火焰電流法在全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t研發(fā)中的應(yīng)用

中國市政工程華北設(shè)計(jì)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(yù)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(yīng)用于全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t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(shí)際運(yùn)行過程中時(shí)有燃燒惡化、熱效率降低等情況發(fā)生，同時(shí)，同一采暖熱水爐也無法適應(yīng)不同特性的燃?xì)??；趹?yīng)用的便利性、使用的安全性等多方面的需求，自動(dòng)適應(yīng)氣源變化的燃?xì)獠膳療崴疇t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?xì)獾娜A白數(shù)等特性，重新自動(dòng)計(jì)算并調(diào)整最佳空燃比。本文將通過研究火焰電流信號(hào)、空氣系數(shù)及燃?xì)馓匦灾g的關(guān)系，為燃?xì)獠膳療崴疇t自動(dòng)適應(yīng)氣源變化系統(tǒng)的建立提供基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)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?xì)馀c空氣的混合氣在燃燒時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成大量離子和自由電子。如果在兩極間添加1個(gè)偏置電壓，帶電粒子就會(huì)在電場的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，從而在兩極之間產(chǎn)生離子電流[1]。在全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t的研發(fā)過程中，燃燒時(shí)火焰產(chǎn)生的離子電流信號(hào)，可經(jīng)控制器進(jìn)行采集后放大處理。

燃燒離子反應(yīng)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(yīng)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(shí)發(fā)生離子反應(yīng)，隨即構(gòu)成導(dǎo)電回路。離子反應(yīng)使得帶電負(fù)離子向探棒陽極方向移動(dòng)，正離子向探棒陰極方向移動(dòng)。通過電流表監(jiān)測火焰是否熄滅以便提供安全保護(hù)，并通過電流強(qiáng)弱判斷燃?xì)馊紵械目杖急融厔荨?/p>

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?xì)獗壤ㄒ韵潞喎Q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(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

全預(yù)混采暖熱水爐的燃燒控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、燃燒器、火焰電流感應(yīng)裝置、控制器、文丘里裝置、電動(dòng)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(yīng)裝置是由帶偏置電壓的2個(gè)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?？刂破饔煽删幊虇纹瑱C(jī)和芯片集成，能夠監(jiān)控信號(hào)、執(zhí)行控制程序以及實(shí)現(xiàn)發(fā)出控制命令。當(dāng)熱水爐運(yùn)行時(shí)，燃?xì)馔ㄟ^電動(dòng)節(jié)流閥與空氣在文丘里裝置混合，混合后通過風(fēng)機(jī)輸送至燃燒器燃燒；控制器則控制電動(dòng)節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁亢涂刂骑L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)空氣流量，同時(shí)監(jiān)控火焰電流感應(yīng)裝置的火焰電流信號(hào)。

圖2 燃?xì)獠膳療崴疇t燃燒控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

燃?xì)獠膳療崴疇t所用的全預(yù)混燃燒器實(shí)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(yù)混燃燒器

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)條件：(1) 選取1臺(tái)額定輸入功率24 kW的全預(yù)混燃?xì)獠膳療崴疇t；(2) 氣源分別為12T天然氣基準(zhǔn)氣(甲烷99.9%)和19Y液化石油氣基準(zhǔn)氣(丙烷 99.94%)。

在不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（4 650 r/min、2 000 r/min和7 300 r/min）和不同基準(zhǔn)氣（12T、19Y）下，通過調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣量來控制空氣系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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?jǐn)?shù)φ；燃?xì)饬魉俸突鹧骐娏餍盘?hào)通過控制器讀取后，與電腦實(shí)時(shí)通信，并在控制軟件中顯示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 空氣系數(shù)確定

通常可通過熱水爐煙氣排出口的干煙氣中 O2體積分?jǐn)?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(jì)算空氣系數(shù)。

(1) 當(dāng)干煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)＞2%時(shí)，即完全燃燒工況下，空氣系數(shù)α可直接用式(4)計(jì)算：

式中：α——空氣系數(shù)；

φ(O2)——干煙氣中實(shí)測氧氣體積分?jǐn)?shù)，%。

(2) 當(dāng)干煙氣中φ(O2)≤2%時(shí)，處于不完全燃燒工況狀態(tài)，此時(shí)可先計(jì)算當(dāng)前固定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下任一燃?xì)饬髁奎c(diǎn)完全燃燒時(shí)所需的空氣系數(shù)α′，然后再采用下列實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)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(shí)，某一燃?xì)饬髁奎c(diǎn)的空氣系數(shù)；

