外界风压自适应在燃气热水器上的应用研究

韩天雷 曹冠忠 郑涛 张伟 钟国庭

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101）

1 引言

长度将超过4万公里 。这将对燃气热水器的发展带来广阔前景。

燃气热水器的烟管全都通过墙壁伸到室外，当外界风力比较大时，风就会通过烟管倒吹入热水器中，影响燃气热水器中的正常燃烧工况以及燃烧后烟气的排放，严重时会导致回火或者熄火，甚至导致多余的CO超标无法排出室外，引发

随着我国对能源规划的发展，横跨大陆东西、连接沿海、纵贯南北的天然气框架蓝图的逐步呈现，2013年1月23日国家能源局发布的《天然气发展“十二五”规划》指出，到2015年，我国的城市和县级天然气用户人口数量将达到2.5亿，约占总人口的18%，“十二五”期间我国建设管道总安全隐患。

随着国家经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们对燃气热水器的安全性、舒适性要求也越来越高。燃气热水器的系统结构也由于新的用户需求变的越来越复杂，因此控制部分的电子化程度也越来越高，利用软件控制方法实现燃烧系统参数自动适应外界环境的变化情况已迫在眉睫。

图1 硬件电路模块图

图2 硬件电路原理图

图3 风机转速与风机功率关系曲线图

燃气热水器能够给人提供快速的、恒温的生活热水，但在使用过程中也不可避免的出现一些问题，比如热水器点火困难或者点不着火、燃气热值不足、出水温度过热、燃烧中途熄火等问题，其中以正常燃烧时中途熄火最让人头疼与烦恼，且绝大部分燃气热水器的中途熄火问题都是由于外界风压的变化引起的，本论文提出了一种智能软件控制方法，根据外界风压变化自动选择燃烧热值曲线达到调节风机转速的目的，以应对外界风压的变化，始终保持燃烧室的内压系统平衡，保证燃烧效率处于高位，确保燃气热水器安全稳定的工作，保证燃烧过程的出水恒温稳定性、节省燃气能源。

表1 热带气旋等级划分表

表2 蒲福风级表

2 外界风压自适应硬件方案设计

2.1 硬件模块图

如图1所示，将外界风压自适应硬件电路按模块划分为：MCU模块、风机调速模块、功率检测模块、电压检测模块、转速检测模块。

2.2 各模块功能介绍

(1)MCU模块：为燃气热水器的主控制单元，负责处理一切燃气热水器的事务；

(2)风机调速模块：为MCU模块提供时刻转速信息并时刻根据MCU指令调整风机转速；

(3)电流检测模块：时刻监测风机回路电流数据并反馈给MCU模块；

(4)电压检测模块：时刻监测风机供电电压数据并反馈给MCU模块；

(5)转速检测模块：时刻监测风机转速数据并反馈给MCU模块。

2.3 各模块电路原理图

各模块的硬件电路原理图如图2所示。

3 外界风压自适应软件方案设计

3.1 简要介绍

外界风压自适应控制方案，通过检测风机功率值的变化判断风机负载的变化（外界风压变大，风机的功率会随之变小；反之亦然），进而对风机转速进行调节来达到随时适应外界多变的风压的目的。尤其是在外界风过大、风机功率下降过快时，对热水器内部燃烧室进行补风增氧处理，保证燃气的燃烧充分和烟气的及时排放。

考虑成本问题也可以只检测风机的电流来代替检测风机功率，只是不够精确。因此，在这里我们采用同时检测风机电流及电压（即风机功率）的方式，来对风机转速精确快速控制，效果更佳。

3.2 软件控制设计的基础方案

3.2.1 风力等级的定义

(1)风级的国标定义

根据《热带气旋等级》国家标准（GB/T 19201-2006），热带气旋分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风六个等级。热带气旋底层中心附近最大平均风速达到 10.8m/s～17.1m/s（风力6～7级）为热带低压，达到17.2 m/s～24.4 m/s（风力8～9级）为热带风暴，达到24.5 m/s～32.6 m/s（风力10～11级）为强热带风暴，达到32.7 m/s～41.4 m/s（风力12～13级）为台风，达到41.5 m/s～50.9 m/s（风力14～15级）为强台风，达到或大于51.0 m/s（风力16级或以上）为超强台风，详见表1。

(2)风级的国际规范——蒲福风级

风力等级（简称风级）是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用的风力等级是英国人蒲福（Francis Beaufort，1774—1859）于1805年所拟定的，故又称“蒲福风级”。他是从静风到飓风分为13级。自1946年以来风力等级又作了一些修订，由13级变为17级，如表2。

