全預(yù)混冷凝式燃?xì)獗趻鞝t的燃?xì)庾赃m應(yīng)控制

摘要

摘　要：針對氣源變化影響全預(yù)混冷凝式燃?xì)獗趻鞝t的燃燒工況，探討了2種燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案——離子電流檢測法、氧或二氧化碳含量檢測法。關(guān)鍵詞：全預(yù)混燃燒；　冷凝式

摘　要：針對氣源變化影響全預(yù)混冷凝式燃?xì)獗趻鞝t的燃燒工況，探討了2種燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案——離子電流檢測法、氧或二氧化碳含量檢測法。

關(guān)鍵詞：全預(yù)混燃燒；　冷凝式燃?xì)獗趻鞝t；　燃?xì)庾赃m應(yīng)；　空燃比；　離子電流檢測法；　氧含量檢測法；　二氧化碳含量檢測法

Gas Adaptive Control of Fully Premixed Condensing Gas Wall-hung Boiler

Abstract：In view of the gas source variation affecting the combustion condition of fully premixed condensing gas wall-hung boiler，two kinds of adaptive control schemes including ion current detection method and oxygen or carbon dioxide content detection method are discussed．

Keywords：fully premixed combustion；condensing gas wall-hung boiler；gas adaptation；air-fuel ratio；ion current detection method；oxygen content deteetion method；earbon dioxide content detection method

1　概述

全預(yù)混燃燒是指燃?xì)夂涂諝庠谥鹎邦A(yù)先按照一定比例混合均勻，到達(dá)燃燒區(qū)后混合物不再與外部空氣發(fā)生燃燒，瞬間燃燒完畢，具有容積熱強度高和污染物排放低等優(yōu)點^[1]。

目前市場上的全預(yù)混冷凝式燃?xì)獗趻鞝t(以下簡稱全預(yù)混壁掛爐)主要有風(fēng)機前預(yù)混、風(fēng)機后預(yù)混兩種，分別見圖l、2。變頻風(fēng)機、燃?xì)獗壤y^[2-3]提供燃燒所需的空氣與燃?xì)?，空氣與燃?xì)獍丛O(shè)定好的空燃比進(jìn)行混合燃燒。

在全預(yù)混壁掛爐設(shè)計開發(fā)時，設(shè)計者通過對變頻風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、燃?xì)獗壤y的零位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使產(chǎn)品在額定功率及最小功率燃燒時，煙氣中的O2或CO2含量為預(yù)定值，從而確定好空燃比，以使燃燒工況處于最佳狀態(tài)。全預(yù)混壁掛爐在出廠前，空燃比已由生產(chǎn)廠家預(yù)先設(shè)置好，不能自動調(diào)節(jié)，即全預(yù)混壁掛爐只適用于當(dāng)前氣種。如果燃?xì)饨M成發(fā)生變化，導(dǎo)致燃?xì)鉄嶂?、密度、燃燒特性等超出設(shè)計范圍，則此氣種對應(yīng)的最合理空燃比也發(fā)生變化，造成全預(yù)混壁掛爐當(dāng)前設(shè)置的空燃比與最合理空燃比不同，導(dǎo)致壁掛爐不能達(dá)到最佳燃燒工況，甚至出現(xiàn)異常(如熱效率降低、點火噪聲大、燃燒噪聲大、CO排放量升高等)。隨著各種新的制氣方法及制氣設(shè)備不斷出現(xiàn)，氣源種類越來越多，全預(yù)混壁掛爐的這一缺點將對其未來的普及產(chǎn)生阻礙作用。因此，有必要對燃?xì)庾赃m應(yīng)控制在全預(yù)混壁掛爐的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2　燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案

2．1　離子電流檢測法

①離子電流檢測法檢測原理

研究表明，碳?xì)浠衔镌谌紵龝r，會產(chǎn)生熱電離子，使燃燒火焰具有電導(dǎo)性^[4]。由于氣體的導(dǎo)電能力有限，需要在燃?xì)饣鹧媾c火孔之間附加一個直流電場，用于驅(qū)動火焰中的帶電粒子，使帶電粒子沿電場方向移動，這樣就形成了離子電流。通過離子電流探測器檢測燃?xì)馊紵龝r產(chǎn)生的離子電流，來反饋火焰燃燒信號，判定燃燒是否異常。實驗證明，燃?xì)馊紵龝r產(chǎn)生的離子電流大小，與離子的濃度有關(guān)，離子濃度越大，產(chǎn)生的離子電流就越大；離子濃度越小，產(chǎn)生的離子電流就越小。離子濃度又與火焰溫度有關(guān)，火焰溫度越高，產(chǎn)生的活化能就越大，氣體原子被擊活的數(shù)量就越多，產(chǎn)生的離子就越多，離子濃度就越大。如果燃?xì)饣鹧嬉馔庀纾瑒t離子電流探測器檢測不到離子電流信號，就會關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，切斷氣源，避免燃?xì)庑孤┮l(fā)中毒或爆炸事故。

