关于燃气热水器风量自适应控制技术方案研究

邓飞忠 李志敏 吴桂安 仇明贵

（华帝股份有限公司 中山 528416）

引言

随着社会的不断发展，燃气热水器烟气排放要求也不断提高，在热水器实际使用过程中，受到外界环境因素的影响导致排烟阻力增加，造成燃烧不充分从而导致烟气排放超标造成环境污染及资料浪费。故在此条件下必须进行相应风量补偿维持良好的燃烧工况。

本文通过在实际研发测试过程中发现在不同的外界阻力条件下（系统负载发生变化），风机转速R与风机电流I会产生相应的对应关系,而根据此特征性能结合实际试验结果，讲述一种风量自适应的控制方法，再描述验证实验数据，根据相应的分析实验，验证控制方案的可行性。

1 燃气热水器的燃烧工况分析

CO排放指标是衡量燃气热水器的燃烧工况的核心性能指标，良好的烟气指标输出必须满足燃料与氧有充分合理的比例混合方能将燃料中的热量充分释放，氧量的过少或过量都不利于维持燃烧工况的稳定。由此可见氧气的供给对于燃气热水器稳定的工作显得尤为重要，烃类燃料的燃烧反应式如（1）所示[1,2]：

而燃料燃烧所需的实际空气量为：

式中：

α—过剩空气系数；

O2—燃气中O的容积成分（%）；

CmHn—燃气中可燃组分的容积成分（%）；

V0—理论空气量（%）；

V1—一次空气引射量（%）；

V2—二次空气吸入量（%）；

Vε—系统损失空气量（%）；

VCO—烟气中CO含量（%）；

β—燃料特性系数，与成分相关。

从上述公式反应了维持良好燃烧工况的前提是保证系统充分燃烧所需空气的量。

2 方案设计

前期试验过程中发现在不同外界条件下直流风机电流I与风机转速R比值均存在一定线性变化关系，故设置虚拟值P=I/R*K（K为常数）；正常生产调节过程中系统根据上述公式在最大负荷状态下自动获取最大虚拟值Pmax及最小虚拟压力值Pmin。

当机器受到外界阻力影响时，系统根据前期获取Pmax及Pmin进行线性补偿，主要动作是通过调整风机转速，使P=I/R*K逐渐逼近标态负荷曲线上的P标值同时为了避免受外界阻力波动的影响，设定±5 Pa的允许波动范围。

随着外界阻力的不断增加，系统在逼近过程虚拟值P标值时会产生过程压差值ΔP=P标- P实，而随着ΔP的不断增加，反映的是系统燃烧工况逐渐恶化，所以需限定报警界限值ΔP报及最大转速值Rmax来限定系统的报警点。

3 试验分析

3.1 试验条件说明

试验选取的是一台热负荷30 kW，四分段（分段方式为：4～7～11～14）的强抽直流燃气热水器。

3.2 标管状态下风机最大转速FH及最小转速FL确定

1）燃气热水器内部系统结构确定后，通过手动补偿方式，满足整机在标定最长烟管条件下（如：3米3弯）烟气性能指标（折算后CO≈400 ppm）得到风机转速为3 100 r/min，风机电流为437 mA，确定I/R比值。

2）实验操作将热水器烟管安装恢复至标态烟管状态，根据上述确定I/R比值,调整风机转速使得I标/R标=I/R，确定整机在额定负荷下的风机转速如表2。

表1 具体参数表

表2 额定负荷下风机转速及电流

3）根据小火燃烧稳定性及结合CO、02及排烟温度等输出露点温度），确定整机在小负荷下的风机转速如表3。

表3 最小负荷下风机转速及电流

3.3 标管状态下虚拟值Pmax及Pmin确定

为了使所得虚拟值与传统风压传感器压力控制范围相似（压力范围：（0～200）Pa），定义K值为1 130，根据虚拟值公式P=I/R*K，得出虚拟值如表4。

表4 标管状态下的压力虚拟值

3.4 不同火排数下压差补偿值确定

1）额定负荷下，测试压差值如表5:（以最多排数为基础）

表5 不同火排段最大负荷下压差补偿值

2）小负荷下，压差值测试如表6（以最多排数为基础）

表6 不同火排段最小负荷下压差补偿值

通过上述测试结果得出的过程控制曲线输出可以用图1表示。

图1 不同负荷段虚拟压力与比例阀电流对应关系

3.5 过程控制点的可行性评估

1）按上述线性曲线控制方法，提取过程控制点，通过主要性能参数的采样及分析，评估控制方法的可性性，如表7所示。

表7 不同火排段下控制点性能参数

2）实际控制曲线输出见图2。

图2 实际状态不同火排段下虚拟压力与比例阀电流对应关系

从上述数据采集结果，主要性能指标分析，可证明控制方案满足要求。

3.6 界限参数值确定

1）试验方法说明

设定抗风压能力参数：设定满负荷状态抗风压能力：（200～300）Pa,最小负荷抗风压能力：（150～200）Pa；通过外阻测试试验，寻找报警界限参数：过程压差值ΔP报及最大转速值Rmax。

2）不同火排段最大/最小负荷状态界限参数采样测试见表8、表9

表8 不同火排段下最大负荷抗风压状态参数

表9 不同火排段下最小负荷抗风压状态参数

3）界限参数值输出结果

①最大风机转速及压差值确定见表10

表10 不同状态下极限风机转速及压差关系

由此得到的压力界限曲线如图3。

图3 极限状态下虚拟压力与比例阀电流对应关系

4）系统抗阻能力输出结果

①参数设置模式下测试，其结果如表11所示。

表11 不同状态下理论虚拟压力与实测虚拟压力对应关系

②实际工作状态下测试，其结果如表12所示。

表12 实际工作状态下达到的抗风压情况

通过数据采集分析及最终抗阻能力输出结果，通过上述抗风压值的情况可知，控制方案满足系统总体性能要求。

4 结论

本文通过对关于燃气热水器风量自适应控制方案探讨，结合上述试验分析,围绕着直流风机电流及转速的关系，通过虚拟值的设定，模拟不同火排段及对应负荷点的虚拟值采样，通过压差补偿等方式实现各火排段的风量补偿线性控制，同时通过界限参数值的设置从而保证系统抗阻能力的输出，最终证明了上述风量补偿方案的可行性。