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全预混燃烧系统预混腔选型对比测试研究

发布人:供暖信息网 2020/09/17 161 文章来源:

摘要:本文以模拟开发一款 28kW 的全预混冷凝锅炉为目标,对预混腔进行选型,分别测试了不同口径预混腔在同一锅炉上的性能表现,考察了锅炉在不同小负荷状态下的稳定性,通过对不同口径预混腔的性能对比,   给出预混腔选型的建议。 

关键字:预混腔、调节比、小负荷稳定性、全预混

  

1 概述:

随着全球各国节能减排政策的推行,对燃气采暖炉有了更高的能效要求和排放要求,全预混式冷凝炉技   术应运而生,成为全球整机生产商的不二选择。中国的全预混冷凝技术开始得晚,发展相对也慢一些。本文   旨在通过一些对比测试给大家在全预混冷凝开发过程中提供一些参考; 

全预混式燃烧结构与传统的大气式燃烧结构有很大差异,全预混燃烧是燃气在燃烧前与一定的空气进行充分混合,在燃烧的过程中不需要二次空气的燃烧方式,也可理解为全预混燃烧是一个相对密闭的燃烧环境,   在燃烧过程中,特别是在负荷变化过程中始终保证燃气与空气的混合比例恒定,这是保证稳定、高效以及低排放的先决条件,因此,这对我们空气/燃气比例控制系统就有了更高的要求,而空气/燃气比例控制系统中预混腔的结构与尺寸是决定预混效果的重要因素之一。

 

2 配置选型说明

在设计研发过程中需要开发不同负荷的采暖炉,以满足不同客户群体的需求,那么对于不同负荷的锅炉   其使用的预混腔是有差异的,推荐的预混腔尺寸不一定完全适用,加之市场上热交换器种类繁多,这就需要对整机进行大量的匹配测试来选择合适的预混腔,从而实现全预混燃烧系统的最佳燃烧状态。

本文,基于开发一款额定热负荷为 28kW 两用采暖炉,通过大量的匹配试验数据,分析不同口径预混腔的性能差异,期望能给广大整机的研发工程师在预混腔选型的过程中提供一些建议和帮助。

 

3 实验

3.1 实验仪器 

 

表 1 实验仪器 

序号 

实验仪器 

品牌 

1

烟气分析仪

Siemens

2

整机测试台

Microplan

3

压差计

GE

4

燃气流量计

TF servizi

5

大气压力计

Delta OHM

6

温度传感器

TRAFAG

7

频闪仪

Rheintacho

 


3.2 实验内容 

3.2.1 实验条件 

 

表 2 实验条件 

序号 

控制条件 

控制范围 

1

燃气种类

12T 天然气 34.3MJ/m³

2

出水温度

70±2℃

3

回水温度

50±2℃


3.2.2 实验配置 


表 3 实验配置 

序号 

配置名称 

配置类型 

1

气阀

西特 848 气动式比例阀

2

风机

西特 NG40m(匹配不同口径预混腔)

3

热交换器

某品牌 28kW 盘管式热交换器

4

燃烧器

某品牌 30kW 燃烧器

5

点火控制器

西特 579DBC

6

搭建平台

迈克普兰测试平台

7

烟管

φ60mm*1m

8

弯头

φ60mm*90°

 

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图 1 实验配置实物 

 

3.2.3 实验方法 

本文所有的匹配试验都是基于表 1 的仪表,表 2 的试验条件和表 3 的配置,唯一更换的仅仅是不同尺寸的预混腔,如图 2 所示,额定热负荷维持 28kW,通过下面一系列匹配测试,寻找合适的风机转速,确认可接受的最小热负荷。


202009171446390275350.png

图 2 不同口径预混腔 

 

1)基于目标额定热负荷,选择合适的最大风机转速;调节燃气阀空燃比螺钉实现额定热负荷下的目标   CO2 水平;

2)降低风机转速至偏小风机转速,调节气阀偏移值螺钉实现小热负荷下的目标 CO2 水平;

3)逐渐降低风机转速,重复试验 2,得到若干个不同的热负荷;

4)以 CO2%/△Pa 的水平作为参考,在可接受的 CO2%/△Pa 水平下,确定系统可实现的最小负荷。

5)改变其它尺寸的预混腔,重复以上测试。

 

4 试验数据对比分析

4.1 预混腔对最大风机转速的影响 


通过匹配数据的分析,我们得到:不同口径的预混腔与相应的最大风机转速的关系,如图 3 所示:

 

202009171447270228847.png

图 3 预混腔直径 VS 最大风机转速

 

