空气预热燃烧系统空燃比控制方法的研究

同济大学　林立春　冯　良　邓钰才

空气预热燃烧系统空燃比控制方法的研究

同济大学林立春冯良邓钰才

基于空气预热燃烧系统空燃比控制现状，根据流体压力、压差、流量之间的耦合关系，提出了一种更具实用性且不受预热空气温度影响的空燃比控制方法。文中采用AMESim仿真的研究方法，搭建了空气预热式燃烧系统空燃比控制性能测试平台，测试该燃烧系统空燃比控制的可行性，同时验证所建立AMESim模型的正确性。实验结果表明：流量和压力特性与理论分析的一致，验证了该耦合控制方法在空气预热燃烧系统上的可行性；压力特性的实验结果与模拟结果基本吻合，验证了该AMESim模型的合理性和有效性。

空燃比冷端压差控制阀空气预热燃烧AMESim

0　前言

随着经济的快速发展，我国在能源利用方面利用率低、排放高的问题日益凸现，这不仅使环境日益恶化，更影响到了经济的可持续发展。空气预热燃烧技术因其充分回收排烟中的余热、提高燃烧效率，被广泛应用于燃烧系统中，成为节能减排的重要手段，但是空气预热燃烧系统易引起冷热态空燃比漂移，导致点火成功率低、热效率低、设备无法保持高效运行等问题。可见，具有空气预热的燃烧系统能否体现出节能减排等优势，空燃比调节和控制是关键技术之一。当前，国内外空气预热燃烧系统空燃比控制市场较小、空燃比控制相关产品有限、研究技术水平不高，因此进一步研究出一种经济、安全可靠且能广泛应用的方法解决助燃空气预热温度对空燃比影响的问题具有很大的市场价值和实用意义。

1　空气预热燃烧系统的空燃比控制难点

空气预热燃烧系统节能优势突出，但存在一些控制难点：

空燃比可以用如下公式表示：

式中：α——过剩空气系数；

ma——空气的质量流量，kg/s；

mg——燃气的质量流量，kg/s ；

ρa——空气的密度，kg/m³；

ρg——燃气的密度，kg/m³；

va——空气体积流量，m³/s；

vg——燃气体积流量，m³/s。

通常，当空燃比调节阀调节完毕后，空气与燃气流量比值va/vg保持不变；在忽略其他微小因素的情况下，燃气密度也不会发生变化；但空气密度却会随着预热空气的温度变化而发生变化，根据上述公式，可知空燃比就会发生飘移。

空燃比的稳定性直接影响燃烧器的燃烧效率、污染物的排放和燃烧工况的好坏。空燃比漂移带来的一系列问题如下：

(1)冷启动时空气过剩，从而可能引起点火成功率低，点火困难。

(2)由于冷启动空气过剩，热效率低，使得锅炉升温缓慢。

(3)负荷变化时助燃风温度变化，设备无法保持高效运行。

综上所述，空燃比的调节是决定预热空气燃烧系统是否能达到节能减排目的的关键技术。因此，在调节空燃比过程中，必须将冷热态温度变化考虑在内。

2　多级耦合控制方法理论研究

2.1多级耦合控制方法的设想

传统控制方案中，系统首先从炉膛、空气管道、燃气管道取压，并通过设置空气侧隔膜和燃气侧隔膜获得一对压差关系，即将压力转换为压差，依赖压差与流量之间的耦合关系Δp=kAL2，实现对空燃比的控制。这种模式的理论依据是压力与压差、压差与压差、压差与流量之间的多层耦合关系。为效仿这种压差控制模式，针对空气预热燃烧系统，在空气管道冷端，即预热器之前的空气管道上设置孔板；在燃气管道上设置阀门，将压力转换为压差，从而构造4个压力，两对压差。这种获取压差的方式不必再从炉膛取压，避免了空气温度变化对空燃比的影响。多级耦合控制系统原理如图1所示。

