全预混冷凝式燃气壁挂炉的燃气自适应控制_技术研究

摘要

摘　要：针对气源变化影响全预混冷凝式燃气壁挂炉的燃烧工况，探讨了2种燃气自适应控制方案——离子电流检测法、氧或二氧化碳含量检测法。关键词：全预混燃烧；　冷凝式

摘　要：针对气源变化影响全预混冷凝式燃气壁挂炉的燃烧工况，探讨了2种燃气自适应控制方案——离子电流检测法、氧或二氧化碳含量检测法。

关键词：全预混燃烧；　冷凝式燃气壁挂炉；　燃气自适应；　空燃比；　离子电流检测法；　氧含量检测法；　二氧化碳含量检测法

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

全预混燃烧是指燃气和空气在着火前预先按照一定比例混合均匀，到达燃烧区后混合物不再与外部空气发生燃烧，瞬间燃烧完毕，具有容积热强度高和污染物排放低等优点^[1]。

目前市场上的全预混冷凝式燃气壁挂炉(以下简称全预混壁挂炉)主要有风机前预混、风机后预混两种，分别见图l、2。变频风机、燃气比例阀^[2-3]提供燃烧所需的空气与燃气，空气与燃气按设定好的空燃比进行混合燃烧。

在全预混壁挂炉设计开发时，设计者通过对变频风机的转速、燃气比例阀的零位进行调节，使产品在额定功率及最小功率燃烧时，烟气中的O2或CO2含量为预定值，从而确定好空燃比，以使燃烧工况处于最佳状态。全预混壁挂炉在出厂前，空燃比已由生产厂家预先设置好，不能自动调节，即全预混壁挂炉只适用于当前气种。如果燃气组成发生变化，导致燃气热值、密度、燃烧特性等超出设计范围，则此气种对应的最合理空燃比也发生变化，造成全预混壁挂炉当前设置的空燃比与最合理空燃比不同，导致壁挂炉不能达到最佳燃烧工况，甚至出现异常(如热效率降低、点火噪声大、燃烧噪声大、CO排放量升高等)。随着各种新的制气方法及制气设备不断出现，气源种类越来越多，全预混壁挂炉的这一缺点将对其未来的普及产生阻碍作用。因此，有必要对燃气自适应控制在全预混壁挂炉的应用进行探讨。

2　燃气自适应控制方案

2．1　离子电流检测法

①离子电流检测法检测原理

研究表明，碳氢化合物在燃烧时，会产生热电离子，使燃烧火焰具有电导性^[4]。由于气体的导电能力有限，需要在燃气火焰与火孔之间附加一个直流电场，用于驱动火焰中的带电粒子，使带电粒子沿电场方向移动，这样就形成了离子电流。通过离子电流探测器检测燃气燃烧时产生的离子电流，来反馈火焰燃烧信号，判定燃烧是否异常。实验证明，燃气燃烧时产生的离子电流大小，与离子的浓度有关，离子浓度越大，产生的离子电流就越大；离子浓度越小，产生的离子电流就越小。离子浓度又与火焰温度有关，火焰温度越高，产生的活化能就越大，气体原子被击活的数量就越多，产生的离子就越多，离子浓度就越大。如果燃气火焰意外熄灭，则离子电流探测器检测不到离子电流信号，就会关闭燃气电磁阀，切断气源，避免燃气泄漏引发中毒或爆炸事故。

用离子电流检测法来监控火焰是否正常的方法已广泛应用于现有燃具产品中。因此，离子电流检测法应用于燃气壁挂炉，进行燃烧工况的实时监测是成熟的技术。传统全预混壁挂炉应用的离子电流检测法，只是检测一个固定火焰离子电流信号，用以判断火焰是否存在。而燃气自适应全预混壁挂炉应用的离子电流检测法，是通过检测火焰离子电流信号来判断和调节空燃比。

②离子电流检测法燃气自适应控制方案

要实现稳定的全预混燃烧，关键在于保持合理、稳定的空燃比。实验证明，全预混燃烧空燃比过大或者过小都会对燃烧造成不利影响。空燃比过大时，多余空气会带走热量，火焰温度降低，热效率降低；空燃比过小时，燃烧不充分，火焰温度及热效率亦降低。同理，当空燃比过大时，多余的空气会稀释离子；过小时，由于未能充分反应，燃烧过程未能产生足够多的离子。火焰温度与过剩空气系数的关系见图3。由图3可知，当空燃比最佳时，火焰温度达到峰值，火焰离子电流也达到峰值。这是离子电流检测法用于判断全预混燃烧空燃比的理论依据。

离子电流检测法燃气自适应控制方案应用于全预混壁挂炉见图4，控制模块见图5。燃气自适应全预混壁挂炉具有能实时检测火焰离子电流信号的功能。设计者将几种互换气种在每种燃烧热负荷下的最佳离子电流信号预先录入到控制模块的控制程序中，控制模块通过检测离子电流信号来实时控制电子燃气流量调节器及变频风机。

电子燃气流量调节器的工作原理是：控制模块根据用户的热量需求信号，输入电流信号来控制电子燃气流量调节器的阀门开度，从而控制燃烧热负荷，也就是说电子燃气流量调节器接收到的电流信号与燃烧热负荷一一对应。

变频风机的工作原理是：控制模块接收火焰离子电流信号，判断火焰离子电流信号是否在设置值范围内，如果火焰离子电流信号在设置值范围内，则说明燃烧正常，燃气组成没发生变化；如果火焰离子电流信号在设置值范围以外，则说明燃烧异常，燃气组成发生变化，最佳空燃比也发生变化，则控制模块会发出信号给变频风机，改变变频风机的转速，达到最佳空燃比。

通过控制模块根据离子电流信号来实时控制电子燃气流量调节器及变频风机，使产品既能满足用户的热量需求，又能保证燃烧处于最佳状态。

2．2　氧或二氧化碳含量检测法

用烟气分析仪对烟气组成进行检测，是燃气燃烧检测中非常成熟的技术。实验及理论知识表明，全预混壁挂炉在最佳燃烧工况时，排放出的烟气中氧体积分数为5％左右，二氧化碳体积分数为9％左右。因此，可以通过监测氧或二氧化碳的体积分数，来判断全预混壁挂炉是否处于最佳燃烧工况。

二氧化碳含量探测法燃气自适应控制方案应用于全预混壁挂炉见图6。其控制原理为：二氧化碳含量探测器对烟气中的二氧化碳含量进行实时监控，控制模块接收二氧化碳含量探测器的信号，对信号进行逻辑分析。当二氧化碳含量偏离设置值时，控制模块会迅速输出电信号给电子燃气流量调节器及变频风机，进行控制参数调整，从而调整空燃比，使烟气中的二氧化碳体积分数恢复到9％左右。需要说明的是二氧化碳含量检测法燃气自适应控制方案中也要有离子电流探测器，用以判断火焰是否存在。