低压燃烧系统中燃烧参数设计及燃气比例阀的选用

蒋小波

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

前言

随着燃气具行业的发展和燃气用具的快速普及，在用气高峰期存在燃气管道中压力不足或家庭内部管路安装不规范等原因造成的一次压偏小的情况，导致燃气用具在燃烧过程中最大热负荷不足[1]。在燃气快速热水器上表现为热水不热，各燃气具生产厂家开始纷纷应用低压力燃烧系统的技术来解决燃气快速热水器热负荷不足问题。

燃气快速热水器的低压力燃烧系统相对普通燃烧系统而言具有燃烧压力低、喷嘴孔径大的特点；如何匹配燃烧出气压力（二次压力）与电流区间，是燃气热水器充分利用燃气比例阀的自动调节和稳压功能的关键。

1 低压力燃烧系统中比例特性设计的关键参数

低压力燃烧原理：利用燃气比例阀的稳压性能，通过降低燃烧二次压P2来提升一次压P1稳压区间；最大二次压P2越低，一次压P1越早进入稳压状态，稳压区间就越长；降低燃烧压力，需要通过提高当量喷嘴孔径来保证额定热负荷值。而喷嘴孔径的变大使最小热负荷值、单位调节热负荷值发生变化，所以在低压力燃烧系统中燃烧二次压力、工作电流区间等的设定是匹配燃气比例阀在低压力燃烧系统的关键。

1.1 燃烧最大二次压力的设定

最大燃烧二次压力设定的太高，燃气流通阻力相对增大、在气路中容易产生紊流，导致比例阀振阀或燃烧噪音大等现象的发生。相反，如果最大燃烧二次压力设定太低，使比例阀电流调节范围变小、灵敏度过大，导致整机出水温度调节震荡现象的发生。

表1中可看出：随着燃烧最大二次压力的降低，一次压在最小压、额定压时热负荷比值升高；通过调整当量喷嘴，降低燃烧二次压力后，相同热负荷时，低前压/额定压时的热负荷比值明显提高。

1.2 燃烧最小二次压力的设定

在燃气快速热水器的燃烧系统中，喷嘴不变时，最小二次压力决定整机的最小热负荷。如果最小燃烧二次压力设定太低，容易出现熄火现象。反之，如果最小燃烧二次压力设定的太高，容易出现最小热负荷过大，即夏天水太热问题。低压力燃烧由于喷嘴直径的加大，若此时保持原燃烧最小二次压力值，燃气热水器的最小热负荷值随之增加。此时如果保持原来的最小热负荷值，可按以下方法进行调整：调整最小二次压力值；喷嘴口径由均匀分布调整为细分二种或二种以上规格，总当量喷嘴不变。

如表2：采用低压燃烧系统后最小热负荷明显增加；当最小燃烧二次压力由300 Pa降低到170 Pa或喷嘴分布由Φ1.98×6变成Φ1.72×1﹢Φ2.0×5，开1个喷嘴时都可保持或降低最小热负荷值。在实际设计过程中还应综合燃气比例阀生产厂家的技术水平（二次压力的调节精度、压力漂移量等）、喷嘴分布合理性、风机配风量等评估选用方案，防止燃气热水器出现小火熄火、热负荷断档。

1.3 燃烧系统电流调节范围的设定

1.3.1 保持普通燃烧系统的比例阀参数不变

采用普通燃烧系统的原比例阀，比例阀的比例特性参数不变；由于喷嘴孔径的加大，热水器在相同热负荷的情况下，使得比例阀工作电流范围变窄；如：热水器同样输出27.4 kW热负荷，分别用当量喷嘴Φ4.2/Φ4.8 mm时，燃烧系统的工作电流分别为188/158 mA。

此时燃气热水器如果直接采用此比例阀，则最小热负荷变大和单位调节气流量变大。最小热负荷可通过1.2方法调整；单位调节气流量大（单位调节热负荷值），此问题可以通过改变电路参数，让电流参数细分使各挡位内电流调节量足够细。如表3中可知，采用低压力燃烧（热水器电流档位参数不变），相对普通燃烧系统单位热负荷明显增加；采用低压力燃烧且每档位电流细分后，单位热负荷基本与普通燃烧系统单位热负荷一致。

表3 某燃气热水器在普通燃烧/低压燃烧热负荷

1.3.2 保持普通燃烧系统的电流区间不变

燃气热水器保持原来普通燃烧系统的工作电流调节区间不变，调整燃气比例阀的比例特性参数。使比例阀的比例特性参数（电流、二次压）与燃气热水器在工作电流区间的二次压重合；如一燃气热水器燃烧系统在保证最大热负荷不变的情况下，保持原有工作的电流调节范围，燃气比例阀最大二次压的设定值从1 350 Pa降低到850 Pa，此时燃气比例阀的比例特性曲线发生变化。

