中國市政工程華北設(shè)計總院有限公司 渠艷紅

域適都智能裝備（天津）有限公司 洪 磊

中國建筑第六工程局有限公司 吳 杰

近些年，全預混燃燒因其在提高燃燒效率、降低燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)方面的突出優(yōu)勢，已被廣泛應用于全預混燃氣采暖熱水爐中。目前市場上常見的采暖熱水爐空燃比一經(jīng)出廠設(shè)定，用戶不得自行調(diào)節(jié)。如此在實際運行過程中時有燃燒惡化、熱效率降低等情況發(fā)生，同時，同一采暖熱水爐也無法適應不同特性的燃氣。基于應用的便利性、使用的安全性等多方面的需求，自動適應氣源變化的燃氣采暖熱水爐將成為未來行業(yè)發(fā)展的方向。其控制系統(tǒng)可依據(jù)燃氣的華白數(shù)等特性，重新自動計算并調(diào)整最佳空燃比。本文將通過研究火焰電流信號、空氣系數(shù)及燃氣特性之間的關(guān)系，為燃氣采暖熱水爐自動適應氣源變化系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)的實驗數(shù)據(jù)。

1 火焰電流法

火焰電流法，即離子電流法，是利用火焰的燃燒層單向?qū)щ娫矶兄频囊环N檢測方法。燃氣與空氣的混合氣在燃燒時，會發(fā)生劇烈的化學反應，生成大量離子和自由電子。如果在兩極間添加1個偏置電壓，帶電粒子就會在電場的作用下發(fā)生定向移動，從而在兩極之間產(chǎn)生離子電流[1]。在全預混燃氣采暖熱水爐的研發(fā)過程中，燃燒時火焰產(chǎn)生的離子電流信號，可經(jīng)控制器進行采集后放大處理。

燃燒離子反應是監(jiān)測火焰電流的理論基礎(chǔ)。燃燒過程存在的離子反應為：

火焰電流測試系統(tǒng)如圖1所示。在燃燒器上方安裝1對火焰離子探棒，并將其串聯(lián)在電阻和直流電源構(gòu)成的電路中?；鹧嫒紵龝r發(fā)生離子反應，隨即構(gòu)成導電回路。離子反應使得帶電負離子向探棒陽極方向移動，正離子向探棒陰極方向移動。通過電流表監(jiān)測火焰是否熄滅以便提供安全保護，并通過電流強弱判斷燃氣燃燒中的空燃比趨勢。

圖1 火焰電流測試系統(tǒng)示意

通過研究離子電流與燃燒壓力[2-3]、空氣燃氣比例（以下簡稱空燃比）之間的關(guān)系，可以判斷燃燒狀況，從而確定最佳燃燒壓力和空燃比。作為一種新型的在線測量方法，火焰電流法具有快速響應、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點。

2 實驗方法

2.1 實驗系統(tǒng)

全預混采暖熱水爐的燃燒控制實驗系統(tǒng)主要由風機、燃燒器、火焰電流感應裝置、控制器、文丘里裝置、電動節(jié)流閥及水路系統(tǒng)等組成，如圖 2所示。其中，火焰電流感應裝置是由帶偏置電壓的2個電極組成，即火焰離子探棒，位于燃燒器火焰上方的固定位置上。控制器由可編程單片機和芯片集成，能夠監(jiān)控信號、執(zhí)行控制程序以及實現(xiàn)發(fā)出控制命令。當熱水爐運行時，燃氣通過電動節(jié)流閥與空氣在文丘里裝置混合，混合后通過風機輸送至燃燒器燃燒；控制器則控制電動節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)燃氣流量和控制風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)空氣流量，同時監(jiān)控火焰電流感應裝置的火焰電流信號。

圖2 燃氣采暖熱水爐燃燒控制實驗系統(tǒng)示意

燃氣采暖熱水爐所用的全預混燃燒器實物見圖 3，火焰離子探棒末端與燃燒器切面的垂直距離一般為8 mm。

圖3 全預混燃燒器

2.2 實驗方法

實驗條件：(1) 選取1臺額定輸入功率24 kW的全預混燃氣采暖熱水爐；(2) 氣源分別為12T天然氣基準氣(甲烷99.9%)和19Y液化石油氣基準氣(丙烷 99.94%)。

在不同風機轉(zhuǎn)速（4 650 r/min、2 000 r/min和7 300 r/min）和不同基準氣（12T、19Y）下，通過調(diào)節(jié)燃氣進氣量來控制空氣系數(shù)進行實驗。在熱水爐煙氣排出口采集并測得燃燒干煙氣中 CO、CO2和O2體積分數(shù)φ；燃氣流速和火焰電流信號通過控制器讀取后，與電腦實時通信，并在控制軟件中顯示。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 空氣系數(shù)確定