额定热负荷一定,所需要的空气流量是相对恒定的,大约在 35.9m3/h,从图 3 我们不难发现:不同口径的预混腔要达到同样的空气流量所需要的风机转速有所不同,当预混腔口径越来越小时,相应的风机转速   越来越大。

当预混腔口径变小时,要满足同样的空气流量,其空气流速必然增加,根据以下公式可以大致计算出预   混腔内截面的空气流速:

 

202009171447460233688.jpg                                     (1)

 

式中 V air——通过预混腔空气流速;

        Q air——维持 28kW 燃烧所需要的空气量;

        d——预混腔的内径;

 

     由此,我们可以得到下面这张图,预混腔口径与空气流速的关系:


202009171448240228572.png

图 4 预混腔直径 VS 预混腔空气流速

 

从图 3 和图 4 可以看出,随着预混腔尺寸的减小,风机转速和空气流速都在提高,这两个因素的同时作用导致整机的噪音有明显增高。



4.2 预混腔对调节范围的影响 

在锅炉整个控制调节过程不中,不光是满足大负荷燃烧状态,还要考虑小负荷的燃烧状态,小负荷到底   能做到多大?可以无限降低么?做到多大才足够稳定呢?我们在研发的过程如何考量呢?


202009171449130240342.png

图 5 不同偏移值下燃气压力和空气信号的对应关系

 

在小负荷状态下,通过调节比例阀的偏移值螺钉,将负荷状态下烟气的 CO2%调整到目标 CO2 水平。偏移值(Offset)主要体现的是空气信号压力和稳压调节后的燃气压力的关系,如图 5 所示,它们之间的关系如下:


Offset = Pgas – Pair (2)

 

式中 Offset——偏移值;

        Pgas——燃气压力;

        Pair——空气信号压力;

为了考查小负荷的稳定性,本文引入了一个参考量:CO2%/△Pa,它是指偏移值(Offset)每变化 1 Pa, 相应的 CO2%变化量,这个参数反映了偏移值的变化对燃烧工况的影响,这个值越高,系统稳定性越好,相反, 这个值越低,系统越不稳定,稍有风吹草动,客户就得打服务热线了。 

我们的试验数据发现,随着负荷的不断减小,CO2%/△Pa 会越来越大,这就意味着当负荷越来小时,偏移值的变化对 CO2 的影响越来越大,系统越来越不稳定。

当我们将最小负荷下的 CO2%/△Pa 都控制在可接受范围内时,我们可以得到不同预混腔对调节范围的影响,如图 6 所示: 


202009171450220256139.png

图 6 风机转速 VS 负荷

 

从图 6 可以看出,当预混腔的口径较小时能够达到的最小负荷相对较小。当预混腔口径较大时风机带入的空气量较大,而此时作用在燃气阀出口的吸力相对较小,所以在风机转速较低的状态下,风机主要气流   都是从预混腔空气口吸入,就没有足够的吸力去引射燃气,造成空燃比不够稳定;因而,能够实现的稳定的   最小负荷相对较大。

从图 6 还可以看出,预混腔的口径越小,图中对应的曲线越长,这个曲线的长短直接反应了锅炉的调节比,也就是说在一定的负荷范围内预混腔口径越小越有利于提高锅炉的调节比。 

 

5 结论

通过对不同口径的预混腔来实现同一负荷的对比测试结果,得出结论如下:

1.在口径不同的情况下,要实现相同的最大负荷,小口径的预混腔需要的风机转速相对较高,同时   随着孔径的减小截面风速也会相应的增加,转速和风速同时作用,相应的噪音水平也会提高;  

2.如果将不同口径预混腔最小负荷状态下 CO2%/△Pa 控制在同一水平,那么预混腔口径越小所能达到的最小负荷会越小;                                                                 

3.在不考虑噪音情况下,实现相同最大负荷,口径小的预混腔在一定的负荷范围内能够实现的调节比相对较大;

 

参考文献

【1】 中华人民共和国国家监督检验检疫局. GB25034-2010 燃气采暖热水炉【S】. 北京:中国标准出版社,2010.

【2】 中华人民共和国国家监督检验检疫局,中国国家标准化管理委员会.GB 6932-2015 家用燃气快速热水器【S】.北京:中国标准出版社.2015.

【3】 郭权. 燃气壁挂锅炉及其应用技术【M】. 北京:中国建筑工业出版社,2008.

 

 

杨雨鑫,凌娟,张劢

(西特燃气控制系统制造(苏州)有限公司,江苏苏州 215000) 

 


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