全预混冷凝燃气热水炉空气流量检测方法设计

武世涛 张 宁 林越聪

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

前言

当今世界，气候变暖威胁人类生存，生存危机促使着各国加紧清洁能源研究应用，来降低碳排放，降低能源消耗。天然气作为清洁能源，在我国一次能源占比逐年提高，以天然气作为燃料的全预混冷凝燃气热水炉，以高能效，低大气污染物排放等性能优势，在建筑供热市场得到快速发展。目前市场上全预混冷凝燃气热水炉，主要分为家用（24～60）kW壁挂式和中小型商业场所使用的落地式（100～2 800）kW。为适用全预混燃烧，降低回火风险，该类产品无论是家用还是商用，其燃烧器都采用小火孔燃烧器。尤其是商用类的产品，采用的是如图1所示火孔更小的全预混金属纤维燃烧器。该类燃烧器容易被空气中的粉尘颗粒物堵塞火孔，造成热水炉出现负荷下降、燃烧不稳定情况，火焰在燃烧器分布不均出现局部过热，长时间反复烧结后出现燃烧器烧损的情况，如图2所示家用烧损全预混金属纤维燃烧器，这将带来严重的运行安全性问题，因此对全预混表面燃烧器堵塞程度进行检测，即检测热水炉空气流量，对提升热水炉运行安全性具有重要意义。

图1 商用全预混金属纤维燃烧器

图2 家用烧损全预混金属纤维燃烧器

1 全预混表面燃烧器空气流量检测的必要性

根据GB 36699-2018《锅炉用液体和气体燃料燃烧器技术条件》，将全预混燃烧定性为表面燃烧，并对该类燃烧器增加了专项设计要求。其中一项，需要增加空气过滤装置来对空气中粉尘进行过滤。空气过滤装置本身带有阻力，且过滤装置精度越高阻力越大，过大的阻力会使进风阻力增大，如果空气质量较差，高精度过滤器会很快被堵塞，引起全预混冷凝燃气热水炉功率大幅度下降。相反如果过滤装置精度太低又起不到过滤效果，所以过滤装置需要选择一个适中的过滤精度，因此空气过滤装置，可以过滤掉空气中大部分粉尘，但一些小颗粒粉尘还是会进入到热水炉内，这些粉尘与水气混合后会形成泥附着在燃烧的金属纤维网上，随着附着的量增加，最终还是会引起燃烧器的堵塞。此外，空气过滤器，在使用一定时期后会被过滤的粉尘堵塞，出现空气流量下降，热水炉输出负荷下降的问题。所以全预混燃烧器因固有的小伙孔结构特性和空气中固有的灰尘颗粒物，决定了燃烧器出现堵塞基本无法完全避免。在燃烧器堵塞不能完全避免的情况，其堵塞程度检测就是必不可少的。鉴于燃烧器和空气过滤器堵塞均会造成热水炉空气流量的下降，这就需要通过一些安全装置对全预混燃气热水炉的进风量进行检测来判断燃烧器堵塞程度，保证热水炉在安全的堵塞范围内运行。对空气流量检测，可以通多对空气压力变化检测来实现，对图3所示全预混燃烧系统，取压点和取压方式是压力检测可靠性的重点。

图3 全预混燃烧系统原理图

2 全预混表面燃烧器空气流量检测取压点分析

图3是全预混燃烧系统原理图，一定比例的空气和燃气在文丘里管的喉部进行混合，混合后的气体经风机鼓吹进燃烧器进行燃烧。燃气调节阀上的压力调节器与进空气口上的a点通过硅胶管相连。当功率变化时，风机转速变化，空气进风量跟着改变，a点压力也会随之改变，压力调节器会根据a点压力的变化来调节燃气阀门的大小，从而保证燃气与空气按设定比例供给。根据以上的预混原理和伯努利定理，当空气流量发生变化时，a、b、c点的压力会随之变化，反之检测这三点的压力变化，即可检测空气流量的变化。

