楊志杰

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

大部分的燃氣具都通過控制空燃比使燃燒工況穩(wěn)定。在現(xiàn)有技術(shù)中，控制空氣一般用到的技術(shù)是通過控制設(shè)定的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，從而間接的控制風(fēng)量；控制燃氣一般用到的技術(shù)是通過控制燃氣比例閥的電流，從而間接地控制燃氣二次壓力。以上這種間接的控制風(fēng)量和燃氣二次壓力的方式，一般情況下，燃氣具都能正常地運行，然而燃氣具實際運行的環(huán)境是變化的。當(dāng)燃燒阻力發(fā)生變化，煙管處有刮大風(fēng)或者燃氣具內(nèi)外冷熱差比較大的時候，間接的控制風(fēng)量則讓燃氣具獲取不到正確的空氣量；某些地方用氣高峰的時候，燃氣一次壓力會大幅度的下降，此時間接的控制燃氣二次壓力則讓燃氣具獲取不到正確的燃氣二次壓力；以上兩種情況將導(dǎo)致實際空燃比發(fā)生改變，燃燒工況將會失控，燃氣具極有可能進入停機保護，導(dǎo)致用戶沒有辦法使用或者用戶體驗差，生產(chǎn)廠家將會被投訴。本論文提到的技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)對比，主要在于：

1）在控制系統(tǒng)中增加燃氣壓力與風(fēng)壓傳感器。

2）當(dāng)系統(tǒng)阻力發(fā)生變化的時候，系統(tǒng)自動增加風(fēng)機轉(zhuǎn)速來保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且在系統(tǒng)阻力恢復(fù)原狀后，系統(tǒng)自動降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速來保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3）通過檢測燃氣二次壓力，實現(xiàn)對燃氣二次壓力的閉環(huán)控制，直接將燃氣壓力與風(fēng)機轉(zhuǎn)速對應(yīng)起來，無論燃氣壓力如何變化，系統(tǒng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速都將會跟隨著變化，保持燃燒工況的穩(wěn)定。本技術(shù)可以最大限度的提高燃氣具燃燒的穩(wěn)定性，為燃燒控制奠定良好的基礎(chǔ)，是行業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是市場迫切的需求。

以下將從燃氣的特性、壓力傳感器、風(fēng)量的控制、燃氣的控制、實驗驗證幾方面去論述。

1 燃氣的特性介紹

1.1 華白數(shù)的概念

式中:

W—華白數(shù)，或稱熱負荷指數(shù)；

H—燃氣熱值（kJ/nm3），按照各國習(xí)慣，有些取用高熱值，有些取用低熱值；

s—燃氣相對密度（設(shè)空氣的s=1）。

華白數(shù)是代表燃氣特性的一個參數(shù)。假設(shè)燃氣華白數(shù)不變的情況下，在同一燃氣壓力下熱水器所產(chǎn)生的熱負荷基本不變。

1.2 燃氣壓力與熱負荷之間的關(guān)系

對于大氣式燃燒器，燃氣流量可按下式計算：

式中:

Lg—圓形噴嘴的流量(m3/h)；

u—噴嘴流量系數(shù)，與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式，尺寸和燃氣壓力有關(guān)，用實驗方法求得；

d—圓形噴嘴的直徑（mm）；

PG—燃氣壓力（Pa）；

s—燃氣的相對密度（空氣=1）。

熱負荷Q為：

式中:

K—比例常數(shù)。

當(dāng)燃燒器噴嘴前壓力不變時，熱負荷Q與燃氣熱值H成正比，與燃氣相對密度的平方根成反比，與燃氣壓力的平方根成正比，因此可以通過控制燃氣壓力來控制熱負荷。

2 壓力傳感器的介紹

2.1 壓力傳感器的概念及應(yīng)用領(lǐng)域

2.2 壓力傳感器的基本構(gòu)造及工作原理

壓力傳感器的基本構(gòu)造請見圖1。由2.2可知燃氣特性中的燃氣壓力，如將其施加于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這個壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號，具體可見圖2。

圖1 壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)

圖2 氣壓監(jiān)測流程

2.3 壓力傳感器的參數(shù)

壓力傳感器要應(yīng)用于檢測燃氣壓力則必須要求精度高，一致性好（具體請見圖3 壓力與輸出信號的曲線），能適應(yīng)較高溫度的工作環(huán)境。具體參數(shù)請見表1。

表1 壓力傳感器主要參數(shù)

