同濟(jì)大學(xué)　林立春　馮　良　鄧鈺才

空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制方法的研究

同濟(jì)大學(xué)林立春馮良鄧鈺才

基于空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制現(xiàn)狀，根據(jù)流體壓力、壓差、流量之間的耦合關(guān)系，提出了一種更具實(shí)用性且不受預(yù)熱空氣溫度影響的空燃比控制方法。文中采用AMESim仿真的研究方法，搭建了空氣預(yù)熱式燃燒系統(tǒng)空燃比控制性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試該燃燒系統(tǒng)空燃比控制的可行性，同時(shí)驗(yàn)證所建立AMESim模型的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流量和壓力特性與理論分析的一致，驗(yàn)證了該耦合控制方法在空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)上的可行性；壓力特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了該AMESim模型的合理性和有效性。

空燃比冷端壓差控制閥空氣預(yù)熱燃燒AMESim

0　前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)在能源利用方面利用率低、排放高的問(wèn)題日益凸現(xiàn)，這不僅使環(huán)境日益惡化，更影響到了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展?？諝忸A(yù)熱燃燒技術(shù)因其充分回收排煙中的余熱、提高燃燒效率，被廣泛應(yīng)用于燃燒系統(tǒng)中，成為節(jié)能減排的重要手段，但是空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)易引起冷熱態(tài)空燃比漂移，導(dǎo)致點(diǎn)火成功率低、熱效率低、設(shè)備無(wú)法保持高效運(yùn)行等問(wèn)題。可見(jiàn)，具有空氣預(yù)熱的燃燒系統(tǒng)能否體現(xiàn)出節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)，空燃比調(diào)節(jié)和控制是關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制市場(chǎng)較小、空燃比控制相關(guān)產(chǎn)品有限、研究技術(shù)水平不高，因此進(jìn)一步研究出一種經(jīng)濟(jì)、安全可靠且能廣泛應(yīng)用的方法解決助燃空氣預(yù)熱溫度對(duì)空燃比影響的問(wèn)題具有很大的市場(chǎng)價(jià)值和實(shí)用意義。

1　空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)的空燃比控制難點(diǎn)

空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢(shì)突出，但存在一些控制難點(diǎn)：

空燃比可以用如下公式表示：

式中：α——過(guò)?？諝庀禂?shù)；

ma——空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

mg——燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，kg/s ；

ρa(bǔ)——空氣的密度，kg/m3；

ρg——燃?xì)獾拿芏?，kg/m3；

va——空氣體積流量，m3/s；

vg——燃?xì)怏w積流量，m3/s。

通常，當(dāng)空燃比調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)完畢后，空氣與燃?xì)饬髁勘戎祐a/vg保持不變；在忽略其他微小因素的情況下，燃?xì)饷芏纫膊粫?huì)發(fā)生變化；但空氣密度卻會(huì)隨著預(yù)熱空氣的溫度變化而發(fā)生變化，根據(jù)上述公式，可知空燃比就會(huì)發(fā)生飄移。

空燃比的穩(wěn)定性直接影響燃燒器的燃燒效率、污染物的排放和燃燒工況的好壞?？杖急绕茙?lái)的一系列問(wèn)題如下：

(1)冷啟動(dòng)時(shí)空氣過(guò)剩，從而可能引起點(diǎn)火成功率低，點(diǎn)火困難。

(2)由于冷啟動(dòng)空氣過(guò)剩，熱效率低，使得鍋爐升溫緩慢。

(3)負(fù)荷變化時(shí)助燃風(fēng)溫度變化，設(shè)備無(wú)法保持高效運(yùn)行。

綜上所述，空燃比的調(diào)節(jié)是決定預(yù)熱空氣燃燒系統(tǒng)是否能達(dá)到節(jié)能減排目的的關(guān)鍵技術(shù)。因此，在調(diào)節(jié)空燃比過(guò)程中，必須將冷熱態(tài)溫度變化考慮在內(nèi)。

2　多級(jí)耦合控制方法理論研究

2.1多級(jí)耦合控制方法的設(shè)想

傳統(tǒng)控制方案中，系統(tǒng)首先從爐膛、空氣管道、燃?xì)夤艿廊?，并通過(guò)設(shè)置空氣側(cè)隔膜和燃?xì)鈧?cè)隔膜獲得一對(duì)壓差關(guān)系，即將壓力轉(zhuǎn)換為壓差，依賴壓差與流量之間的耦合關(guān)系Δp=kAL2，實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的控制。這種模式的理論依據(jù)是壓力與壓差、壓差與壓差、壓差與流量之間的多層耦合關(guān)系。為效仿這種壓差控制模式，針對(duì)空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)，在空氣管道冷端，即預(yù)熱器之前的空氣管道上設(shè)置孔板；在燃?xì)夤艿郎显O(shè)置閥門，將壓力轉(zhuǎn)換為壓差，從而構(gòu)造4個(gè)壓力，兩對(duì)壓差。這種獲取壓差的方式不必再?gòu)臓t膛取壓，避免了空氣溫度變化對(duì)空燃比的影響。多級(jí)耦合控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　多級(jí)耦合控制系統(tǒng)原理