Q′g——α′對應(yīng)的該點(diǎn)燃?xì)饬髁?，m3/h；

Qg——干煙氣中φ(O2)≤2%時(shí)的燃?xì)饬髁?，m3/h。

3.2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 650r/min時(shí)

(1) 使用12T基準(zhǔn)氣為實(shí)驗(yàn)氣，調(diào)節(jié)不同燃?xì)饬魉伲細(xì)饬髁坑尚∫来蜗虼筮M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到熱水爐在不同熱負(fù)荷下的測試數(shù)據(jù)，見表 1?？紤]到精度，火焰電流信號(hào)經(jīng)控制器單片機(jī)采集完成并經(jīng)電腦CPU讀取后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。

表1 12T天然氣時(shí)不同熱負(fù)荷下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2) 使用19Y基準(zhǔn)氣為實(shí)驗(yàn)氣，調(diào)節(jié)不同燃?xì)饬魉?，燃?xì)饬髁坑尚∫来蜗虼筮M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到熱水爐在不同熱負(fù)荷下的測試數(shù)據(jù)，見表2。

表2 19Y液化氣時(shí)不同熱負(fù)荷下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 1、表 2中燃?xì)饬髁?Qg、火焰電流信號(hào)和CO、O2、CO2體積百分?jǐn)?shù)φ為實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，熱負(fù)荷、空氣系數(shù)α為計(jì)算數(shù)據(jù)。

3.3 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)

為繼續(xù)驗(yàn)證不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下空氣系數(shù)與火焰電流的關(guān)系，分別將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在2 000 r/min和7 300 r/min，依次使用12T和19Y基準(zhǔn)氣進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，并得出空氣系數(shù)與火焰電流信號(hào)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(hào)關(guān)系曲線

3.4 實(shí)驗(yàn)分析

(1) 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 650 r/min時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)氣為12T基準(zhǔn)氣，火焰電流信號(hào)在空氣系數(shù)區(qū)間[0.91,1.00]達(dá)到最大，區(qū)間外火焰電流信號(hào)強(qiáng)度均呈遞減趨勢；當(dāng)試驗(yàn)氣為19Y基準(zhǔn)氣，火焰電流信號(hào)在空氣系數(shù)0.94附近時(shí)達(dá)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(hào)均在遞減。這是因?yàn)楫?dāng)空燃比過大時(shí)，多余的空氣會(huì)稀釋火焰離子探棒之間的帶電離子濃度；空燃比過小時(shí)燃?xì)馕茨艹浞秩紵?，燃燒過程未能產(chǎn)生足夠多的帶電粒子。理論上空燃比達(dá)到最佳時(shí)，火焰電流達(dá)到峰值。

(2) 當(dāng)熱水爐使用同一種燃?xì)鈺r(shí)，不同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下空氣系數(shù)α與火焰電流信號(hào)變化趨勢一致，火焰電流信號(hào)基本是在空氣系數(shù)為 1附近達(dá)到峰值。當(dāng)熱水爐的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，使用不同燃?xì)鉁y試所得空氣系數(shù)與火焰電流信號(hào)趨勢也一致，兩條曲線是完全獨(dú)立不重合的，也意味著12T和19Y在任一固定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的火焰電流信號(hào)與空氣系數(shù)α的變化趨勢是唯一可識(shí)別的。

(3) 在熱水爐的實(shí)際運(yùn)行中，空燃比過大或者過小都會(huì)對燃燒造成不利影響?？杖急冗^大時(shí)，多余空氣會(huì)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(shí)，則會(huì)發(fā)生燃燒不充分，如表1中，當(dāng)空氣系數(shù)為1.00時(shí)，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(píng)判并確定出熱水爐運(yùn)行時(shí)的最佳空氣系數(shù)區(qū)間。

4 結(jié)語

通過研究可知：全預(yù)混采暖熱水爐燃燒系統(tǒng)在固定風(fēng)速情況下，使用任何燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)，其火焰電流信號(hào)在空氣系數(shù)為1附近達(dá)到最大值。當(dāng)火焰電流信號(hào)未在空氣系數(shù)為1附近達(dá)到最大值，分析其影響因素，認(rèn)為有可能是由于燃?xì)鈿庠闯煞植煌囊约皽y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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下使用不同華白數(shù)的燃?xì)膺M(jìn)行測試，所獲得的空氣系數(shù)與火焰電流信號(hào)關(guān)系曲線具有高度可識(shí)別性，空氣系數(shù)與火焰電流信號(hào)之間的對應(yīng)關(guān)系可為全預(yù)混采暖熱水爐自動(dòng)適應(yīng)不同燃?xì)庀到y(tǒng)的開發(fā)提供可靠依據(jù)。