風壓值作為壓力開關2的動作值（預設值）。當熱水爐在正常運行過程出現空氣過濾器和燃燒器堵塞至壓力開關2斷開，機器立刻受控停機。在設計風壓開關2動作值時，選取最小風機轉速下，以最小負荷下降15 %時的風壓值作為動作值，是為了防止熱水爐燃燒器發生堵塞時，在小負荷下出現回火、火焰過度貼近燃燒器的情況，避免長期不正常燃燒對燃燒器的損傷。

綜上：通過設計雙壓力開關實現對熱水爐全過程的空氣流量檢測，做到及時準確的監控熱水爐堵塞狀況，控制熱水爐燃燒器的堵塞在安全范圍內，避免燃燒器燒損，提高熱水爐運行的安全性。

5 結論

綜上分析，全預混冷凝燃氣熱水爐空氣流量檢測不適宜采用單點取壓的方式進行檢測，易采用雙點壓差檢測的方法進行空氣流量檢測。全預混冷凝燃氣熱水爐在燃燒器堵塞程度相同的情況下，在各負荷段形成壓差變化量不同，尤其是在額定負荷和最小負荷差距更是明顯，因此采用單一壓力開關進行壓力檢測，不能同時覆蓋全功率段空氣流量檢測，特別是小負荷段流量檢測，而小負荷段空氣流量檢測至關重要。全預混燃燒在小負荷段是紅外燃燒，燃燒火焰貼近燃燒器，燃燒器堵塞嚴重會引起回火、燒損燃燒器。因此，采用有效技術方案，對小負荷功率段進行空氣流量檢測至關重要。 全預混冷凝燃氣熱水爐空氣流量檢測，除了本文分析方法外還有其它檢測方法，比如煙道壓力開關、離子火焰電流檢測等，都可以檢測全預混燃氣熱水爐的風量變化。實際應用中一臺全預混燃氣熱水爐可集成組合多種檢測方式，這樣安全可靠性更高。