根據(jù)流體流動(dòng)過(guò)程中壓差與流量的耦合關(guān)系，可以得出流經(jīng)空氣旁通管路上孔板和燃?xì)夤艿朗謩?dòng)閥門的流體流動(dòng)關(guān)系式：

將上述公式中的流量和密度用其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)表示為：

將上述流量和密度公式帶入流體流動(dòng)關(guān)系式為：

公式經(jīng)過(guò)變換可得旁通管內(nèi)空氣及燃?xì)夤艿纼?nèi)燃?xì)饬髁康谋磉_(dá)式：

式中：ξa,k——表示空氣旁通管道上孔板的局部阻力系數(shù)；

ξg,f——表示燃?xì)夤艿郎鲜謩?dòng)閥門的局部阻力系數(shù)；

Aa,k——表示孔板的流通面積，m2；

Ag,f——表示燃?xì)夤艿郎鲜謩?dòng)閥門的流通面積，m3；

ρa(bǔ)、ρg——分別表示空氣、燃?xì)獾拿芏?，kg/m3；

La、Lg——分別表示空氣旁通管、燃?xì)夤艿纼?nèi)體積流量，m3/s；

ρa(bǔ)n、ρgn——分別表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣、燃?xì)獾拿芏?，kg/m3；

Lan、Lgn——分別表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣旁通管、燃?xì)夤艿纼?nèi)體積流量，m3/s；

ta、tg——分別表示預(yù)熱前空氣、燃?xì)獾臏囟?，℃?/p>

Kak、Kgf——分別表示空氣旁通、燃?xì)夤艿赖淖枇ο禂?shù)，m1.5/kg0.5；

ΔPa、ΔPg——分別表示孔板、手動(dòng)閥門前后的壓差，Pa。

零壓閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其出口處與取壓管處壓力存在如下關(guān)系：

空氣主管內(nèi)的空氣燃燒后最終排向大氣。根據(jù)上述公式推導(dǎo)可得，作為空氣主管路內(nèi)的流體，其流量同樣可表示為：

因旁通管上的波紋形加熱盤(pán)管細(xì)而長(zhǎng)，能夠?qū)⑴酝ü軆?nèi)空氣迅速加熱到與空氣預(yù)熱器出口近乎相等的溫度，故可將旁通管內(nèi)空氣的溫度特性近似看做與空氣預(yù)熱器出口處空氣的溫度特性近似相等，即：

空氣主管內(nèi)空氣流量與空氣旁通管內(nèi)空氣流量比值為：

將公式(15)代入得：

式中：Aa,k′——表示空氣主管的流通面積，m2；

Aa,k″——表示零壓閥后面一段空氣旁通管的流通面積，m2；

Ka,k′——表示空氣主管阻力系數(shù)，m1.5/kg0.5；

Ka,k″——表示零壓閥后面一段空氣旁通管阻力系數(shù)，m1.5/kg0.5。

當(dāng)空氣旁通管與空氣主管結(jié)構(gòu)不變時(shí)，Aa,k′、Aa,k″、Ka,k′、Ka,k″也基本不變，故公式(17)中流量的比值為一個(gè)定值，假定為k。

則有如下關(guān)系式：

該燃燒系統(tǒng)空燃比表示為：

若閥門執(zhí)行器能夠使得壓差之間滿足線性關(guān)系，即：

則空燃比可表示為：

綜上所述，只需要保證旁通管上空氣側(cè)壓差與燃?xì)鈧?cè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥處壓差為線性關(guān)系，就能夠?qū)崿F(xiàn)空燃比穩(wěn)定。

3　冷端壓差比例閥的AMESim模型建立

3.1冷端壓差比例閥空間結(jié)構(gòu)及工作原理分析

本文在已有閥門的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出一種冷端壓差比例閥，使得旁通管上空氣側(cè)壓差與燃?xì)鈧?cè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥處壓差為線性關(guān)系。該冷端壓差比例閥的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2所示。通過(guò)該閥門結(jié)構(gòu)，空氣側(cè)正負(fù)壓差作用于空氣側(cè)隔膜，燃?xì)鈧?cè)正負(fù)壓差作用于燃?xì)鈧?cè)隔膜，通過(guò)中間閥芯，作用力得以傳遞，并通過(guò)設(shè)置彈簧平衡閥芯的重力。最終，在穩(wěn)定狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)壓差的平衡關(guān)系。

