外界風(fēng)壓自適應(yīng)在燃?xì)鉄崴魃系膽?yīng)用研究

韓天雷 曹冠忠 鄭濤 張偉 鐘國庭

（青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

長度將超過4萬公里 。這將對燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展帶來廣闊前景。

燃?xì)鉄崴鞯臒煿苋纪ㄟ^墻壁伸到室外，當(dāng)外界風(fēng)力比較大時，風(fēng)就會通過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)重時會導(dǎo)致回火或者熄火，甚至導(dǎo)致多余的CO超標(biāo)無法排出室外，引發(fā)

隨著我國對能源規(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，我國的城市和縣級天然氣用戶人口數(shù)量將達(dá)到2.5億，約占總?cè)丝诘?8%，“十二五”期間我國建設(shè)管道總安全隱患。

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對燃?xì)鉄崴鞯陌踩浴⑹孢m性要求也越來越高。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越復(fù)雜，因此控制部分的電子化程度也越來越高，利用軟件控制方法實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)參數(shù)自動適應(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)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)機功率關(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，但在使用過程中也不可避免的出現(xiàn)一些問題，比如熱水器點火困難或者點不著火、燃?xì)鉄嶂挡蛔?、出水溫度過熱、燃燒中途熄火等問題，其中以正常燃燒時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饐栴}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)壓變化自動選擇燃燒熱值曲線達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的目的，以應(yīng)對外界風(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 熱帶氣旋等級劃分表

表2 蒲福風(fēng)級表

2 外界風(fēng)壓自適應(yīng)硬件方案設(shè)計

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)機調(diào)速模塊、功率檢測模塊、電壓檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊。

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)機調(diào)速模塊：為MCU模塊提供時刻轉(zhuǎn)速信息并時刻根據(jù)MCU指令調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速；

(3)電流檢測模塊：時刻監(jiān)測風(fēng)機回路電流數(shù)據(jù)并反饋給MCU模塊；

(4)電壓檢測模塊：時刻監(jiān)測風(fēng)機供電電壓數(shù)據(jù)并反饋給MCU模塊；

(5)轉(zhuǎn)速檢測模塊：時刻監(jiān)測風(fēng)機轉(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

3.1 簡要介紹

外界風(fēng)壓自適應(yīng)控制方案，通過檢測風(fēng)機功率值的變化判斷風(fēng)機負(fù)載的變化（外界風(fēng)壓變大，風(fēng)機的功率會隨之變??；反之亦然），進(jìn)而對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到隨時適應(yīng)外界多變的風(fēng)壓的目的。尤其是在外界風(fēng)過大、風(fēng)機功率下降過快時，對熱水器內(nèi)部燃燒室進(jìn)行補風(fēng)增氧處理，保證燃?xì)獾娜紵浞趾蜔煔獾募皶r排放。

考慮成本問題也可以只檢測風(fēng)機的電流來代替檢測風(fēng)機功率，只是不夠精確。因此，在這里我們采用同時檢測風(fēng)機電流及電壓（即風(fēng)機功率）的方式，來對風(fēng)機轉(zhuǎn)速精確快速控制，效果更佳。

3.2 軟件控制設(shè)計的基礎(chǔ)方案

3.2.1 風(fēng)力等級的定義

(1)風(fēng)級的國標(biāo)定義

根據(jù)《熱帶氣旋等級》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19201-2006），熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)六個等級。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）為熱帶低壓，達(dá)到17.2 m/s～24.4 m/s（風(fēng)力8～9級）為熱帶風(fēng)暴，達(dá)到24.5 m/s～32.6 m/s（風(fēng)力10～11級）為強熱帶風(fēng)暴，達(dá)到32.7 m/s～41.4 m/s（風(fēng)力12～13級）為臺風(fēng)，達(dá)到41.5 m/s～50.9 m/s（風(fēng)力14～15級）為強臺風(fēng)，達(dá)到或大于51.0 m/s（風(fēng)力16級或以上）為超強臺風(fēng)，詳見表1。

(2)風(fēng)級的國際規(guī)范——蒲福風(fēng)級

風(fēng)力等級（簡稱風(fēng)級）是根據(jù)風(fēng)對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風(fēng)力的強度等級來估計風(fēng)力的大小，國際上采用的風(fēng)力等級是英國人蒲福（Francis Beaufort，1774—1859）于1805年所擬定的，故又稱“蒲福風(fēng)級”。他是從靜風(fēng)到颶風(fēng)分為13級。自1946年以來風(fēng)力等級又作了一些修訂，由13級變?yōu)?7級，如表2。

