韓天雷 曹冠忠 鄭濤 張偉 鐘國(guó)庭

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

長(zhǎng)度將超過(guò)4萬(wàn)公里 。這將對(duì)燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展帶來(lái)廣闊前景。

燃?xì)鉄崴鞯臒煿苋纪ㄟ^(guò)墻壁伸到室外，當(dāng)外界風(fēng)力比較大時(shí)，風(fēng)就會(huì)通過(guò)煙管倒吹入熱水器中，影響燃?xì)鉄崴髦械恼Ｈ紵r以及燃燒后煙氣的排放，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致回火或者熄火，甚至導(dǎo)致多余的CO超標(biāo)無(wú)法排出室外，引發(fā)

隨著我國(guó)對(duì)能源規(guī)劃的發(fā)展，橫跨大陸東西、連接沿海、縱貫?zāi)媳钡奶烊粴饪蚣芩{(lán)圖的逐步呈現(xiàn)，2013年1月23日國(guó)家能源局發(fā)布的《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》指出，到2015年，我國(guó)的城市和縣級(jí)天然氣用戶人口數(shù)量將達(dá)到2.5億，約占總?cè)丝诘?8%，“十二五”期間我國(guó)建設(shè)管道總安全隱患。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)燃?xì)鉄崴鞯陌踩?、舒適性要求也越來(lái)越高。燃?xì)鉄崴鞯南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)也由于新的用戶需求變的越來(lái)越復(fù)雜，因此控制部分的電子化程度也越來(lái)越高，利用軟件控制方法實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)適應(yīng)外界環(huán)境的變化情況已迫在眉睫。

圖1 硬件電路模塊圖

圖2 硬件電路原理圖

圖3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)功率關(guān)系曲線圖

燃?xì)鉄崴髂軌蚪o人提供快速的、恒溫的生活熱水，但在使用過(guò)程中也不可避免的出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如熱水器點(diǎn)火困難或者點(diǎn)不著火、燃?xì)鉄嶂挡蛔?、出水溫度過(guò)熱、燃燒中途熄火等問(wèn)題，其中以正常燃燒時(shí)中途熄火最讓人頭疼與煩惱，且絕大部分燃?xì)鉄崴鞯闹型鞠ɑ饐?wèn)題都是由于外界風(fēng)壓的變化引起的，本論文提出了一種智能軟件控制方法，根據(jù)外界風(fēng)壓變化自動(dòng)選擇燃燒熱值曲線達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，以應(yīng)對(duì)外界風(fēng)壓的變化，始終保持燃燒室的內(nèi)壓系統(tǒng)平衡，保證燃燒效率處于高位，確保燃?xì)鉄崴靼踩€(wěn)定的工作，保證燃燒過(guò)程的出水恒溫穩(wěn)定性、節(jié)省燃?xì)饽茉础?/p>

表1 熱帶氣旋等級(jí)劃分表

表2 蒲福風(fēng)級(jí)表

2 外界風(fēng)壓自適應(yīng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊圖

如圖1所示，將外界風(fēng)壓自適應(yīng)硬件電路按模塊劃分為：MCU模塊、風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊、功率檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊。

2.2 各模塊功能介紹

(1)MCU模塊：為燃?xì)鉄崴鞯闹骺刂茊卧?，?fù)責(zé)處理一切燃?xì)鉄崴鞯氖聞?wù)；

(2)風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊：為MCU模塊提供時(shí)刻轉(zhuǎn)速信息并時(shí)刻根據(jù)MCU指令調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

(3)電流檢測(cè)模塊：時(shí)刻監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)回路電流數(shù)據(jù)并反饋給MCU模塊；

(4)電壓檢測(cè)模塊：時(shí)刻監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)供電電壓數(shù)據(jù)并反饋給MCU模塊；

(5)轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊：時(shí)刻監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并反饋給MCU模塊。

2.3 各模塊電路原理圖

各模塊的硬件電路原理圖如圖2所示。

3 外界風(fēng)壓自適應(yīng)軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 簡(jiǎn)要介紹

外界風(fēng)壓自適應(yīng)控制方案，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)功率值的變化判斷風(fēng)機(jī)負(fù)載的變化（外界風(fēng)壓變大，風(fēng)機(jī)的功率會(huì)隨之變??；反之亦然），進(jìn)而對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到隨時(shí)適應(yīng)外界多變的風(fēng)壓的目的。尤其是在外界風(fēng)過(guò)大、風(fēng)機(jī)功率下降過(guò)快時(shí)，對(duì)熱水器內(nèi)部燃燒室進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)增氧處理，保證燃?xì)獾娜紵浞趾蜔煔獾募皶r(shí)排放。