1）单取a点压力进行流量检测

根据上文分析，我们将压力开关负压端连接a点取压，压力开关的正压端连通大气。那么当全预混燃烧器堵塞或者排烟口堵塞时，热水炉空气流量下降，a点压力与大气压差值下降，当压差值下降到限值时压力开关断开，全预混燃气热水炉停止运行。采用这种检测方法，当堵塞发生在进风口空气过滤装置上时，由于风机的抽力作用，在空气流量下降的情况下，a点的负压值是增大的。这时即使风量已经下降到限定值，压力开关也不会触发断开动作，起不到保护作用。我们以一台280 kW功率的全预混冷凝燃气热水炉作为试验对象，分别对全预混燃气热水炉的进风口和排烟口进行堵塞，在全预混燃气热水炉最大功率下测试a点的负压值，验证a点压力变化是否如上述情况，测试数据如表1堵塞对a点压力的影响。

表1 堵塞对a点压力的影响

从测试数据可得出空气过滤器堵塞会使得a点负压增大，而堵塞排烟管堵塞（等效燃烧器堵塞）会使a点负压降低，且堵塞排烟管堵塞对进风口的压力变化影响并不大，综上单在a点进行压力检测，存在不可靠、反馈失真的问题，不能起到可靠的空气流量检测。

2）单取b点压力进行流量检测

b点是与文丘里管喉部相通，在燃气阀未开阀前，其位置的负压值等于文丘里喉部的负压值。当燃气阀开阀后，该位置受阀后燃气压力和文丘里喉部压力的影响，负压值会有明显波动，尤其是在点火期间。我们仍以280kW的全预混冷凝燃气热水炉为例，对该点点火期间的压力进行了测试，测试结果如图4所示。从图中可以看出，在点火期间，其压力波动非常剧烈。如在该位置进行取压检测，明显会存在压力检测误判的问题，因此在该位置单点取压仍不可靠。

图4 点火过程b点压力点曲线图

3）单取c点压力进行流量检测

在c点取压，因其位于风机出口后的位置，该位置的压力相对大气压为正值。经实验测试当堵塞空气过滤器时，该位置的正压值呈现下降趋势，当堵塞排烟管时，该位置的正压值呈上升趋势。同样存在堵塞不同位置，压力变化不能反馈空气流量的变化。此外该位置是正压，且是可燃混合气，该位置取压出现混合燃气泄漏风险极高。因此该位置不适合作为取压检测点。

从上面分析来看c点不适合作为取压点，a点和b点适合作为取压点，但单点取压都不可靠。

3 压差取压空气流量检测方法

上文分析a点和b点单点取压都不可靠，因此根据文丘里管的原理，设计采用a点和b点同时取压的双点取压来进行空气流量检测。

为验证双点取压的可行性，我们以280 kW全预混冷凝燃气热水炉检测验证，分别通过堵塞排烟管和空气过滤器，来验证不同堵塞程度下，热水炉在最大负荷和最下负荷下a点和b点压差的变化，得到如表2所示的堵塞-压差表。从表中可以看到，堵塞排烟管，a点和b点的压差逐渐减小，堵塞空气过滤器，a点和b点压差逐渐减小，因此检测这两点的压差，无论堵塞发生在那个位置，都可以可靠的检测热水炉空气流量的变化。

表2 堵塞-压差表

全预混冷凝燃气热水炉采用的是变频风机，通过调节风机转速来控制全预混燃气热水炉功率，最大功率与最小功率之间的风机转速变化大，进风量变化也大，检测用压力开关的动作值是一个固定值（虽然现在也有风压传感器技术，但精度高的成本太高，精度低的达不到使用要求），从表2数据得出，相同堵塞量，在额定负荷和最小负荷引起的压差变化相差较大，在最小负荷下，空气过滤器和排烟堵塞达到90 %时，热水炉均熄火不能正常燃烧工作。那么压力开关的动作值如在最小功率状态下测定，那么在大功率运行时这个限值就起不到保护作用，如果依据最大功率堵塞状况测定动作值，则小功率时会使全预混燃气热水炉误报风压故障而不能正常运行。所以如果仅采用单一固定值压力开关作为空气流量检测开关，则此检测方法不适合用于全预混冷凝燃气热水炉全程空气流量检测。可用于点火前的空气流量检测，作为点火前的一项安全自检：热水炉启动后，对压力开关断开-闭合的动作过程进行检测，检测通过后热水炉进入点火程序，进行点火运行，在点火和运行阶段，压力开关不进行检测。该种检测方式，可以检测额定负荷下燃烧器和空气过滤器的堵塞情况，对负荷比在1∶5以内热水炉，基本可以避免燃烧器出现烧损。