图1　多级耦合控制系统原理

根据流体流动过程中压差与流量的耦合关系，可以得出流经空气旁通管路上孔板和燃气管道手动阀门的流体流动关系式：

将上述公式中的流量和密度用其标准状态下的参数表示为：

将上述流量和密度公式带入流体流动关系式为：

公式经过变换可得旁通管内空气及燃气管道内燃气流量的表达式：

式中：ξa,k——表示空气旁通管道上孔板的局部阻力系数；

ξg,f——表示燃气管道上手动阀门的局部阻力系数；

Aa,k——表示孔板的流通面积，m2；

Ag,f——表示燃气管道上手动阀门的流通面积，m3；

ρa、ρg——分别表示空气、燃气的密度，kg/m³；

La、Lg——分别表示空气旁通管、燃气管道内体积流量，m³/s；

ρan、ρgn——分别表示标准状态下，空气、燃气的密度，kg/m³；

Lan、Lgn——分别表示标准状态下，空气旁通管、燃气管道内体积流量，m³/s；

ta、tg——分别表示预热前空气、燃气的温度，℃；

Kak、Kgf——分别表示空气旁通、燃气管道的阻力系数，m1.5/kg0.5；

ΔPa、ΔPg——分别表示孔板、手动阀门前后的压差，Pa。

零压阀的内部结构决定了其出口处与取压管处压力存在如下关系：

空气主管内的空气燃烧后最终排向大气。根据上述公式推导可得，作为空气主管路内的流体，其流量同样可表示为：

因旁通管上的波纹形加热盘管细而长，能够将旁通管内空气迅速加热到与空气预热器出口近乎相等的温度，故可将旁通管内空气的温度特性近似看做与空气预热器出口处空气的温度特性近似相等，即：

空气主管内空气流量与空气旁通管内空气流量比值为：

将公式(15)代入得：

式中：Aa,k′——表示空气主管的流通面积，m2；

Aa,k″——表示零压阀后面一段空气旁通管的流通面积，m2；

Ka,k′——表示空气主管阻力系数，m1.5/kg0.5；

Ka,k″——表示零压阀后面一段空气旁通管阻力系数，m1.5/kg0.5。

当空气旁通管与空气主管结构不变时，Aa,k′、Aa,k″、Ka,k′、Ka,k″也基本不变，故公式(17)中流量的比值为一个定值，假定为k。

则有如下关系式：

该燃烧系统空燃比表示为：

若阀门执行器能够使得压差之间满足线性关系，即：

则空燃比可表示为：

综上所述，只需要保证旁通管上空气侧压差与燃气侧手动调节阀处压差为线性关系，就能够实现空燃比稳定。

3　冷端压差比例阀的AMESim模型建立

3.1冷端压差比例阀空间结构及工作原理分析

本文在已有阀门的基础上进行改造，设计出一种冷端压差比例阀，使得旁通管上空气侧压差与燃气侧手动调节阀处压差为线性关系。该冷端压差比例阀的结构示意图如下图2所示。通过该阀门结构，空气侧正负压差作用于空气侧隔膜，燃气侧正负压差作用于燃气侧隔膜，通过中间阀芯，作用力得以传递，并通过设置弹簧平衡阀芯的重力。最终，在稳定状态下实现压差的平衡关系。

从图中可见，其结构包括四个腔体、三个波纹形隔膜、弹簧、阀芯、阀杆。

图2　冷端压差比例阀的结构示意

3.2冷端压差比例阀模型

为设计出可行且精确性更高的冷端压差比例阀，本文采用了AMESim软件建模的方法对所设计冷端压差比例阀的各基本组成部分(包括四个腔室、三个隔膜、弹簧、阀芯等)的物理特性进行研究，确定各组成部分的基本参数(腔室体积、隔膜截面积、隔膜弹性系数等)。本文建立冷端压差比例阀的AMESim模型，如图3所示：

图3　空燃比多级耦合控制系统的AMESim模型

图中的空燃比多级耦合控制系统的AMESim模型是结合冷端压差比例阀的空间结构和工作原理，通过AMESim应用库的元件等效建立的，模型中的每一个基本元件与所研究冷端压差比例阀的物理元件是一一对应。本系统的可行性证明仅涉及到压力，且为了保持与实验的一致性，系统中燃气也使用空气作为气体工质，根据需求差异取不同的压力值，恒温恒压气源7、9中的气体压力是给冷端压差比例阀提供的空气旁通管道上孔板前后产生的压力，而恒温恒压气源6中的气体压力是燃气入口压力。11(腔室q3)和14(腔室q4)是冷端压差比例阀的燃气取压侧的腔室，仿真模拟中所需要观察的变量即为该腔室的压力，气体经过该腔室通过可调限流阀12流出，可调限流阀对应系统中燃气管道上的手动调节阀，控制信号模型可以控制阀门的开度来模拟流量的变化。

3.3各子元件参数设置

要完成系统的仿真，其中各个子元件的参数设置是关键。各元件的参数设置将会影响到系统的动态特性(衰减比、余差、最大偏差、过渡时间、震荡周期)，严重时会影响到系统性能，如出现震荡、超调等。

影响冷端压差比例阀性能的因素很多，包括各腔室(q1、q2、q3、q4)体积、弹簧刚度、燃气侧隔膜直径、空气侧隔膜直径、阀杆及阀芯等重力元件的质量、阀芯直径。这些因素是综合作用的，应利用AMESim软件多次调节各物理元件参数使得冷端压差比例阀动态特性良好。