表3 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與功率值5條曲線表

3.2.2 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)機功率曲線定義

風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)機功率關(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，稱為減風(fēng)停止線；

C：整機裝標(biāo)準(zhǔn)管，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，非燃燒狀態(tài)時風(fēng)機功率曲線，稱為風(fēng)機學(xué)習(xí)線；

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

E：燃?xì)鉄崴鞑煌耆紵缦蓿€以下會出現(xiàn)不完全燃燒、積碳現(xiàn)象。

3.3 軟件控制方案原理說明

(1)加風(fēng)處理

當(dāng)燃燒時，若風(fēng)機電流低于E曲線時，則提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速，增加燃燒系統(tǒng)中氧氣，直到風(fēng)機功率在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)計抗風(fēng)等級（比如抗風(fēng)9級）及伯努利方程(p+(ρv )/2+ρgh=c)計算風(fēng)級與壓力之間的換算關(guān)系，試驗室模擬出加風(fēng)階數(shù)。

(2)減風(fēng)處理

當(dāng)風(fēng)機受到外界風(fēng)壓影響有加風(fēng)動作時，若外界風(fēng)壓消失，檢測風(fēng)機功率大于A曲線，則減少風(fēng)機轉(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)計抗風(fēng)等級及伯努利方程計算風(fēng)級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)機功率值仍低于E線，則停止燃燒，報風(fēng)壓過大故障。

(4)點火智能風(fēng)壓

a.點火時檢測外界風(fēng)壓變化，如風(fēng)機功率低于D線則進(jìn)行加轉(zhuǎn)速（不能加的太多，防止點火爆燃），點火成功后，同時檢測風(fēng)機功率值，隨時進(jìn)行修正；

b.點火智能風(fēng)壓是在機器點火前就進(jìn)行風(fēng)機物理性能及環(huán)境風(fēng)壓狀況檢測，進(jìn)行風(fēng)機轉(zhuǎn)速修正，風(fēng)機參數(shù)修正合格后，再進(jìn)行點火，如修正一定階數(shù)后風(fēng)機功率還低于D線，則報風(fēng)壓過大故障。

3.4 軟件控制方案的程序參數(shù)取值法

(1)測試多個風(fēng)機的6個轉(zhuǎn)速在標(biāo)準(zhǔn)煙管狀況下對應(yīng)的功率值、浮火界限的平均功率值及設(shè)計抗風(fēng)9級的平均功率值，見表3。

(2)程序取值為5條線的標(biāo)準(zhǔn)管功率值，6個取值點：標(biāo)準(zhǔn)管狀態(tài)下風(fēng)機轉(zhuǎn)速為2000，2300，2700，3200，3700，4200時對應(yīng)的風(fēng)機功率值。

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

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，高層住宅越來越多，特別是冬天時，外界風(fēng)力強勁，燃?xì)鉄崴髟谑褂眠^程中越來越多的地受到樓層風(fēng)壓的影響。燃?xì)鉄崴鞯臒煿苋纪ㄟ^墻壁伸到室外，當(dāng)外界環(huán)境的風(fēng)力比較大時，外界風(fēng)會撞擊建筑物的墻壁，進(jìn)而通過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)重時會導(dǎo)致回火或者熄火，甚至導(dǎo)致多余的CO超標(biāo)無法排出室外，進(jìn)入用戶的房間，引發(fā)安全隱患。

因此，通過控制器硬件及軟件的優(yōu)化設(shè)計，通過檢測風(fēng)機功率值的變化判斷風(fēng)機負(fù)載的變化，進(jìn)而對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到隨時應(yīng)對外界多變的風(fēng)力的環(huán)境。尤其是冬天，且用戶家的機器安裝在北向房間時，在外界風(fēng)力過大，風(fēng)機功率下降過快時，對燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部燃燒系統(tǒng)進(jìn)行補風(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排放，對解決高層用戶由于外界環(huán)境風(fēng)力過大造成無法使用燃?xì)鉄崴鞯膯栴}起到極大的作用。本論文對于在惡劣條件下燃?xì)鉄崴鞯氖褂锰峁┝撕啽?、低成本的解決方案。

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