通?？赏ㄟ^熱水爐煙氣排出口的干煙氣中 O2體積分數(shù)φ判斷燃燒工況，并根據(jù)不同的燃燒工況采用不同的方式計算空氣系數(shù)。

(1) 當干煙氣中O2體積分數(shù)＞2%時，即完全燃燒工況下，空氣系數(shù)α可直接用式(4)計算：

式中：α——空氣系數(shù)；

φ(O2)——干煙氣中實測氧氣體積分數(shù)，%。

(2) 當干煙氣中φ(O2)≤2%時，處于不完全燃燒工況狀態(tài)，此時可先計算當前固定風機轉(zhuǎn)速下任一燃氣流量點完全燃燒時所需的空氣系數(shù)α′，然后再采用下列實驗室經(jīng)驗公式得出該不完全燃燒工況的空氣系數(shù)α。

式中：α——空氣系數(shù)；

α′——該熱水爐測試系統(tǒng)完全燃燒工況時，某一燃氣流量點的空氣系數(shù)；

Q′g——α′對應的該點燃氣流量，m3/h；

Qg——干煙氣中φ(O2)≤2%時的燃氣流量，m3/h。

3.2 風機轉(zhuǎn)速4 650r/min時

(1) 使用12T基準氣為實驗氣，調(diào)節(jié)不同燃氣流速，燃氣流量由小依次向大進行實驗，得到熱水爐在不同熱負荷下的測試數(shù)據(jù)，見表 1?？紤]到精度，火焰電流信號經(jīng)控制器單片機采集完成并經(jīng)電腦CPU讀取后，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

表1 12T天然氣時不同熱負荷下試驗數(shù)據(jù)

(2) 使用19Y基準氣為實驗氣，調(diào)節(jié)不同燃氣流速，燃氣流量由小依次向大進行實驗，得到熱水爐在不同熱負荷下的測試數(shù)據(jù)，見表2。

表2 19Y液化氣時不同熱負荷下試驗數(shù)據(jù)

表 1、表 2中燃氣流量 Qg、火焰電流信號和CO、O2、CO2體積百分數(shù)φ為實驗測試數(shù)據(jù)，熱負荷、空氣系數(shù)α為計算數(shù)據(jù)。

3.3 不同風機轉(zhuǎn)速時

為繼續(xù)驗證不同風機轉(zhuǎn)速下空氣系數(shù)與火焰電流的關(guān)系，分別將風機轉(zhuǎn)速固定在2 000 r/min和7 300 r/min，依次使用12T和19Y基準氣進行上述實驗，并得出空氣系數(shù)與火焰電流信號關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 空氣系數(shù)α與火焰電流信號關(guān)系曲線

3.4 實驗分析

(1) 風機轉(zhuǎn)速為4 650 r/min時，當試驗氣為12T基準氣，火焰電流信號在空氣系數(shù)區(qū)間[0.91,1.00]達到最大，區(qū)間外火焰電流信號強度均呈遞減趨勢；當試驗氣為19Y基準氣，火焰電流信號在空氣系數(shù)0.94附近時達到最大，而后不論隨著空氣系數(shù)的增加或者減少，火焰電流信號均在遞減。這是因為當空燃比過大時，多余的空氣會稀釋火焰離子探棒之間的帶電離子濃度；空燃比過小時燃氣未能充分燃燒，燃燒過程未能產(chǎn)生足夠多的帶電粒子。理論上空燃比達到最佳時，火焰電流達到峰值。

(2) 當熱水爐使用同一種燃氣時，不同的風機轉(zhuǎn)速下空氣系數(shù)α與火焰電流信號變化趨勢一致，火焰電流信號基本是在空氣系數(shù)為 1附近達到峰值。當熱水爐的風機轉(zhuǎn)速一定時，使用不同燃氣測試所得空氣系數(shù)與火焰電流信號趨勢也一致，兩條曲線是完全獨立不重合的，也意味著12T和19Y在任一固定風機轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的火焰電流信號與空氣系數(shù)α的變化趨勢是唯一可識別的。

(3) 在熱水爐的實際運行中，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，多余空氣會造成煙氣總排放量的增加，降低熱水爐熱效率；空燃比過小時，則會發(fā)生燃燒不充分，如表1中，當空氣系數(shù)為1.00時，煙氣中CO含量急劇增加。因此需結(jié)合排放干煙氣中各氣體組分的含量，綜合評判并確定出熱水爐運行時的最佳空氣系數(shù)區(qū)間。

4 結(jié)語

通過研究可知：全預混采暖熱水爐燃燒系統(tǒng)在固定風速情況下，使用任何燃氣運行時，其火焰電流信號在空氣系數(shù)為1附近達到最大值。當火焰電流信號未在空氣系數(shù)為1附近達到最大值，分析其影響因素，認為有可能是由于燃氣氣源成分不同的以及測試硬件、測試系統(tǒng)、測試環(huán)境的不同。

對于同一測試系統(tǒng)，在風機轉(zhuǎn)速一定的情況下使用不同華白數(shù)的燃氣進行測試，所獲得的空氣系數(shù)與火焰電流信號關(guān)系曲線具有高度可識別性，空氣系數(shù)與火焰電流信號之間的對應關(guān)系可為全預混采暖熱水爐自動適應不同燃氣系統(tǒng)的開發(fā)提供可靠依據(jù)。