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燃气置换中热水器控制程序的自适应性
点击:110 添加时间:2019-06-03 11:46:34 信息来源:

前言
    目前,燃气置换正在各城市如火如荼地进行,由于天然气与液化气的成分、热值、供气压力、燃烧特性等均有很大差别,因此燃气热水器必须经过改装后才能直接使用管道天然气。改装是指对热水器整机硬件——燃烧系统和软件——控制程序两方面进行匹配:任何一个环节未改装到位都会影响燃烧效果、降低燃烧效率,甚至会产生大量有害废气,对人体产生危害。
    如果能将液化气和天然气两种气源的燃烧控制程序统一为一套,在热水器整机低气压适应范围内(如无特别说明,以下探讨均以此条件为前提),使热水器能自动适应气种变化并维持正常工作,在燃气置换中可减少一个更换或调试环节,对于燃气公司和用户来说都省事不少,而且能确保热水器始终处于正常工作状态,避免危险发生。

1、气体差异性分析
    影响燃气热水器燃烧效果的因素主要是整机燃气和空气的匹配关系,燃气量由电流控制比例阀的开度决定,空气量由风机转速决定。热水器工作时,主控制程序主要依据进水温度、目标出水温度和水流量来计算燃烧需要的负荷,通过调节比例阀电流控制其开度变化来改变耗气量大小,同时依据燃气量大小,调整风机转速配以相应的空气量,使火焰保持好的燃烧状态。
    燃气比例阀电流在最小负荷与最大负荷之间的可调区间是程序调制的关键因素之一,它既提供了调节依据,也决定了调节精度。在设计时,选定燃气比例阀和燃烧器喷嘴后,可以得到一条比例阀电流—燃烧负荷曲线,对于同一个比例阀,在其线性区间内改变燃烧器喷嘴大小,该电流—负荷曲线(以下简称I—Q曲线)会产生横向平移[1]。
    天然气主要成分是甲烷,液化气一般是由丙烷、丙烯(统称碳3)、丁烷、丁烯(统称碳4)组成[2],天然气热值低于液化气[3]。由于热值差异,产生同样的热量,所需液化气气量少于天然气。因此,对应同样的比例阀开度(比例阀电流值),液化气的热负荷高于天然气,如图1所示。
    由上述气体差异性,可以考虑根据同一电流对应的负荷值来判断是哪种气体。

图1  液化气,天然气比例阀I—Q曲线

2、燃气热水器控制程序通用化分析
    由图1可知,对应于同一个比例阀电流值,液化气的热负荷高于天然气。对已选定的比例阀、喷嘴以及热值固定的燃气,其I—Q特性曲线也固定,我们可以将它作为理想I—Q曲线。

图2 燃气理想I—Q曲线


    目前恒温热水器控制流程是根据进冷水温度、目标出热水温度和当前水流量计算出实际所需要的热负荷,迅速将比例阀电流粗调至理想曲线中该负荷对应的电流处,因此,我们可以选定某一种气体A的理想I—Q曲线为标准参照值,工作时在某一比例阀电流值I处,如图2,采集电流为I时的实际热水温升和水流量,可反推计算出当前实际热负荷QS,并将其与理想曲线中的I处对应的热负荷QI进行比较,若QS高于QI,则当前使用的是一种热值高于气体A的气体。若选择的气体A为天然气,则当前气体可判断为是液化气。

图3  燃气热水器燃气-空气匹配关系


    由于燃烧相同量的液化气和天然气,需要消耗的氧气量不同,因此液化气机型与天然气机型的燃气—空气配比不同,即相同负荷下的与液化气和天然气对风量的要求不同,见图3,同样比例阀电流,液化气的风机转速要求高于天然气。
因此在判断出气体之前最好选取天然气控制程序,这样,若实际燃烧的是天然气,则热水器可继续正常工作,若燃烧的是液化气,出现短暂黄焰后程序可迅速判断出气体属于液化气,转而调用相应的液化气控制程序。

图4  燃气热水器气体判断工作流程


    可按照以下流程(图4)来工作:在天然气和液化气电流—负荷重合区间选择合适的气量来点火。选取原则——为确保热值较低的天然气能点燃,该气量值不应低于天然气的最小点火气量。同时配以相应天然气的风量。启动燃烧后,维持该点火电流I1一段时间,单片机迅速采集当前的温升数据并计算出当前实际负荷值QI1,随即将计算值与该电流对应的天然气理论负荷值QT进行比较,来判断出是何气体,转而调用相应控制程序,调整风机转速和比例阀电流,使燃气—空气可靠匹配:

图5  气体负荷波动区间


    而且由于气体热值的波动[2],同种气体对应于同一电流的负荷值可能是一段区间(如图5所示),因此喷嘴大小的选取必须保证该状态下液化气最小负荷QYL高于天然气的最大负荷QTH,否则两种气体负荷区间有重合,程序也无法识别出属于哪种气体。同时,两条理论I—Q曲线的位置关系必须保证天然气的点火电流与液化气的最大电流间有一定重合区间,即点火电流I1应处于图5中阴影区间。
    同时,一旦判断出气体后,可以考虑记忆当前工作状态,下次再启动时直接调用上次工作参数,无需重复进行判断,控制更加智能化。

3、总结
按照本方案通过控制程序可迅速根据实际工作状态对当前实际热负荷进行采集,并自动识别出燃烧的是液化气还是天然气,所有判断过程基本能在4s内完成,出水温度波动也能控制在6℃以内。
不过该方案在设计喷嘴大小时必须综合考虑液化气、天然气两种燃气热值波动范围、探头精反应时间、比例阀线性度,控制精度以及整机一致性,需采集大量数据,同时要求单片机对数据处理时间够快。
因此,若零部件精度及整机一致性控制好了,上述方案在燃气热水器上推广,既可在产品开发时将两种气体控制程序合二为一,又可省去燃气置换时需更换控制程序这一步骤,避免由于疏漏而造成热水器不能工作。
补充说明一点,因为受气比例阀稳压区间影响,在不同气压下,两种气体的理论曲线相对位置会发生变化。上述推导是以燃气压力处于比例阀低气压适应区间内为前提的。若控制程序在全部气压区间内实现气种适应性,还需要增加其他手段监控气压变化,同时程序数据库中也需要存储各种气压下的理论曲线。


参考文献
[1]  《燃气低压燃烧系统中比例阀特性参数的分析》  卢克勤 庞智勇 2010年中国土木工程学会 城市燃气分会 应用专业委员会年会论文集
[2] 《城市燃气实用手册》 白世武主编 石油工业出版社出版
[3]  GB/T 13611—2006 《城镇燃气分类和基本特征》
[4] 《燃气热水器》 夏昭知主编 重庆大学出版社出版

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