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防止全预混冷凝式壁挂炉堵塞烟管CO超标的探讨

广东万和新电气股份有限公司 余浩伦



摘  要 随着人们生活水平的不断提高,节能环保意识也不断增强。然而,人们对壁挂炉的要求也不断提高。近年来,越来越多的国内企业都在推出各种全预混冷凝式壁挂炉机型来满足市场需求。堵塞给排气烟管检测CO浓度是全预混冷凝式燃气采暖热水炉的主要检测项目。本文就全预混冷凝式燃气采暖热水炉进行给排气烟管堵塞,防止燃烧产物CO浓度超标的若干方法进行介绍。

关键词 全预混冷凝式壁挂炉;风压开关;离子探针;空气过剩系数;离子电流值


1 引言

人类正在饱受资源紧张缺乏及气候变暖问题的时代,人类的生存和发展都在面临严峻的挑战,倡导低碳经济的生活是可持续发展的趋势,所以,开发高能效及低排放的产品必然成为一种趋势。欧洲在2015年后使冷凝式壁挂炉完全替代大气式壁挂炉,然而冷凝式燃气壁挂炉是高能效和低排放的产品,在节能、环保方面具有重要的意义。在壁挂炉行业发展中,冷凝式燃气壁挂炉是发展的方向,最终会代替普通壁挂炉。随着国内壁挂炉生产企业对全预混冷凝式壁挂炉技术不断提高,近年来,各企业都在推出各式各样的全预混冷凝式壁挂炉以满足冷凝式壁挂炉市场的需求,部分企业已经开始欧洲等海外市场的开发。而全预混冷凝式壁挂炉都是使用变频风机,采用机械式燃气/空气等比例控制技术,利用风压变化自动调节燃气流量技术,以实现实时燃气和空气监控及负荷调节,原理见图1。


由图1可知,将燃烧产物排放管道或空气进气口逐渐堵塞,空气流量下降,空气反馈给比例控制阀的空气压力随之变化,通过燃气/空气比例控制阀的自动调节,燃气流量随之下降,以维持燃气与空气流量比例的恒定,则烟道阻力不断增大时,负荷不断减小,火焰离子电流也不断减弱,直到火焰离子探针检测不到离子电流的反馈信号而关闭整个系统,起到熄火保护的作用,防止烟道阻力增大(或堵塞)出现燃烧恶化,导致的CO浓度超标。

根据以上原理,为了防止进行堵塞给排气烟管(图2)测试,CO浓度超标问题,本文将介绍以下几种方法。


2 防止堵塞给排气烟管CO浓度超标方法介绍

2.1 离子探针选择导电性能优越的材料

全预混冷凝式壁挂炉逐渐堵塞燃烧产物排放管道出口或空气进气口的方法进行测试。当进行堵塞时,负荷减少,火焰温度,离子电流过弱,主控制器检测不到足够强度的离子电流,从而关闭整个系统。

具有良好导电性(阻抗小)的火焰离子探针材料能体现出反馈信号的灵敏性。在烟管堵塞测试中,导电性能优越的火焰离子探针,反馈火焰的信号快,能迅速将燃气供应切断,更好地保证防止CO浓度超过0.1%。

在相同热负荷燃烧的情况下,逐渐堵塞燃烧产物排放管道出口(排烟管排气口)的方法进行模拟试验时,针对三种不同材料,相同形状尺寸的镍铬丝、康泰尔丝、STT丝的火焰离子探针进行了测试。

测试方法:堵塞给排气烟管的燃烧产物管道出口,剩余5%排气孔面积时,使壁挂炉正常运行,直至达到热平衡状态,记录离子探针的反馈电流值。然后逐渐堵塞排气孔剩余2%排气孔面积,同时记录反馈电流值的稳定值和直至稳定值所需的时间。同理,逐渐堵塞排气孔剩余0.5%排气孔面积,记录反馈电流值的稳定值和直至稳定值所需的时间。


测试得到的结果如表1所示。


从测试结果可以看出,STT丝材料的火焰离子探针在热态下的导电性能最好,火焰信号反馈灵敏度高,反应时间短,能在CO浓度超过0.1%之前,迅速将燃气供应切断。

2.2 增大火焰离子探针与燃烧器表面的距离

火焰离子电流的特点:

(1)单向性,即火焰具有整流的作用。

(2)电流强度与温度有关,随着火焰温度的增加,离子电流增加。

(3)与施加在火焰上的电压有关,即电压越高,离子电流越强。

(4)与在火焰中施加电压的两极形状有关,两电极面积差越大,则电流越大(灵敏度越高)。

然而越远离火焰,火焰温度就越低,则根据第二个特点,火焰离子探针与燃烧器的距离越远,火焰离子电流强度就越弱。因此只要在一定适用范围内,适当增加火焰离子探针与燃烧器的距离,就可使反馈电流适当减小。 

测试方法:采用康泰尔丝材料的火焰离子探针,堵塞剩余0.5%排气孔面积时,进行不同距离(火焰离子探针与燃烧器表面的距离)的对比实验。结果见表2。


由表2可知,同一负荷的情况下,火焰离子探针距离燃烧器越近时,火焰温度越高,反馈电流就越大,堵塞至0.5%排气孔面积时,CO值也越大。距离燃烧器8mm时,在CO浓度超过0.1%之前,将燃气供应切断。因此,根据机型自身的要求及结构特征,只要能保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断,可适当把火焰离子探针距离燃烧器的高度增加,调整到适当的位置。