表3 风机转速与功率值5条曲线表

3.2.2 风机转速与风机功率曲线定义

风机转速与风机功率关系曲线如图3所示，其中：

A：燃气热水器火焰浮火界限，曲线以上会出现火焰飞火、中途熄火现象；

B：外界风停止后，减小风速目标值线，称为减风停止线；

C：整机装标准管，标准参数，非燃烧状态时风机功率曲线，称为风机学习线；

D：外界风有风压时，增加风速目标值线，称为加风停止线；

E：燃气热水器不完全燃烧界限，曲线以下会出现不完全燃烧、积碳现象。

3.3 软件控制方案原理说明

(1)加风处理

当燃烧时，若风机电流低于E曲线时，则提高风机转速，增加燃烧系统中氧气，直到风机功率在D曲线以上，则停止加风，加风程度多少需要根据燃气热水器的设计抗风等级（比如抗风9级）及伯努利方程(p+(ρv )/2+ρgh=c)计算风级与压力之间的换算关系，试验室模拟出加风阶数。

(2)减风处理

当风机受到外界风压影响有加风动作时，若外界风压消失，检测风机功率大于A曲线，则减少风机转速，直到功率处于B曲线以下。

(3)燃烧控制范围

a.燃烧处于B、D曲线范围内，燃烧状态最佳或较好，不做修正；

b.燃烧处于D、E曲线范围内，燃烧状态不佳，虽CO较高，但在可容许范围之内，不做修正；

c.燃烧处于E曲线以下，氧气量不足，不完全燃烧，CO较高，火焰变红，进行加风增氧处理至D线以上，根据燃气热水器的设计抗风等级及伯努利方程计算风级与压力之间的换算关系，确定加风阶数，增加一定阶数后，风机功率值仍低于E线，则停止燃烧，报风压过大故障。

(4)点火智能风压

a.点火时检测外界风压变化，如风机功率低于D线则进行加转速（不能加的太多，防止点火爆燃），点火成功后，同时检测风机功率值，随时进行修正；

b.点火智能风压是在机器点火前就进行风机物理性能及环境风压状况检测，进行风机转速修正，风机参数修正合格后，再进行点火，如修正一定阶数后风机功率还低于D线，则报风压过大故障。

3.4 软件控制方案的程序参数取值法

(1)测试多个风机的6个转速在标准烟管状况下对应的功率值、浮火界限的平均功率值及设计抗风9级的平均功率值，见表3。

(2)程序取值为5条线的标准管功率值，6个取值点：标准管状态下风机转速为2000，2300，2700，3200，3700，4200时对应的风机功率值。

(3)风机学习值默认为C线，会根据学习值与平均功率值之间的比例系数，相应计算平移5条曲线的位置，适应风机的个体差异情况。

4 结论

随着城镇化程度的深化，城市中心土地资源的减少，高层住宅越来越多，特别是冬天时，外界风力强劲，燃气热水器在使用过程中越来越多的地受到楼层风压的影响。燃气热水器的烟管全都通过墙壁伸到室外，当外界环境的风力比较大时，外界风会撞击建筑物的墙壁，进而通过排烟管管壁上的众多排烟孔吹入燃气热水器中，造成燃气热水器中燃烧排气不畅，供氧量不足，影响燃气热水器的正常燃烧效率以及燃烧后废气的排放，严重时会导致回火或者熄火，甚至导致多余的CO超标无法排出室外，进入用户的房间，引发安全隐患。

因此，通过控制器硬件及软件的优化设计，通过检测风机功率值的变化判断风机负载的变化，进而对风机转速进行调节来达到随时应对外界多变的风力的环境。尤其是冬天，且用户家的机器安装在北向房间时，在外界风力过大，风机功率下降过快时，对燃气热水器内部燃烧系统进行补风增氧处理，保证燃气热水器燃烧系统中的空燃匹配良好以及燃烧废气的及时排放，对解决高层用户由于外界环境风力过大造成无法使用燃气热水器的问题起到极大的作用。本论文对于在恶劣条件下燃气热水器的使用提供了简便、低成本的解决方案。

[1]杨燕飞.中国燃气具行业未来发展趋势综合预测.家用燃气具，2013.（1）

[2]艾效逸，王义.高效燃气热水器的实验研究和节能分析.工业加热，2002，（5）

[3]王殿君，田羽.谈民用燃气热水器及锅炉的节能.应用能源技术，2002，（2）

[4]Peter Pescatore.Development of a Market Optimized Condensing Gas Water Heater.Innovation，2006

[5]崔宏宇，崔宏巍.单燃料燃气汽车发动机空燃比控制器设计.农机化研究.2006(5)

[6]陈树义.燃料燃烧与燃烧装置[M].北京: 冶金工业出版社，1985 :11215.

[7]刘蓉.燃气燃烧与燃烧装置.机械工业出版社，2009