考慮成本問(wèn)題也可以只檢測(cè)風(fēng)機(jī)的電流來(lái)代替檢測(cè)風(fēng)機(jī)功率，只是不夠精確。因此，在這里我們采用同時(shí)檢測(cè)風(fēng)機(jī)電流及電壓（即風(fēng)機(jī)功率）的方式，來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速精確快速控制，效果更佳。

3.2 軟件控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方案

3.2.1 風(fēng)力等級(jí)的定義

(1)風(fēng)級(jí)的國(guó)標(biāo)定義

根據(jù)《熱帶氣旋等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19201-2006），熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)六個(gè)等級(jí)。熱帶氣旋底層中心附近最大平均風(fēng)速達(dá)到 10.8m/s～17.1m/s（風(fēng)力6～7級(jí)）為熱帶低壓，達(dá)到17.2 m/s～24.4 m/s（風(fēng)力8～9級(jí)）為熱帶風(fēng)暴，達(dá)到24.5 m/s～32.6 m/s（風(fēng)力10～11級(jí)）為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，達(dá)到32.7 m/s～41.4 m/s（風(fēng)力12～13級(jí)）為臺(tái)風(fēng)，達(dá)到41.5 m/s～50.9 m/s（風(fēng)力14～15級(jí)）為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，達(dá)到或大于51.0 m/s（風(fēng)力16級(jí)或以上）為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，詳見(jiàn)表1。

(2)風(fēng)級(jí)的國(guó)際規(guī)范——蒲福風(fēng)級(jí)

風(fēng)力等級(jí)（簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)級(jí)）是根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強(qiáng)度等級(jí)來(lái)估計(jì)風(fēng)力的大小，國(guó)際上采用的風(fēng)力等級(jí)是英國(guó)人蒲福（Francis Beaufort，1774—1859）于1805年所擬定的，故又稱(chēng)“蒲福風(fēng)級(jí)”。他是從靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級(jí)。自1946年以來(lái)風(fēng)力等級(jí)又作了一些修訂，由13級(jí)變?yōu)?7級(jí)，如表2。

表3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率值5條曲線表

3.2.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)功率曲線定義

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)功率關(guān)系曲線如圖3所示，其中：

A：燃?xì)鉄崴骰鹧娓』鸾缦?，曲線以上會(huì)出現(xiàn)火焰飛火、中途熄火現(xiàn)象；

B：外界風(fēng)停止后，減小風(fēng)速目標(biāo)值線，稱(chēng)為減風(fēng)停止線；

C：整機(jī)裝標(biāo)準(zhǔn)管，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，非燃燒狀態(tài)時(shí)風(fēng)機(jī)功率曲線，稱(chēng)為風(fēng)機(jī)學(xué)習(xí)線；

D：外界風(fēng)有風(fēng)壓時(shí)，增加風(fēng)速目標(biāo)值線，稱(chēng)為加風(fēng)停止線；

E：燃?xì)鉄崴鞑煌耆紵缦?，曲線以下會(huì)出現(xiàn)不完全燃燒、積碳現(xiàn)象。

3.3 軟件控制方案原理說(shuō)明

(1)加風(fēng)處理

當(dāng)燃燒時(shí)，若風(fēng)機(jī)電流低于E曲線時(shí)，則提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加燃燒系統(tǒng)中氧氣，直到風(fēng)機(jī)功率在D曲線以上，則停止加風(fēng)，加風(fēng)程度多少需要根據(jù)燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)抗風(fēng)等級(jí)（比如抗風(fēng)9級(jí)）及伯努利方程(p+(ρv )/2+ρgh=c)計(jì)算風(fēng)級(jí)與壓力之間的換算關(guān)系，試驗(yàn)室模擬出加風(fēng)階數(shù)。

(2)減風(fēng)處理

當(dāng)風(fēng)機(jī)受到外界風(fēng)壓影響有加風(fēng)動(dòng)作時(shí)，若外界風(fēng)壓消失，檢測(cè)風(fēng)機(jī)功率大于A曲線，則減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，直到功率處于B曲線以下。

(3)燃燒控制范圍

a.燃燒處于B、D曲線范圍內(nèi)，燃燒狀態(tài)最佳或較好，不做修正；

b.燃燒處于D、E曲線范圍內(nèi)，燃燒狀態(tài)不佳，雖CO較高，但在可容許范圍之內(nèi)，不做修正；

c.燃燒處于E曲線以下，氧氣量不足，不完全燃燒，CO較高，火焰變紅，進(jìn)行加風(fēng)增氧處理至D線以上，根據(jù)燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)抗風(fēng)等級(jí)及伯努利方程計(jì)算風(fēng)級(jí)與壓力之間的換算關(guān)系，確定加風(fēng)階數(shù)，增加一定階數(shù)后，風(fēng)機(jī)功率值仍低于E線，則停止燃燒，報(bào)風(fēng)壓過(guò)大故障。

