强排式燃气热水器高抗风控制技术的研究

陈静

【摘 要】本位设计了一种应用于强制排气式燃气快速热水器上的高抗风技术，通过直流电机排烟系统、电子式风压传感器，配合控制器的算法逻辑，当燃气热水器使用过程中遇到外界倒灌风时，通过以上传感器和控制系统智能自动控制调节电机转速，使燃气热水器保持较好的燃烧工况，降低了CO的含量同时保证烟气顺畅排放，大大降低了有害废气可能对使用者带来的伤害。

【关键词】强排式；燃气热水器；高抗风

燃气热水器作为一种快速提供热水的产品，为使用者提供便捷的同时，也带来了以下安全隐患：可燃气体泄漏爆炸以及燃烧产物主要是一氧化碳中毒。

在我国的三北地区（东北、华北、西北）、沿海区域、高楼居住区的用户，为多风、风速较大区域，全年平均风速大于3m/s；而燃气热水器在有风状态下运行，受外界倒灌风影响，燃烧产物无法顺畅及时排出。经调研，一部分燃气热水器产品会安装于厨房，随着时间推移，无法排除的烟气中含有的一氧化碳（后文简称CO）会对人体产生巨大危害：CO浓度200ppm，成人置身其中2h会出现轻微的头痛、头晕、恶心症状；当CO浓度达到800ppm，45min内出现痉挛，2h昏迷；CO浓度高于1600ppm，20min出现痉挛，2h内死亡，当CO浓度达到3200ppm，30min即可致死。因此，家用燃气热水器国标也对产品在有风状态下的烟气CO含量做了明确要求，要求不得超过600ppm【1】。

为此，我们设计的燃气热水器，应当做到在外部存在高速倒灌风时仍能顺利排出燃烧烟气，降低用户的使用安全风险。

目前市场上主流的燃气热水器还是强制排气式热水器（下文简称强排式燃气热水器），它主要采用交流电机提供燃烧所需空气，其转速是恒定的，在外界高风压时，转速无法提高，也无法为燃烧提供更多空气，随着外界风压增大，燃烧工况更为恶劣，产生更多对人体有害的不完全燃烧产物——CO。

针对此问题，需要设计一种智能型高抗风的强排式燃气热水器，在外界风压过大时，降低热水器燃烧产生的CO含量。

1 方案设计

1.1结构方案

为解决交流电机无法调节转速的问题，排烟系统采用直流电机，在排烟系统的蜗壳上增加压力取样嘴，压力取样嘴的位置选取原则：该处初始压力值（即无风状态下取样嘴压力值）与比例阀控制电流值之间基本呈线性关系。通过风压软管将取样嘴与风压传感器的测压口连接，用于实时监测排烟系统内部压力。风压传感器读取取样嘴处的负压值，并将压力信号转换成频率信号提交主控制器处理。

风压传感器内部主要是由正/负测压口、风压隔膜、磁环、感应线圈、弹簧和振荡转换频率电路组成。当测压口压力变化时，正压腔与负压腔的压力差将风压隔膜向下压，并通过连杆带动磁环下移，随着磁环位置不同，感应线圈感应的电感量也不一样，这样通过感应线圈输出口信号就可以得知磁环的位移量，再经过振荡电路将感应线圈的电感信号转换成频率信号，从而控制风压反馈值与控制器进行启动和保护。

1.2控制方案

控制器增加智能高抗风程序：包括风压传感器的测压口初始压力自检程序和压力调节程序。初始压力自检程序，当风压传感器输出频率不在其正常工作范围或不能输出频率数值，则认为风压传感器故障或者初始压力异常，报风压故障。压力调节程序：风机取样嘴的压力根据当前的恒定电流计算出来，比例阀电流维持不变时，无论外界压力如何变化，调整风速来维持当前压力值恒定。

当前恒定压力=LO+（HO-LO）*（I-Imin）/（Imax-Imin）

LO：最小负荷最佳燃烧状态时压力初始值；

HO：最大负荷最佳燃烧状态时压力初始值；

I：当前比例阀电流；

Imax：最大负荷时比例阀电流；Imin：最小负荷时比例阀电流；

1.3控制逻辑

对整机排烟系统压力取样嘴采集初始压力数据，在此基础上，设定增压阈值，即到当前压力反馈值与当前比例阀电流对应的初始压力值之间的最大差值。当检测到的当前压力值的变化量没有达到增压阈值，则控制风机转速维持压力反馈值在当前压力值；若反馈的压力变化值超出增压阈值，则提高风机电流将风压值调节至并维持在初始值+20，并检测反馈风压值，若反馈值比维持值低，则继续提高风机电流，若反馈风压值大于维持值，且风机电流值大于当前比例阀电流值对应的风机电流初始值，则降低风机电流值维持反馈风压值。

由于风压传感器有一定的误差，故负压初始值与设定值允许误差正负10Pa，为减少来回震荡加减风速，当负压开始变化后，通过减少风机电流和加大风机电流来控制压力传感器输出压力在设定值±10Pa范围以内。

2 测试结果分析

2.1 100%負荷，堵塞时整机的状态分析

由上图表可以明确地看出在全负荷时堵塞时，CO浓度在100ppm以内，经过测试发现在风压达到280Pa之后，风机功率趋于平稳，即风机风速按惯性增加，压力传感器取样嘴的压力在168左右波动，280Pa之后无法维持，逆向风压继续增大时，风机频率不再增加，风机转速频率趋于平缓，取样嘴处的负压值无法维持恒定，逐渐减小。

2.2 50%负荷，堵塞时整机的状态分析

负荷分段式的强排型燃气热水器为避免出现有温度段覆盖不全的情况，在半开火和全开火切换时会留有一段重合区间，因此在50%负荷测试时比例阀电流会有一定的波动【2】，可能在Imax附件也可能在Imin附近，风机的转速频率和风机取样嘴处的取样压力也随之相应改变，风机功率在280Pa左右达到最大值，之后风机转速依惯性增加，风机转速频率增加缓慢，风机取样嘴处的取样压力逐渐减少，在外界压力为480Pa时，风机转速达到极限，此时烟气超过标准值，实际做产品时可以设置风压过高报警值在烟气超过标准前。

2.3 最小负荷堵塞时整机的状态分析

最小负荷时风机转速频率几乎成线性增长，风机风速没有达到最大值，比例阀电流和风机取样嘴处的波动范围不大，几乎恒定。

3 结论

燃气热水器智能高抗风技术的研究主要是针对多风地带和高楼居住用户，通过用风压传感器监测取样嘴处压力的变化情况，智能调节风机风速，使燃烧工况达到最佳，从而有效降低排放的CO含量。

目前各主流燃气热水器品牌均有相对成熟的技术，如恒电流技术、恒转速技术或无极变频调速技术【3】等。

本文通过在现有强排式燃气热水器产品上使用直流电机取代交流电机，增加电子式风压传感器，用相对简单的结构和控制方法，设计开发出一种智能高抗风技术，解决了强排式燃气热水器在外界风压过高时排烟不畅及烟气超标的问题，为用户提供更为安全可靠的产品。

参考文献：

[1]GB6932-2015 《家用燃气快速热水器》.

[2]袁丽丽，户孝文.基于全自动燃气热水器的PID温度控制参数整定研究[J].科学技术创新，2017（32）：181-182.

[3]李新学，梅炳强.浅析直流变频风机在强制抽风式燃气热水器的应用[J].日用电器，2017（6）：89-93.

（作者单位：广东万家乐燃气具有限公司）