圖3 壓力與輸出信號的曲線

2.4 氣壓傳感器應(yīng)用示意圖

如圖4所示。控制基板通過調(diào)節(jié)比例閥電流，利用氣壓傳感器反饋信號，形成閉環(huán)控制二次壓力。

圖4 氣壓傳感器應(yīng)用示意圖

2.5 流量／壓力與比例閥電流的曲線關(guān)系

現(xiàn)有的控制技術(shù)基本都是通過人工選擇液化氣或者天然氣，控制器再執(zhí)行對應(yīng)的程序去控制比例閥的電流，從而控制燃氣流量或壓力，從圖5可以看出他們之間的對應(yīng)關(guān)系。但是，當(dāng)控制器需要自動識別天然氣和液化氣時，這時候有燃氣壓力的數(shù)據(jù)，則控制器進行一定處理則可達到；另外在燃氣欠壓的情況下，電流對應(yīng)的流量或者壓力就不準(zhǔn)確，因此引用采樣壓力，從而得出燃氣流量會更加準(zhǔn)確。

圖5 壓力、流量和比例閥電流的曲線關(guān)系

2.6 壓力與熱負荷的曲線關(guān)系

由公式（2）、（3）繪制出壓力與熱負荷之間的曲線關(guān)系如圖6所示。

圖6 壓力與熱負荷的關(guān)系

3 系統(tǒng)對一次空氣的控制

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

在燃氣具系統(tǒng)中增加風(fēng)壓傳感器，風(fēng)壓傳感器連接風(fēng)機殼的風(fēng)壓取樣嘴，將讀取的風(fēng)壓值通過信號線傳輸給主控制器（圖7所示）；主控制器上的單片機通過當(dāng)前系統(tǒng)阻力和風(fēng)壓值計算出所需的風(fēng)機轉(zhuǎn)速和風(fēng)壓，最終使系統(tǒng)風(fēng)量穩(wěn)定。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3.2 軟件設(shè)計

通過以下步驟來完成恒風(fēng)量的技術(shù)，可以參考圖8。

圖8 風(fēng)速風(fēng)壓與負荷之間的關(guān)系

步驟一：以設(shè)定風(fēng)壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，以系統(tǒng)中反饋的風(fēng)機轉(zhuǎn)速為參考值，在系統(tǒng)阻力發(fā)生變化時，提高設(shè)定風(fēng)壓值。具體方式為：通過實驗測試得出系統(tǒng)最大燃燒負荷（Wmax）對應(yīng)的最大風(fēng)壓（P1max）和無堵塞最大風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1max），系統(tǒng)最小燃燒負荷（Wmin）對應(yīng)的最小風(fēng)壓（P1min） 和無堵塞最小風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應(yīng)的風(fēng)壓（P1）和無堵塞風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1），則由線性關(guān)系計算得出。

步驟二：將計算得出的設(shè)定風(fēng)壓，由單片機通過反饋的風(fēng)壓進行對比，進行閉環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)阻力發(fā)生變化（即風(fēng)機反饋轉(zhuǎn)速升高）的時候，反饋風(fēng)壓會下降，此時單片機通過提高一定的風(fēng)機轉(zhuǎn)速即可維持設(shè)定風(fēng)壓。

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步驟三：通過實驗測試得出系統(tǒng)最大燃燒負荷（Wmax）對應(yīng)的最大保護風(fēng)壓（P2max）和堵塞保護最大風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S2max），系統(tǒng)最小燃燒負荷（Wmin）對應(yīng)的最小保護風(fēng)壓(P2min)和堵塞保護最小風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S2min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應(yīng)的保護風(fēng)壓（P2）和堵塞保護風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S2），則由線性關(guān)系計算得出。

步驟四：當(dāng)步驟二中，風(fēng)機轉(zhuǎn)速提高到一定程度，系統(tǒng)雖然維持了設(shè)定風(fēng)壓，但是煙氣值不足以滿足國標(biāo)的情況下，通過計算S2與S1的差值和當(dāng)前風(fēng)機轉(zhuǎn)速S與S1的差值，得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速提升的百分比，然后計算P2與P1的差值，結(jié)合當(dāng)前轉(zhuǎn)速提升的百分比來計算得出需要提升的風(fēng)壓值PE，最終設(shè)定風(fēng)壓值=P1+PE，然后單片機通過反饋風(fēng)壓進行閉環(huán)控制。

步驟五：當(dāng)風(fēng)機反饋轉(zhuǎn)速大于或等于堵塞保護風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S2），系統(tǒng)進行停機保護。