從圖中可見(jiàn)，其結(jié)構(gòu)包括四個(gè)腔體、三個(gè)波紋形隔膜、彈簧、閥芯、閥桿。

圖2　冷端壓差比例閥的結(jié)構(gòu)示意

3.2冷端壓差比例閥模型

為設(shè)計(jì)出可行且精確性更高的冷端壓差比例閥，本文采用了AMESim軟件建模的方法對(duì)所設(shè)計(jì)冷端壓差比例閥的各基本組成部分(包括四個(gè)腔室、三個(gè)隔膜、彈簧、閥芯等)的物理特性進(jìn)行研究，確定各組成部分的基本參數(shù)(腔室體積、隔膜截面積、隔膜彈性系數(shù)等)。本文建立冷端壓差比例閥的AMESim模型，如圖3所示：

圖3　空燃比多級(jí)耦合控制系統(tǒng)的AMESim模型

圖中的空燃比多級(jí)耦合控制系統(tǒng)的AMESim模型是結(jié)合冷端壓差比例閥的空間結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)AMESim應(yīng)用庫(kù)的元件等效建立的，模型中的每一個(gè)基本元件與所研究冷端壓差比例閥的物理元件是一一對(duì)應(yīng)。本系統(tǒng)的可行性證明僅涉及到壓力，且為了保持與實(shí)驗(yàn)的一致性，系統(tǒng)中燃?xì)庖彩褂每諝庾鳛闅怏w工質(zhì)，根據(jù)需求差異取不同的壓力值，恒溫恒壓氣源7、9中的氣體壓力是給冷端壓差比例閥提供的空氣旁通管道上孔板前后產(chǎn)生的壓力，而恒溫恒壓氣源6中的氣體壓力是燃?xì)馊肟趬毫Α?1(腔室q3)和14(腔室q4)是冷端壓差比例閥的燃?xì)馊簜?cè)的腔室，仿真模擬中所需要觀察的變量即為該腔室的壓力，氣體經(jīng)過(guò)該腔室通過(guò)可調(diào)限流閥12流出，可調(diào)限流閥對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中燃?xì)夤艿郎系氖謩?dòng)調(diào)節(jié)閥，控制信號(hào)模型可以控制閥門的開(kāi)度來(lái)模擬流量的變化。

3.3各子元件參數(shù)設(shè)置

要完成系統(tǒng)的仿真，其中各個(gè)子元件的參數(shù)設(shè)置是關(guān)鍵。各元件的參數(shù)設(shè)置將會(huì)影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(衰減比、余差、最大偏差、過(guò)渡時(shí)間、震蕩周期)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到系統(tǒng)性能，如出現(xiàn)震蕩、超調(diào)等。

影響冷端壓差比例閥性能的因素很多，包括各腔室(q1、q2、q3、q4)體積、彈簧剛度、燃?xì)鈧?cè)隔膜直徑、空氣側(cè)隔膜直徑、閥桿及閥芯等重力元件的質(zhì)量、閥芯直徑。這些因素是綜合作用的，應(yīng)利用AMESim軟件多次調(diào)節(jié)各物理元件參數(shù)使得冷端壓差比例閥動(dòng)態(tài)特性良好。

3.4冷端壓差比例閥AMESim模型的運(yùn)行模擬

冷端壓差比例閥是否可行，可通過(guò)AMESim模型的仿真模擬進(jìn)行初步驗(yàn)證。利用該仿真平臺(tái)可以對(duì)冷端壓差比例閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬仿真。仿真時(shí)，保持燃?xì)馊肟趬毫? kPa，并通過(guò)設(shè)置腔室q1、q2的壓力，產(chǎn)生幾個(gè)不同壓差，輸出該不同壓差下腔室q3、q4之間的壓差。部分仿真曲線如圖4至圖6所示：

圖4　空氣側(cè)壓差為0.25 kPa時(shí)的仿真曲線

圖5　空氣側(cè)壓差為0.30 kPa時(shí)的仿真曲線

圖6　空氣側(cè)壓差為0.35 kPa時(shí)的仿真曲線

從仿真曲線中我們可以看出：隨燃?xì)鈧?cè)壓差從小到大變化，過(guò)度時(shí)間和工作周期的變化趨勢(shì)是逐漸變小，而震蕩頻率則逐漸增大。過(guò)渡時(shí)間短，說(shuō)明過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得順利，這時(shí)即使干擾再次出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)。在相同的衰減比條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比，通常希望周期短一些較好。