(4)點(diǎn)火智能風(fēng)壓

a.點(diǎn)火時(shí)檢測(cè)外界風(fēng)壓變化，如風(fēng)機(jī)功率低于D線則進(jìn)行加轉(zhuǎn)速（不能加的太多，防止點(diǎn)火爆燃），點(diǎn)火成功后，同時(shí)檢測(cè)風(fēng)機(jī)功率值，隨時(shí)進(jìn)行修正；

b.點(diǎn)火智能風(fēng)壓是在機(jī)器點(diǎn)火前就進(jìn)行風(fēng)機(jī)物理性能及環(huán)境風(fēng)壓狀況檢測(cè)，進(jìn)行風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速修正，風(fēng)機(jī)參數(shù)修正合格后，再進(jìn)行點(diǎn)火，如修正一定階數(shù)后風(fēng)機(jī)功率還低于D線，則報(bào)風(fēng)壓過(guò)大故障。

3.4 軟件控制方案的程序參數(shù)取值法

(1)測(cè)試多個(gè)風(fēng)機(jī)的6個(gè)轉(zhuǎn)速在標(biāo)準(zhǔn)煙管狀況下對(duì)應(yīng)的功率值、浮火界限的平均功率值及設(shè)計(jì)抗風(fēng)9級(jí)的平均功率值，見(jiàn)表3。

(2)程序取值為5條線的標(biāo)準(zhǔn)管功率值，6個(gè)取值點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)管狀態(tài)下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000，2300，2700，3200，3700，4200時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)功率值。

(3)風(fēng)機(jī)學(xué)習(xí)值默認(rèn)為C線，會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)值與平均功率值之間的比例系數(shù)，相應(yīng)計(jì)算平移5條曲線的位置，適應(yīng)風(fēng)機(jī)的個(gè)體差異情況。

4 結(jié)論

隨著城鎮(zhèn)化程度的深化，城市中心土地資源的減少，高層住宅越來(lái)越多，特別是冬天時(shí)，外界風(fēng)力強(qiáng)勁，燃?xì)鉄崴髟谑褂眠^(guò)程中越來(lái)越多的地受到樓層風(fēng)壓的影響。燃?xì)鉄崴鞯臒煿苋纪ㄟ^(guò)墻壁伸到室外，當(dāng)外界環(huán)境的風(fēng)力比較大時(shí)，外界風(fēng)會(huì)撞擊建筑物的墻壁，進(jìn)而通過(guò)排煙管管壁上的眾多排煙孔吹入燃?xì)鉄崴髦?，造成燃?xì)鉄崴髦腥紵艢獠粫?，供氧量不足，影響燃?xì)鉄崴鞯恼Ｈ紵室约叭紵髲U氣的排放，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致回火或者熄火，甚至導(dǎo)致多余的CO超標(biāo)無(wú)法排出室外，進(jìn)入用戶的房間，引發(fā)安全隱患。

因此，通過(guò)控制器硬件及軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)功率值的變化判斷風(fēng)機(jī)負(fù)載的變化，進(jìn)而對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到隨時(shí)應(yīng)對(duì)外界多變的風(fēng)力的環(huán)境。尤其是冬天，且用戶家的機(jī)器安裝在北向房間時(shí)，在外界風(fēng)力過(guò)大，風(fēng)機(jī)功率下降過(guò)快時(shí)，對(duì)燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部燃燒系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)增氧處理，保證燃?xì)鉄崴魅紵到y(tǒng)中的空燃匹配良好以及燃燒廢氣的及時(shí)排放，對(duì)解決高層用戶由于外界環(huán)境風(fēng)力過(guò)大造成無(wú)法使用燃?xì)鉄崴鞯膯?wèn)題起到極大的作用。本論文對(duì)于在惡劣條件下燃?xì)鉄崴鞯氖褂锰峁┝撕?jiǎn)便、低成本的解決方案。

[1]楊燕飛.中國(guó)燃?xì)饩咝袠I(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)綜合預(yù)測(cè).家用燃?xì)饩撸?013.（1）

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[3]王殿君，田羽.談民用燃?xì)鉄崴骷板仩t的節(jié)能.應(yīng)用能源技術(shù)，2002，（2）

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[5]崔宏宇，崔宏巍.單燃料燃?xì)馄?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制器設(shè)計(jì).農(nóng)機(jī)化研究.2006(5)

[6]陳樹(shù)義.燃料燃燒與燃燒裝置[M].北京: 冶金工業(yè)出版社，1985 :11215.

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