3.3 實驗結(jié)果

以萬和JSLQ21-13GV56為例，進行3米3彎和堵塞煙管的測試，各項性能均能滿足國標(biāo)GB 6932-2015《家用燃氣快速熱水器》要求。3米3彎和堵塞煙管測試結(jié)果如表2所示，另外選取部分強制性及關(guān)鍵性能的條款的測試數(shù)據(jù)，具體如表3。

表2 測試結(jié)果

表3 分別通以天然氣和液化氣下的整機實驗數(shù)據(jù)

從實驗結(jié)果可以看出，在系統(tǒng)阻力發(fā)生變化的時候，系統(tǒng)能夠自動判別并且對設(shè)定風(fēng)壓做出調(diào)整，從而使風(fēng)量維持最適合的值，從而保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定。 此系統(tǒng)使燃氣具的抗風(fēng)能力更強，因此適應(yīng)環(huán)境的能力更強，對于高樓層用戶、刮風(fēng)厲害的地區(qū)、室內(nèi)外溫差較大的地區(qū)，以上的用戶使用此技術(shù)的燃氣具，系統(tǒng)的穩(wěn)定性適用性更強。

4 燃氣壓力的控制

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

在燃氣具中增加燃氣壓力傳感器用于檢測燃氣二次壓力，該燃氣壓力傳感器可以是和燃氣比例閥二合一體的；也可以是在燃氣比例閥外面，通過傳壓管的方式將比例閥燃氣二次壓力傳輸至傳感器處；最后傳感器將壓力信號傳輸給主控制器上的單片機（如圖9）。單片機根據(jù)收到的壓力信號輸出不同的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)燃燒的穩(wěn)定性保證系統(tǒng)燃燒的穩(wěn)定性。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 軟件設(shè)計

根據(jù)式（3）得出如圖10所示的燃氣壓力與負荷之間的關(guān)系，通過以下步驟來完成低氣壓燃燒控制的技術(shù)，具體參考圖11。

圖10 負荷與壓力關(guān)系

圖11 轉(zhuǎn)速與壓力關(guān)系

步驟一：以設(shè)定燃氣二次壓力代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)定比例閥電流，根據(jù)壓力傳感器反饋的燃氣二次壓力的值去調(diào)節(jié)不同的風(fēng)機轉(zhuǎn)速。具體方式為：通過實驗測試得出系統(tǒng)最大燃燒負荷（Wmax）對應(yīng)的最大燃氣二次壓力（P1max）和無堵塞最大風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1max），系統(tǒng)最小燃燒負荷（Wmin）對應(yīng)的最小燃氣二次壓力（P1min）和無堵塞最小風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1min），介于最大燃燒負荷（Wmax）和最小燃燒負荷（Wmin）之間的負荷對應(yīng)的燃氣二次壓力（P1）和無堵塞風(fēng)機轉(zhuǎn)速（S1），則由線性關(guān)系計算得出。

步驟二：將計算得出的燃氣二次壓力P1，由單片機通過反饋的燃氣二次壓力Pref進行對比，進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)的風(fēng)機轉(zhuǎn)速則根據(jù)反饋的二次壓力進行調(diào)節(jié)，風(fēng)機轉(zhuǎn)速計算公式為:

S1=[(Pref- P1min)/( P1max- P1min)]*( S1max - S1min)+S1min

4.3 實驗結(jié)果

同樣以萬和JSLQ21-13GV56為例，測試不同的一次壓力下的燃燒工況，結(jié)果如表4。

表4 測試不同的一次壓力下的燃燒工況

從實驗結(jié)果可以看出，本論文機型在超低氣壓的時候仍然能夠正常燃燒，因此在用戶遇到用氣高峰導(dǎo)致的低氣壓情況時，機器還能正常運行，極大的提高了機器對環(huán)境的適應(yīng)能力。

5 結(jié)論

燃氣控制和風(fēng)量控制屬于燃氣具控制的重點和難點，本文基于這兩點出發(fā)，借助近年市面上大量推出的壓力傳感器，改變原來燃氣控制、風(fēng)量控制的方式，從而使燃氣具在低氣壓的時候仍然有很好的燃燒工況，同時在抗風(fēng)能力上有了很大的改進，因此燃氣具可以更好的適應(yīng)環(huán)境，有更好的用戶體驗，最后通過各項的測試驗證，證明新技術(shù)的可行性。另外此技術(shù)也可以解決低負荷燃燒穩(wěn)定性的一些問題。以上所提到的，望能給予行業(yè)發(fā)展一定的推動性。