3.4冷端压差比例阀AMESim模型的运行模拟

冷端压差比例阀是否可行，可通过AMESim模型的仿真模拟进行初步验证。利用该仿真平台可以对冷端压差比例阀的静态和动态特性进行模拟仿真。仿真时，保持燃气入口压力为2 kPa，并通过设置腔室q1、q2的压力，产生几个不同压差，输出该不同压差下腔室q3、q4之间的压差。部分仿真曲线如图4至图6所示：

图4　空气侧压差为0.25 kPa时的仿真曲线

图5　空气侧压差为0.30 kPa时的仿真曲线

图6　空气侧压差为0.35 kPa时的仿真曲线

从仿真曲线中我们可以看出：随燃气侧压差从小到大变化，过度时间和工作周期的变化趋势是逐渐变小，而震荡频率则逐渐增大。过渡时间短，说明过渡过程进行得顺利，这时即使干扰再次出现，系统也能适应。在相同的衰减比条件下，周期与过渡时间成正比，通常希望周期短一些较好。

图7为模拟空气侧压差和燃气侧压差关系的折线图，从图中可以看出，燃气侧压差与空气侧压差的比值近似为2.0。

图7　空气侧压差与燃气侧压差线性关系

4　实验系统设计及分析

4.1实验装置和操作

本实验测试目的是测试冷端压差比例阀的静态特性，主要包含压力特性和流量特性两部分，并将实验结果与AMESim仿真模拟得出的结论进行对比，验证模型的正确性。本文设计的多级耦合控制系统性能测试示意图如图8所示。基于此，搭建多级耦合控制系统性能测试平台。

图8　多级耦合控制系统性能测试示意

首先调节压缩空气管道上的调压器，使出口压力稳定在2 kPa，然后通过风机控制面板调节直流无刷风机的占空比PWM，改变风机风量，模拟不同负荷下的燃烧系统工况。记录下不同风机占空比下的空气侧压差及燃气侧压差，并通过燃气管上浮子流量计读出燃气侧流量。

4.2静态特性试验数据分析

实验数据和AMESim软件仿真数据如下表1所示。分析实验数据，可以得出如下结论：

表1　数据记录表

4.2.1冷端压差比例阀的压力特性良好

实验测得不同负荷下空气侧压差与燃气侧压差的数据点分布，对这些数据点进行添加趋势线操作，得到冷端压差比例阀压力特性曲线，如图9。

从图9中可以看出，燃气侧压差与空气侧压差在不同负荷下呈线性关系，比例系数近似为2.3。这说明冷端压差比例阀压力特性良好。

图9　冷端压差比例阀压力特性

4.2.2冷端压差比例阀的流量特性良好

实验测得不同负荷下燃气流量和空气侧压差的数据点分布，对这些数据点进行添加趋势线操作，到冷端压差比例阀的流量特性曲线，如图10。

图10　冷端压差比例阀流量特性

从图中可以看出，随风机占空比的不断增大，即系统负荷的增大，空气侧压差与燃气侧流量都具有逐渐增大的变化趋势，二者基本呈二次方的关系。这完全符合流体力学中流量与压差的关系，说明冷端压差比例阀的流量特性良好。

4.2.3AMESim仿真模型具有一定准确性

实验测得的压力特性曲线与AMESim仿真模拟得出的压力特性曲线的对比如图11所示。

图11　压差关系对比

从图中可以看出，通过实验和AMESim软件仿真得出的结果基本一致：燃气侧压差与空气侧压差呈线性比例关系，比例系数约等于2。对比结果表明，AMESim仿真模型具有一定准确性。

5　结语

本文针对空气预热燃烧系统存在的工程实际应用问题，设计出一种更简便、可行、经济、有效的空气预热燃烧系统空燃比控制系统，通过实验验证的方式，验证了该多级耦合控制系统是解决预热空气燃烧系统空燃比问题的一种有效方法。同时，实验结果与仿真结果进行对比发现，二种情况下的系统性能基本一致，表明该AMESim仿真模型具有一定的准确性，为此后系统优化设计奠定了基础。

Research on Air-fuel Ratio Control Method in Preheat Combustion System

Tongji UniversityLin LichunFeng LiangDeng Yucai

Based on the present air-fuel ratio control method, this paper puts forward a more practical air fuel ratio control method, which can avoid being influenced by air-preheating temperature. The AMESim simulation research method is the approach as taken in this paper. The paper also analyses the results of performance testing in the laboratory platform, and draws some conclusions such as the feasibility of this new method and the validity of the AMESim model.

air-fuel ratio, cold end pressure control valve, air-preheating combustion, AMESim