火焰电流法在全预混燃气采暖热水炉研发中的应用

中国市政工程华北设计总院有限公司 渠艳红

域适都智能装备（天津）有限公司 洪 磊

中国建筑第六工程局有限公司 吴 杰

近些年，全预混燃烧因其在提高燃烧效率、降低燃烧产物中有害物质方面的突出优势，已被广泛应用于全预混燃气采暖热水炉中。目前市场上常见的采暖热水炉空燃比一经出厂设定，用户不得自行调节。如此在实际运行过程中时有燃烧恶化、热效率降低等情况发生，同时，同一采暖热水炉也无法适应不同特性的燃气。基于应用的便利性、使用的安全性等多方面的需求，自动适应气源变化的燃气采暖热水炉将成为未来行业发展的方向。其控制系统可依据燃气的华白数等特性，重新自动计算并调整最佳空燃比。本文将通过研究火焰电流信号、空气系数及燃气特性之间的关系，为燃气采暖热水炉自动适应气源变化系统的建立提供基础的实验数据。

1 火焰电流法

火焰电流法，即离子电流法，是利用火焰的燃烧层单向导电原理而研制的一种检测方法。燃气与空气的混合气在燃烧时，会发生剧烈的化学反应，生成大量离子和自由电子。如果在两极间添加1个偏置电压，带电粒子就会在电场的作用下发生定向移动，从而在两极之间产生离子电流[1]。在全预混燃气采暖热水炉的研发过程中，燃烧时火焰产生的离子电流信号，可经控制器进行采集后放大处理。

燃烧离子反应是监测火焰电流的理论基础。燃烧过程存在的离子反应为：

火焰电流测试系统如图1所示。在燃烧器上方安装1对火焰离子探棒，并将其串联在电阻和直流电源构成的电路中。火焰燃烧时发生离子反应，随即构成导电回路。离子反应使得带电负离子向探棒阳极方向移动，正离子向探棒阴极方向移动。通过电流表监测火焰是否熄灭以便提供安全保护，并通过电流强弱判断燃气燃烧中的空燃比趋势。

图1 火焰电流测试系统示意

通过研究离子电流与燃烧压力[2-3]、空气燃气比例（以下简称空燃比）之间的关系，可以判断燃烧状况，从而确定最佳燃烧压力和空燃比。作为一种新型的在线测量方法，火焰电流法具有快速响应、结构简单、价格低廉等优点。

2 实验方法

2.1 实验系统

全预混采暖热水炉的燃烧控制实验系统主要由风机、燃烧器、火焰电流感应装置、控制器、文丘里装置、电动节流阀及水路系统等组成，如图 2所示。其中，火焰电流感应装置是由带偏置电压的2个电极组成，即火焰离子探棒，位于燃烧器火焰上方的固定位置上。控制器由可编程单片机和芯片集成，能够监控信号、执行控制程序以及实现发出控制命令。当热水炉运行时，燃气通过电动节流阀与空气在文丘里装置混合，混合后通过风机输送至燃烧器燃烧；控制器则控制电动节流阀开度调节燃气流量和控制风机转速调节空气流量，同时监控火焰电流感应装置的火焰电流信号。

图2 燃气采暖热水炉燃烧控制实验系统示意

燃气采暖热水炉所用的全预混燃烧器实物见图 3，火焰离子探棒末端与燃烧器切面的垂直距离一般为8 mm。

图3 全预混燃烧器

2.2 实验方法

实验条件：(1) 选取1台额定输入功率24 kW的全预混燃气采暖热水炉；(2) 气源分别为12T天然气基准气(甲烷99.9%)和19Y液化石油气基准气(丙烷 99.94%)。

在不同风机转速（4 650 r/min、2 000 r/min和7 300 r/min）和不同基准气（12T、19Y）下，通过调节燃气进气量来控制空气系数进行实验。在热水炉烟气排出口采集并测得燃烧干烟气中 CO、CO2和O2体积分数φ；燃气流速和火焰电流信号通过控制器读取后，与电脑实时通信，并在控制软件中显示。