圖7為模擬空氣側(cè)壓差和燃?xì)鈧?cè)壓差關(guān)系的折線圖，從圖中可以看出，燃?xì)鈧?cè)壓差與空氣側(cè)壓差的比值近似為2.0。

圖7　空氣側(cè)壓差與燃?xì)鈧?cè)壓差線性關(guān)系

4　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

4.1實(shí)驗(yàn)裝置和操作

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試目的是測(cè)試?yán)涠藟翰畋壤y的靜態(tài)特性，主要包含壓力特性和流量特性兩部分，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與AMESim仿真模擬得出的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性。本文設(shè)計(jì)的多級(jí)耦合控制系統(tǒng)性能測(cè)試示意圖如圖8所示?；诖?，搭建多級(jí)耦合控制系統(tǒng)性能測(cè)試平臺(tái)。

圖8　多級(jí)耦合控制系統(tǒng)性能測(cè)試示意

首先調(diào)節(jié)壓縮空氣管道上的調(diào)壓器，使出口壓力穩(wěn)定在2 kPa，然后通過(guò)風(fēng)機(jī)控制面板調(diào)節(jié)直流無(wú)刷風(fēng)機(jī)的占空比PWM，改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，模擬不同負(fù)荷下的燃燒系統(tǒng)工況。記錄下不同風(fēng)機(jī)占空比下的空氣側(cè)壓差及燃?xì)鈧?cè)壓差，并通過(guò)燃?xì)夤苌细∽恿髁坑?jì)讀出燃?xì)鈧?cè)流量。

4.2靜態(tài)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和AMESim軟件仿真數(shù)據(jù)如下表1所示。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

表1　數(shù)據(jù)記錄表

4.2.1冷端壓差比例閥的壓力特性良好

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同負(fù)荷下空氣側(cè)壓差與燃?xì)鈧?cè)壓差的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布，對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行添加趨勢(shì)線操作，得到冷端壓差比例閥壓力特性曲線，如圖9。

從圖9中可以看出，燃?xì)鈧?cè)壓差與空氣側(cè)壓差在不同負(fù)荷下呈線性關(guān)系，比例系數(shù)近似為2.3。這說(shuō)明冷端壓差比例閥壓力特性良好。

圖9　冷端壓差比例閥壓力特性

4.2.2冷端壓差比例閥的流量特性良好

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同負(fù)荷下燃?xì)饬髁亢涂諝鈧?cè)壓差的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布，對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行添加趨勢(shì)線操作，到冷端壓差比例閥的流量特性曲線，如圖10。

圖10　冷端壓差比例閥流量特性

從圖中可以看出，隨風(fēng)機(jī)占空比的不斷增大，即系統(tǒng)負(fù)荷的增大，空氣側(cè)壓差與燃?xì)鈧?cè)流量都具有逐漸增大的變化趨勢(shì)，二者基本呈二次方的關(guān)系。這完全符合流體力學(xué)中流量與壓差的關(guān)系，說(shuō)明冷端壓差比例閥的流量特性良好。

4.2.3AMESim仿真模型具有一定準(zhǔn)確性

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力特性曲線與AMESim仿真模擬得出的壓力特性曲線的對(duì)比如圖11所示。

圖11　壓差關(guān)系對(duì)比

從圖中可以看出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和AMESim軟件仿真得出的結(jié)果基本一致：燃?xì)鈧?cè)壓差與空氣側(cè)壓差呈線性比例關(guān)系，比例系數(shù)約等于2。對(duì)比結(jié)果表明，AMESim仿真模型具有一定準(zhǔn)確性。

5　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)存在的工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種更簡(jiǎn)便、可行、經(jīng)濟(jì)、有效的空氣預(yù)熱燃燒系統(tǒng)空燃比控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，驗(yàn)證了該多級(jí)耦合控制系統(tǒng)是解決預(yù)熱空氣燃燒系統(tǒng)空燃比問(wèn)題的一種有效方法。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二種情況下的系統(tǒng)性能基本一致，表明該AMESim仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性，為此后系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

Research on Air-fuel Ratio Control Method in Preheat Combustion System

Tongji UniversityLin LichunFeng LiangDeng Yucai

Based on the present air-fuel ratio control method, this paper puts forward a more practical air fuel ratio control method, which can avoid being influenced by air-preheating temperature. The AMESim simulation research method is the approach as taken in this paper. The paper also analyses the results of performance testing in the laboratory platform, and draws some conclusions such as the feasibility of this new method and the validity of the AMESim model.

air-fuel ratio, cold end pressure control valve, air-preheating combustion, AMESim