低氮型燃气热水器风机控制方法研究与应用

张 其 杨 湛 劳耀荣 林锐兴

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

在2018年，欧盟在燃气热水器领域正式实施强制低氮，燃气热水器燃烧产物中的NOx浓度综合折算之后要求不超过56 mg/kWh，特别在最小热负荷时NOx排放占比很大，一般为了降低NOx，最小热负荷的风量会尽可能的给多一点。同时欧洲燃气热水器标准EN26：2015在气源适应性方面也有很严格的要求，特别是最小热负荷离焰气和基准气烟气排放CO差值要求不能超过100 ppm，这就意味着最小热负荷的风量不能过大，否则会在离焰气CO表现比较差。在环境适应性方面，欧标对燃气热水器发生烟道堵塞时的保护也做了要求，除了要求能够在发生危险之前能够保护，且要求保护前的全过程，燃烧产物中的CO排放量都不能超过2 000 ppm，这就要求热水器具备自动加风功能，对于烟道堵塞时，要能够主动提高风量确保燃烧正常稳定。

以上三个要求对热水器的风机控制方法提出了较高的要求。传统的恒转速控制和恒电流控制均在某些方面有一定的劣势，本文提出一种综合恒电流和恒转速的混合控制方式，特别针对恒转速提出了一种主动加风方法，以实现更好的燃烧性能。

1 传统风机控制分析

燃气热水器风机提供的空气量需要与燃气的供给量一一对应，这样才能保证燃烧的化学当量比是比较稳定合理的，燃烧产物也被控制比较好，目前行业一般采用直流可调速风机[1]，如图1，将热水器的热负荷分成若干负荷点，每一个负荷点都以燃烧产物优秀为目标匹配了最优的风量，且有对应的风机电流和风机转速。为了在某一个负荷点的风量稳定，风机一般采用闭环控制的方式。

图1 热水器热负荷与风机转速、电流对应关系图

第一种控制方式是恒转速控制。这种控制方式通过调机风机驱动的大小来改变风量，反馈检测风机转速，以转速稳定在某一范围为目标进行反馈调节，从而实现风机风量稳定。对于这种控制方式，在外界环境无变化时，风机的风量与风机转速相关性最大，控制好风机转速意味着风量的精准控制，特别是当风机电子元器件一致性不好时，他依然能够很精准的输出稳定的风量；但是当外界环境变化时，例如烟道堵塞，由于风机依然是恒定转速，会导致整体供风量下降。

第二种控制方式是恒电流控制[2]。这种控制方式通过调机风机驱动的大小来改变风量，反馈检测风机电流，以电流稳定在某一范围为目标进行反馈调节，从而实现风机风量稳定。对于这种控制方式，在外界环境变化时，由于风机的电流是恒定的，风机的电压是不变的，风机的输入功率其实是不变的，表现出来风机转速会自动增加，相比于恒转速控制，恒电流控制会有更好的环境适应性；但由于风机电子元器件的一致性差异，恒电流控制往往在正常环境下表现出转速不稳定不一致的现象，风量也会有轻微的差异。

2 混合风机控制理论

对于国内销售的燃气热水器，目前一般采用恒电流控制，因为其有着较好的烟道堵塞性能。但是针对欧标低氮型燃气热水器，由于基准气小负荷NOx与离焰气CO这两个相互矛盾的指标，NOx要求风量高一点好，CO要求风量低一点好，因此最小热负荷的风量满足要求的区间比较小，采用恒电流控制则会导致小负荷燃烧产物受风机一致性影响较大，目前有公开的一些手段是对风机进行在线标定和全检，但成本较高，且依然受环境温度影响[3]。

本文提出在小负荷段时采用恒转速控制，在中大负荷端采用恒电流控制[4]，这样就能够综合恒转速与恒电流的优点，在小负荷通过恒转速精准控制正常环境下的风量，在大负荷由于燃气量与空气量均变多，由于风机一致性导致的风量轻微变化对燃烧产物影响不大，同时恒电流又可以保证大负荷状态下非正常环境时拥有较好的抗风能力，即在烟道堵塞时，能够有较好的抗风能力。

为了提高小负荷段的抗风能力，增加以电流和转速对应关系检测为基础的烟道堵塞程度判断，当烟道堵塞程度去到比较严重的阶段时，主动的提高恒转速的目标转速从而保证燃烧的稳定性。在热水器的储存器中设置有堵塞特征值S，将堵塞程度分为几个等级，对应的也匹配有多组风机转速和风机电流值，是通过实验调试获得的对应堵塞程度下燃烧性能比较优秀的参数，分别记录在热水器主控制器程序中作为对应堵塞程度的预设值。S等于0时代表外界环境无堵塞，S值越大代表堵塞程度越严重，S值等于E时，代表热水器的风机能力已经达到极限。

当采用恒转速控制时，风机在某一个负荷点的控制逻辑如图2和图3。如果堵塞程度的增加，风机在一定范围内转速不变，电流减小。当电流减小到低于程序预设值的Ji倍时（Ji为程序可设定的参数，可取值0.95），认为风机需要主动加风，风机会主动提高到下一个预设的风机转速去运行。当风机转速加到nx-E时，风机能力达到极限，如果继续堵塞，则风机电流会继续下降，当下降到ix-P时，则可以停机保护；如果堵塞程度的减小，风机在一定范围内转速不变，电流增大。当电流增大到高于程序预设值的Ki倍时（Ki为程序可设定的参数，可取值为1.01），认为风机需要主动降风，风机会主动降低到上一个预设的风机转速去运行。当风机转速降到nx-0时，堵塞已经基本清除，无需再做降风。

图2 恒转速加风逻辑图

图3 恒转速加风路径示意图

3 实验验证

针对上述方案，对一台燃气热水器进行风量与热负荷的对应设计，并对最小热负荷采用恒转速控制，且增加了主动加风算法。对其在实际堵塞过程中的燃烧产物检测如表1，堵塞全过程CO与NOx均在可控范围内。可以看到在堵塞初期，风机转速基本不变，这样的好处是如果风机电子元器件存在一致性偏差，但是风机转速依旧能够稳定的控制住，对于小负荷的基准气NOx和离焰气CO的控制，有非常重要的意义。随着堵塞程度的增加，风机转速能够主动增加，保证燃烧的稳定安全，通过对电流的监控以及加风补偿，实现了小负荷的堵塞抗风压能力优秀的结果。

表1 最小负荷堵塞测试

4 结论

1）通过对燃气热水器的风机控制方式分析，对于低氮型燃气热水器的小负荷端采用恒转速控制方式，有利于消除由于风机电子元器件一致性不好而带来的转速不可控的问题。

2）通过对恒转速控制方式的风机电流进行监控，并结合转速与电流的关系，进行适当的自动加风，可以实现较好的堵塞抗风压性能。

3）对于出口欧盟的低氮型燃气热水器采用小负荷段恒转速大负荷段恒电流，是一种能够结合两种控制方式的优点，并利于生产一致性控制的解决方案。