家用全预混冷凝燃气热水炉执行标准是GB 25034-2020 《燃气采暖热水炉》，标准中规定空气流量检测可以采用点火前检测的方式。但是对于商用的全预混冷凝燃气热水炉，其燃烧相关规定主要依据GB 36699-2018《锅炉用液体和气体燃料燃烧器技术条件》，该标准规范性附录F，制定的液体和气体燃料燃烧器控制时序图，其中对空气流量检测时序包含有额定运行，即需要在全功率段对空气流量进行检测。以上分析的方法，仅采用一个压力开关在点火前来对空气流量进行检测，显然达不到全功率段检测的要求。鉴于此，经对表3数据进行分析，设计如图6所示双压力开关来进行全程空气流量检测。

4 双空气流量压力开关检测逻辑方案

如图5所示，通过三通连接器，在a点和b点取压管上，安装压力开关1和压力开关2。其中压力开关1用于额定负荷堵塞检测，即点火前检测。压力开关2用于额定运行检测，即正常全功率段运行检测。具体逻辑判定如图6。

图5 双空气流量压力开关检测原理图

图6 双空气流量压力开关检测逻辑流程图

压力开关1的动作值相对较大，用于判断机器在额定负荷时空气流道的风压值是否符合设定值，点火前风机预吹扫阶段的转速与额定负荷时的转速一致。其中一个实施例中，当空气流道堵塞导致机器满负荷下降30 %，此时空气流道的风压值作为压力开关1的动作值(预设值)，当空气流道堵塞到让机器满负荷下降超过30 %时，压力开关1不能闭合，则不允许点火。

压力开关2的动作值相对较小，用于检测热水炉额定运行时空气流量的风压值是否符合设定值。压力开关2的动作值，在热水炉最小风机转速下设定，当空气过滤器发生堵塞导致最小负荷下降15 %，此时测得的风压值作为压力开关2的动作值（预设值）。当热水炉在正常运行过程出现空气过滤器和燃烧器堵塞至压力开关2断开，机器立刻受控停机。在设计风压开关2动作值时，选取最小风机转速下，以最小负荷下降15 %时的风压值作为动作值，是为了防止热水炉燃烧器发生堵塞时，在小负荷下出现回火、火焰过度贴近燃烧器的情况，避免长期不正常燃烧对燃烧器的损伤。

综上：通过设计双压力开关实现对热水炉全过程的空气流量检测，做到及时准确的监控热水炉堵塞状况，控制热水炉燃烧器的堵塞在安全范围内，避免燃烧器烧损，提高热水炉运行的安全性。

5 结论

综上分析，全预混冷凝燃气热水炉空气流量检测不适宜采用单点取压的方式进行检测，易采用双点压差检测的方法进行空气流量检测。全预混冷凝燃气热水炉在燃烧器堵塞程度相同的情况下，在各负荷段形成压差变化量不同，尤其是在额定负荷和最小负荷差距更是明显，因此采用单一压力开关进行压力检测，不能同时覆盖全功率段空气流量检测，特别是小负荷段流量检测，而小负荷段空气流量检测至关重要。全预混燃烧在小负荷段是红外燃烧，燃烧火焰贴近燃烧器，燃烧器堵塞严重会引起回火、烧损燃烧器。因此，采用有效技术方案，对小负荷功率段进行空气流量检测至关重要。 全预混冷凝燃气热水炉空气流量检测，除了本文分析方法外还有其它检测方法，比如烟道压力开关、离子火焰电流检测等，都可以检测全预混燃气热水炉的风量变化。实际应用中一台全预混燃气热水炉可集成组合多种检测方式，这样安全可靠性更高。