3 实验数据及分析

3.1 空气系数确定

通常可通过热水炉烟气排出口的干烟气中 O2体积分数φ判断燃烧工况，并根据不同的燃烧工况采用不同的方式计算空气系数。

(1) 当干烟气中O2体积分数＞2%时，即完全燃烧工况下，空气系数α可直接用式(4)计算：

式中：α——空气系数；

φ(O2)——干烟气中实测氧气体积分数，%。

(2) 当干烟气中φ(O2)≤2%时，处于不完全燃烧工况状态，此时可先计算当前固定风机转速下任一燃气流量点完全燃烧时所需的空气系数α′，然后再采用下列实验室经验公式得出该不完全燃烧工况的空气系数α。

式中：α——空气系数；

α′——该热水炉测试系统完全燃烧工况时，某一燃气流量点的空气系数；

Q′g——α′对应的该点燃气流量，m3/h；

Qg——干烟气中φ(O2)≤2%时的燃气流量，m3/h。

3.2 风机转速4 650r/min时

(1) 使用12T基准气为实验气，调节不同燃气流速，燃气流量由小依次向大进行实验，得到热水炉在不同热负荷下的测试数据，见表 1。考虑到精度，火焰电流信号经控制器单片机采集完成并经电脑CPU读取后，将模拟信号转换成数字信号输出。

表1 12T天然气时不同热负荷下试验数据

(2) 使用19Y基准气为实验气，调节不同燃气流速，燃气流量由小依次向大进行实验，得到热水炉在不同热负荷下的测试数据，见表2。

表2 19Y液化气时不同热负荷下试验数据

表 1、表 2中燃气流量 Qg、火焰电流信号和CO、O2、CO2体积百分数φ为实验测试数据，热负荷、空气系数α为计算数据。

3.3 不同风机转速时

为继续验证不同风机转速下空气系数与火焰电流的关系，分别将风机转速固定在2 000 r/min和7 300 r/min，依次使用12T和19Y基准气进行上述实验，并得出空气系数与火焰电流信号关系曲线，如图4所示。

图4 空气系数α与火焰电流信号关系曲线

3.4 实验分析

(1) 风机转速为4 650 r/min时，当试验气为12T基准气，火焰电流信号在空气系数区间[0.91,1.00]达到最大，区间外火焰电流信号强度均呈递减趋势；当试验气为19Y基准气，火焰电流信号在空气系数0.94附近时达到最大，而后不论随着空气系数的增加或者减少，火焰电流信号均在递减。这是因为当空燃比过大时，多余的空气会稀释火焰离子探棒之间的带电离子浓度；空燃比过小时燃气未能充分燃烧，燃烧过程未能产生足够多的带电粒子。理论上空燃比达到最佳时，火焰电流达到峰值。

(2) 当热水炉使用同一种燃气时，不同的风机转速下空气系数α与火焰电流信号变化趋势一致，火焰电流信号基本是在空气系数为 1附近达到峰值。当热水炉的风机转速一定时，使用不同燃气测试所得空气系数与火焰电流信号趋势也一致，两条曲线是完全独立不重合的，也意味着12T和19Y在任一固定风机转速时所产生的火焰电流信号与空气系数α的变化趋势是唯一可识别的。

(3) 在热水炉的实际运行中，空燃比过大或者过小都会对燃烧造成不利影响。空燃比过大时，多余空气会造成烟气总排放量的增加，降低热水炉热效率；空燃比过小时，则会发生燃烧不充分，如表1中，当空气系数为1.00时，烟气中CO含量急剧增加。因此需结合排放干烟气中各气体组分的含量，综合评判并确定出热水炉运行时的最佳空气系数区间。

4 结语

通过研究可知：全预混采暖热水炉燃烧系统在固定风速情况下，使用任何燃气运行时，其火焰电流信号在空气系数为1附近达到最大值。当火焰电流信号未在空气系数为1附近达到最大值，分析其影响因素，认为有可能是由于燃气气源成分不同的以及测试硬件、测试系统、测试环境的不同。

对于同一测试系统，在风机转速一定的情况下使用不同华白数的燃气进行测试，所获得的空气系数与火焰电流信号关系曲线具有高度可识别性，空气系数与火焰电流信号之间的对应关系可为全预混采暖热水炉自动适应不同燃气系统的开发提供可靠依据。