摘　要：針對氣源變化影響全預混冷凝式燃氣壁掛爐的燃燒工況，探討了2種燃氣自適應控制方案——離子電流檢測法、氧或二氧化碳含量檢測法。

關鍵詞：全預混燃燒；　冷凝式燃氣壁掛爐；　燃氣自適應；　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

全預混燃燒是指燃氣和空氣在著火前預先按照一定比例混合均勻，到達燃燒區(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]。

目前市場上的全預混冷凝式燃氣壁掛爐(以下簡稱全預混壁掛爐)主要有風機前預混、風機后預混兩種，分別見圖l、2。變頻風機、燃氣比例閥^[2-3]提供燃燒所需的空氣與燃氣，空氣與燃氣按設定好的空燃比進行混合燃燒。

在全預混壁掛爐設計開發(fā)時，設計者通過對變頻風機的轉速、燃氣比例閥的零位進行調(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)。全預混壁掛爐在出廠前，空燃比已由生產(chǎn)廠家預先設置好，不能自動調(diào)節(jié)，即全預混壁掛爐只適用于當前氣種。如果燃氣組成發(fā)生變化，導致燃氣熱值、密度、燃燒特性等超出設計范圍，則此氣種對應的最合理空燃比也發(fā)生變化，造成全預混壁掛爐當前設置的空燃比與最合理空燃比不同，導致壁掛爐不能達到最佳燃燒工況，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備不斷出現(xiàn)，氣源種類越來越多，全預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，有必要對燃氣自適應控制在全預混壁掛爐的應用進行探討。

2　燃氣自適應控制方案

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，碳氫化合物在燃燒時，會產(chǎn)生熱電離子，使燃燒火焰具有電導性^[4]。由于氣體的導電能力有限，需要在燃氣火焰與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氣燃燒時產(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，燃氣燃燒時產(chǎn)生的離子電流大小，與離子的濃度有關，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，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。如果燃氣火焰意外熄滅，則離子電流探測器檢測不到離子電流信號，就會關閉燃氣電磁閥，切斷氣源，避免燃氣泄漏引發(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用于現(xiàn)有燃具產(chǎn)品中。因此，離子電流檢測法應用于燃氣壁掛爐，進行燃燒工況的實時監(jiān)測是成熟的技術。傳統(tǒng)全預混壁掛爐應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。而燃氣自適應全預混壁掛爐應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離子電流檢測法燃氣自適應控制方案

要實現(xiàn)穩(wěn)定的全預混燃燒，關鍵在于保持合理、穩(wěn)定的空燃比。實驗證明，全預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，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)的關系見圖3。由圖3可知，當空燃比最佳時，火焰溫度達到峰值，火焰離子電流也達到峰值。這是離子電流檢測法用于判斷全預混燃燒空燃比的理論依據(jù)。

離子電流檢測法燃氣自適應控制方案應用于全預混壁掛爐見圖4，控制模塊見圖5。燃氣自適應全預混壁掛爐具有能實時檢測火焰離子電流信號的功能。設計者將幾種互換氣種在每種燃燒熱負荷下的最佳離子電流信號預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氣流量調(diào)節(jié)器及變頻風機。

電子燃氣流量調(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氣流量調(diào)節(jié)器的閥門開度，從而控制燃燒熱負荷，也就是說電子燃氣流量調(diào)節(jié)器接收到的電流信號與燃燒熱負荷一一對應。

變頻風機的工作原理是：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置值范圍內(nèi)，如果火焰離子電流信號在設置值范圍內(nèi)，則說明燃燒正常，燃氣組成沒發(fā)生變化；如果火焰離子電流信號在設置值范圍以外，則說明燃燒異常，燃氣組成發(fā)生變化，最佳空燃比也發(fā)生變化，則控制模塊會發(fā)出信號給變頻風機，改變變頻風機的轉速，達到最佳空燃比。

通過控制模塊根據(jù)離子電流信號來實時控制電子燃氣流量調(diào)節(jié)器及變頻風機，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行檢測，是燃氣燃燒檢測中非常成熟的技術。實驗及理論知識表明，全預混壁掛爐在最佳燃燒工況時，排放出的煙氣中氧體積分數(shù)為5％左右，二氧化碳體積分數(shù)為9％左右。因此，可以通過監(jiān)測氧或二氧化碳的體積分數(shù)，來判斷全預混壁掛爐是否處于最佳燃燒工況。

二氧化碳含量探測法燃氣自適應控制方案應用于全預混壁掛爐見圖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，對信號進行邏輯分析。當二氧化碳含量偏離設置值時，控制模塊會迅速輸出電信號給電子燃氣流量調(diào)節(jié)器及變頻風機，進行控制參數(shù)調(diào)整，從而調(diào)整空燃比，使煙氣中的二氧化碳體積分數(shù)恢復到9％左右。需要說明的是二氧化碳含量檢測法燃氣自適應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。

相比離子電流檢測法燃氣白適應控制方案，此方案二氧化碳含量探測器價格比較高，而且由于煙氣溫度高，二氧化碳含量探測器要定期更換，因此制造成本及后期維護成本較高，一般不推薦使用。

參考文獻：

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[3]魯泓，馮良，劉永芳，等．燃氣比例閥的結構及原理分析實例[J]．煤氣與熱力，2013，33(10)：Bl7-B21．

[4]馮良，李培華，金芮．火焰離子電流法檢測全預混燃燒狀態(tài)的應用和探討[J]．上海煤氣，2010(6)：32-34．

本文作者：孫云帆  梁友高

作者單位：廣東萬和新電氣股份有限公司