燃气空气比例调节器工况分析.docx
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燃气空气比例调节器工况分析
燃气空气比例调节器工况分析
论文作者:
金志刚娄承芝
发表时间:
2004年11月25日
引言
根据目前国内外研究表明,全一次空气预混燃烧方法是提高热效率、降低污染(同时降低烟气中CO与NOx的含量)的最好的燃烧方法。
而燃气空气比例调节器又是开发全一次空气预混燃烧器的关键技术之一。
在燃气空气比例调节器能量分析(参1)一文中已经比较详细地分析了燃气空气比例调节器(包括不同的燃气压力调节控制方案)的各种能量因素的互相关系以及需要的空气压力。
但是在实际工作中,比例调节器是在动态的情况下工作的。
首先负荷是根据工艺要求随时在变化的,另外调节器的背压、空气的温度、燃气调压器的工作点等等都会在工艺过程中有所改变。
但是,为了保证燃烧工况的稳定,要求燃气量与空气量的比例在任何条件下保持恒定。
为此就要求分析燃气空气比例调节器在各种工况下的工作稳定性,也就是说要对在不同工况条件下燃气空气混合比的变化率进行量的分析。
在设计时要根据设计对象的要求、燃气压力、燃气调压器的性能决定合理的方案,同时还要考虑使调节器在预计变动的工况条件下,产生的比例变化(误差)在允许范围内。
这就是这篇文章的主要内容。
本文是参1的续篇,采用的符号与参1相同。
一影响混合比的因素分析
燃气与空气的混合比可以用一次空气系数(或过剩空气系数)α表示,同时也可以通过空气与燃气在截面1处速度变化来衡量(见参1的图1)。
图1
调节器在实际工作中负荷、背压、环境温度以及燃气调压器的调节误差等因素都要影响燃气与空气的混合比,为了保证燃气与空气的比例在允许范围内波动,必需对各项影响因素具体分析。
根据参1的约定:
实际应用中,主要是用空气引射燃气。
在全一次空气预混条件下,空气量比燃气量大10倍多。
可以认为燃气与空气的混合物的密度与空气密度近似相等。
这样根据参1的能量分析,不考虑气体的可压缩性时,喷嘴的阻力可写成[见参1(15)式]
φ3为扩压管的阻力系数,是针对入口速度的。
扩压管的压力损失为(1-φ23)n2W2cρc/2。
设Wan代表在额定负荷下,空气在喷口处的速度,并且用下标n代表在额定负荷下各种参数,这样在额定负荷条件下的空气速度为
式(9)表示了不同参数对燃气空气混合比变化率的影响关系。
式中的dHgn是在设计时决定的额定负荷时的燃气压力降,此值包括燃气调压器出口到空气喷嘴出口断面的总压力降。
很明显dHgn越大,实际工作时的α值越接近原定的设计值αn。
这就是说燃气与空气比值稳定。
在燃气进入引射器前加一阻力时,可以增加dHgn值。
为此通常在燃气调压器后,进入引射器前设一个调节阀T,其阻力G可以控制dHgn值。
根据过去苏联学者的介绍,设计温度为20℃时,实际空气温度有10℃变化到30℃时,燃气空气混合比变化率不超过1.8%。
当空气预热时,变化率可能达到5%。
一般情况下,在工程上可以略去温度影响。
对于工艺要求严格的地方,应设置恒温装置。
二燃气调压器误差对混合比例变化的影响
实践证明燃气调压器的工作精度对燃气空气混合比变化率影响很大。
因此要求分析燃气调压器的误差对混合比变化率的具体影响,此影响与调压器控制方案有关系,应分别进行分析。
1.等压方案
燃气调压器在额定负荷条件下,调节dHgn值达到设计值。
当工况发生变化时,调压器发挥作用,令Hg=Ha.但是任何调压器均有一定误差,结果会引起燃气空气的比例变化。
图5
从图5可见,在燃气调压器出口与引射器入口之间,加一个阀门T。
调节阀门T可以使在额定负荷下的dHgn值等于设计值。
由于天然气的理论空气需要量Vo值很大,可以认为
(10)式等号的右边的dpc,dpg都与Wc的动压头有关,详见参1中dpc,dpg的公式。
又由于天然气的理论空气需要量Vo很大,Wa接近Wc,同时Wp也几乎与Wc相等,可见(Ha-∑h)值与混合物速度Wc的动压头成正比,这样(Ha-∑h)值与额定负荷时的值(Han-∑hn)的比值可写成
式中δHg为燃气调压器的误差。
将上式代入(9)式,由于是等压控制方案(图5),Ha=Hg,可得
2.等阻方案(图6)
等阻方案条件下,燃气调压器出口压力Hgn=∑hn,同时考虑调压器有±δHg的误差时,在非额定负荷时
Hg=∑h±δHg,这样可以得到与等压方案相同的结果
图6
图7
3.0压方案(图7)
在0压方案条件下,燃气调压器皮膜上方空间与大气相通时额定负荷下,保证调压器出口压力Hgn=0。
在其非额定负荷下,由于调压器的误差出口压力为δHg.根据(9)式可得
根据以上分析,燃气调压器的误差对燃气空气比例变化的影响还是很大的,西方厂家生产的比例调节器中对燃气调压器做得很讲究,一般都采用间接调压以提高精度。
三各种控制方案的稳定压力降
当燃气调压器的误差确定后,就可以根据工艺要求与燃气调压器控制方案求出需要的稳定压力降。
1.0压方案
在0压方案条件下,根据(13)式可求在等压方案条件下的稳定压力降,即额定负荷下的燃气压力降dHgn
2.等压与恒阻方案
对于等压与恒阻的方案,燃气与空气的混合比变化率都用(12)式表示,即
根据以上分析,可以根据不同的控制方案计算出满足要求的稳定压力降。
小结
1.当燃烧装置的背压很小,几乎是0时,可以考虑采用0压方案。
这与等阻方案很相似。
但是也要设置稳定阻力。
2.稳定阻力很重要,要根据燃气压力、空气压力及在不同工况作时背压的变化、以及采用的控制方案具体分析与计算。
3.调压器的精度对混合比变化率有一定影响,设计时要给以足够的注意。
最近西方进口的燃气空气比例调节器,多采用比较精细的间接调压器,再加上工艺精湛,所以调节精度较高。
实践上根据国内的条件,完全可以开发出同样的产品。
4.参1与本文已将燃气空气比例调节器的基本构造、原理、设计原则与计算方法阐述清楚,可供全预混空气燃烧器设计应用,也可以为开发燃气空气比例调节器参考。
5.文章中阻力计算方法及其选用的系数应该通过实验分析决定。
参考文献:
1.燃气空气比例调节器的能量分析金志刚等中国城市燃气学会论文2001.11家用燃气具2002.5
2.全预混空气燃烧方法的技术途径金志刚等家用燃气具2001.2
3.提高燃气热水器热效率途径————冷凝式热水器金志刚等家用燃气具1999.5
(本文作者:
金志刚娄承芝 天津大学)
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