用離子電流檢測法來監(jiān)控火焰是否正常的方法已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有燃具產(chǎn)品中。因此，離子電流檢測法應(yīng)用于燃?xì)獗趻鞝t，進(jìn)行燃燒工況的實時監(jiān)測是成熟的技術(shù)。傳統(tǒng)全預(yù)混壁掛爐應(yīng)用的離子電流檢測法，只是檢測一個固定火焰離子電流信號，用以判斷火焰是否存在。而燃?xì)庾赃m應(yīng)全預(yù)混壁掛爐應(yīng)用的離子電流檢測法，是通過檢測火焰離子電流信號來判斷和調(diào)節(jié)空燃比。

②離子電流檢測法燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案

要實現(xiàn)穩(wěn)定的全預(yù)混燃燒，關(guān)鍵在于保持合理、穩(wěn)定的空燃比。實驗證明，全預(yù)混燃燒空燃比過大或者過小都會對燃燒造成不利影響?？杖急冗^大時，多余空氣會帶走熱量，火焰溫度降低，熱效率降低；空燃比過小時，燃燒不充分，火焰溫度及熱效率亦降低。同理，當(dāng)空燃比過大時，多余的空氣會稀釋離子；過小時，由于未能充分反應(yīng)，燃燒過程未能產(chǎn)生足夠多的離子。火焰溫度與過?？諝庀禂?shù)的關(guān)系見圖3。由圖3可知，當(dāng)空燃比最佳時，火焰溫度達(dá)到峰值，火焰離子電流也達(dá)到峰值。這是離子電流檢測法用于判斷全預(yù)混燃燒空燃比的理論依據(jù)。

離子電流檢測法燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案應(yīng)用于全預(yù)混壁掛爐見圖4，控制模塊見圖5。燃?xì)庾赃m應(yīng)全預(yù)混壁掛爐具有能實時檢測火焰離子電流信號的功能。設(shè)計者將幾種互換氣種在每種燃燒熱負(fù)荷下的最佳離子電流信號預(yù)先錄入到控制模塊的控制程序中，控制模塊通過檢測離子電流信號來實時控制電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器及變頻風(fēng)機。

電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器的工作原理是：控制模塊根據(jù)用戶的熱量需求信號，輸入電流信號來控制電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器的閥門開度，從而控制燃燒熱負(fù)荷，也就是說電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器接收到的電流信號與燃燒熱負(fù)荷一一對應(yīng)。

變頻風(fēng)機的工作原理是：控制模塊接收火焰離子電流信號，判斷火焰離子電流信號是否在設(shè)置值范圍內(nèi)，如果火焰離子電流信號在設(shè)置值范圍內(nèi)，則說明燃燒正常，燃?xì)饨M成沒發(fā)生變化；如果火焰離子電流信號在設(shè)置值范圍以外，則說明燃燒異常，燃?xì)饨M成發(fā)生變化，最佳空燃比也發(fā)生變化，則控制模塊會發(fā)出信號給變頻風(fēng)機，改變變頻風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，達(dá)到最佳空燃比。

通過控制模塊根據(jù)離子電流信號來實時控制電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器及變頻風(fēng)機，使產(chǎn)品既能滿足用戶的熱量需求，又能保證燃燒處于最佳狀態(tài)。

2．2　氧或二氧化碳含量檢測法

用煙氣分析儀對煙氣組成進(jìn)行檢測，是燃?xì)馊紵龣z測中非常成熟的技術(shù)。實驗及理論知識表明，全預(yù)混壁掛爐在最佳燃燒工況時，排放出的煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)為5％左右，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為9％左右。因此，可以通過監(jiān)測氧或二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)，來判斷全預(yù)混壁掛爐是否處于最佳燃燒工況。

二氧化碳含量探測法燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案應(yīng)用于全預(yù)混壁掛爐見圖6。其控制原理為：二氧化碳含量探測器對煙氣中的二氧化碳含量進(jìn)行實時監(jiān)控，控制模塊接收二氧化碳含量探測器的信號，對信號進(jìn)行邏輯分析。當(dāng)二氧化碳含量偏離設(shè)置值時，控制模塊會迅速輸出電信號給電子燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)器及變頻風(fēng)機，進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，從而調(diào)整空燃比，使煙氣中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)恢復(fù)到9％左右。需要說明的是二氧化碳含量檢測法燃?xì)庾赃m應(yīng)控制方案中也要有離子電流探測器，用以判斷火焰是否存在。