2.3 适当增加最小功率的空气系数 

全预混冷凝式壁挂炉,对于过剩空气系数如下:


  式中:α——过剩空气系数;v——实际空气量;vo——理论空气量;O2——燃烧产物测得氧气含量,%。

测试方法:实验中选用康泰尔丝材料的火焰离子探针,首先把最大、小功率的空气系数调节到α≈1.3(即烟气O2值约为5%)左右,在此空气系数的条件下,堵塞给排气烟管至剩余0.5%排气孔面积,记录此时的烟气值及电流值。然后,通过加大最小功率的过剩空气系数到α≈1.6(即烟气O2值约为8%)左右,最大功率的空气系数不变。在此空气系数的条件下,堵塞给排气烟管至剩余0.5%排气孔面积,记录烟气值及电流值。

最大、最小功率的过剩空气系数调至到α≈1.3,堵塞给排烟管至剩0.5%排气孔面积,烟气值见表3。


适当将最小功率的过剩空气系数增加到α≈1.6,堵塞给排烟管至剩0.5%排气孔面积,烟气值见表4。


由表3、表4对比可知,适当加大最小功率的过剩空气系数,有利于保证在CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。

2.4 增加风压开关 

在很多结构情况下,都难以保证空气进气通道系统完全密封,所以即使完全堵塞空气进气口,在其他的钣金件的配合间隙存在空气泄入,得到空气的供应,使壁挂炉保持低负荷燃烧。但在长时间的燃烧过程中,会使燃气/空气等比例控制失去平衡,容易出现不完全燃烧而导致烟气超标现象。为此,应在空气进气通道系统中增加一个常闭式风压开关,见图3。



由图3及表5、6可知,在空气进气通道系统中增加一个常闭式风压开关(根据实际机型系统产生的气压力选择风压开关型号),风压开关的HI端通往大气,LOW端通往空气进气通道系统。正常状态下,弹簧、弹片将触点顶到常闭端子,当堵塞空气进气口时,空气进气通道气压P1负压值增大,风压开关的薄膜向右移动,作用在微动开关按擎上的作用力减少,微动开关按擎也向右移动,开关触点与常闭端子断开,与常开端子接通。此时,PCB主控制板接收的信号由高电平信号变成低电平,判定烟管被堵塞,将燃气供应切断。


同理,在烟气排放通道系统中增加一个常闭式风压开关,可以防止在堵塞燃烧产物管道出口时,风压开关的HI端通往烟气排放通道系统,LOW端通往空气进气通道系统。正常状态下,弹簧、弹片将触点顶到常闭端子。当堵塞燃烧产物管道出口时,燃烧产物管道气压正压值增大,风压开关的薄膜向右移动,作用在微动开关按擎上的作用力减少,微动开关按擎也向右移动,开关触点与常闭端子断开,与常开端子接通,此时,PCB主控制板接受的信号由高电平信号变成低电平,能及时做出响应,保证CO浓度超标前将燃气供应切断。 

2.5 适当增大PCB主控制板的熄火保护离子电流设定值

当火焰离子探针的材料,探针与燃烧器表面的距离都一定时,各负荷火焰对应的离子电流值都基本确定。根据机型结构特征及燃烧状况,可测得CO浓度超标前的离子电流临界值,假设值为1A。如PCB板将熄火保护离子电流值设定为0.5A,则CO浓度超标后,离子探针还能检测到火焰反馈信号,使得堵塞测试不符合要求。如适当把PCB板的熄火保护离子电流值调整为1.2A,则在CO浓度超标前,离子探针检测不到火焰反馈信号,将熄火保护,保证CO浓度超标前将燃气供应切断。


3 结语

(1)火焰离子探针选取导电性能较好的材料,有利于堵塞排烟管,火焰离子探针能迅速反馈离子电流信号,使主控制器在燃烧恶化前能迅速关闭整个燃烧系统,从而保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。

(2)适当增大火焰离子探针与燃烧器表面的距离,有利于保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。

(3)适当增加最小功率的过剩空气系数,有利于保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。

(4)在空气进气系统中,增加一个常闭型风压开关,有利于堵塞给排气烟管进气口时,保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。

(5)适当增大熄火保护的反馈离子电流设定值,保证CO浓度超过0.1%之前将燃气供应切断。


参考文献

[1] EN 483:1999《燃气中央采暖锅炉 额定热输入小于等于70kW的C型锅炉(采暖热水炉)》.

[2] EN 15502:2012《燃气中央采暖锅炉 额定热输入小于等于70kW的C型锅炉(采暖热水炉)》.

[3] 郭全.燃气壁挂锅炉及其应用技术.北京:中国建筑工业出版社,2008.


主编点评:

堵塞给排气烟管检测CO浓度是燃气采暖热水炉(壁挂炉)的主要检测项目,本文就全预混冷凝式燃气采暖热水炉进行给排气烟管堵塞防止燃烧产物CO浓度超标的若干方法进行介绍。五种不同方式方法对于烟气中CO浓度的影响,对于冷凝式壁挂炉设计有指导意义。这一类基础性的研究是我们需要提倡和深入研究的方向,值得大家学习。万和在这方面做得非常好!值得大家学习!


 
 


  
 
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