这种方法保持了燃烧系统的电流调节范围及档位调节精度。如表4：单位调节热负荷量基本上保持不变，最小热负荷明显变大；最小热负荷可通过1.2方法调整。此时一个档位调节电流量没有发生变化，热水器生产时的拨档效率没有发生变化。尽管当量喷嘴发生变化，但由于燃气比例阀的比例特性发生了变化，使得单位调节热负荷基本上没有发生变化，有利于比例阀生产精度及制造成本的控制。

表4 某燃气热水器在普通燃烧/低压燃烧热负荷值测试情况

通过上述1.3.1和1.3.2的方法实验验证，对于低压力燃烧系统技术的实施，建议保持普通燃烧系统的工作电流调节范围不变，改变比例阀比例特性，再结合当量喷嘴细分、风机配风细微的调整保证燃气热水器、燃气比例阀的生产效率（调节灵敏度），使燃气热水器出水更稳定，洗浴更舒适，且有利于生产成本控制。

2 低压燃烧系统如何配置燃气比例阀

2.1 燃气比例阀的流量大小

进气压力保持不变，让燃气比例阀在保证稳压的情况下调节到最大，然后手动调节比例阀测试喷嘴大小，获得不同的二次压力、气流量，如图1所示。

图1 某燃气比例阀二次压与流量的关系

从图1中看出：同一燃气比例阀调节的最大流量由最大二次压决定，随着二次压的增加，压差（P1～P2）减少，最大流量随便之降低。低压力燃烧降低了燃烧的二次压力，增加了压差，从而提高了气流量。所以配置比例阀时，应根据燃气热水器最大热负荷（燃气最大流量）及二次压力大小，优化燃气比例阀的结构及内部通径，有利于比例阀的成本控制；如果燃气阀的流量和热水器实际所需的燃气流量相差较大，可能会导致在实际使用中燃气比例阀不是工作在最佳工作区间，从而处于不稳定状态，这样会给整机带来一定的影响。

2.2 燃气比例阀的稳压特性

图2是某燃气比例阀在不同的当量喷嘴条件下测试的P-P曲线图。从图中看出：P2稳压性能在采用不同喷嘴测试下存在差异。进行测试P2的稳压性能存在差异（水平度）。在燃气快速恒温热水器正常燃烧过程中尽管系统会根据一次压的波动自动调节比例阀保证二次压（出水温度），但稳压性偏差过大会使得热水器频繁的调节比例阀，导致出水温度的振荡，从而影响洗浴体验。所以在选用或设计时应考虑比例阀喷嘴的使用范围区间，综合评估比例阀的测试条件，使燃气比例阀的稳压性更贴合实际生产。

图2 不同喷嘴时燃气比例阀一次压与二次压的关系

2.3 燃气比例阀比例端的密封力

市场上较常用的动永磁型燃气比例阀，出于成本和结构的考虑，大多采用一个电磁阀及一个带密封功能比例调节阀，满足国标二级密封要求[2]。比例调节阀关阀时的密封由轴芯与永磁的吸力来实现。轴芯与永磁的距离越近，二者吸力越大，密封性能就越好；反之，轴芯与永磁的距离越远，二者吸力越小，密封性能就越差。

在低压力燃烧用比例阀选用/设计时，由于整机电流压力关系曲线（I-P线）的变化，比例阀的电流压力关系曲线（I-P线）相应变化。此时如简单的调节比例线圈圈数及比例弹簧而忽略轴芯与永磁的距离变化，当轴芯与永磁的距离变大，密封力变小，密封性能相对变差，装配一次合格率相对变低。比例阀制造难度增加，制造成本提高。相反当轴芯与永磁的距离过小，密封力变大，密封性能相对更好，由于橡胶件与铝材的特性，有可能增加阀口的粘连性，从而增加了阀口粘阀风险。

3 结论

本文从燃气比例阀着手，分析了低压力燃烧系统通过运用燃气比例阀降低二次压扩宽稳压区间的特点，实现低前压时热负荷的提升。分析了燃气热水器在采用低压力燃烧系统中如何设计燃烧二次压力、燃烧电流区间，低压力燃烧系统用燃气比例阀选用或设计时要关注的气流量、稳压性、比例密封力等参数。

通过分析和实验验证了低压力燃烧系统中，保持普通燃烧系统的工作电流调节范围不变，调整燃气比例阀的比例特性曲线；可以降低燃气比例阀的精度要求，搞高燃气热水器的稳定性，改善了洗浴舒适性，并有利于生产成本控制；避免燃气热水器生产出现拨档过多、水温振荡问题。