预混气体燃烧器的操作方法、预混气体燃烧器和锅炉
阅读说明:本技术 预混气体燃烧器的操作方法、预混气体燃烧器和锅炉 (Method for operating a premix gas burner, premix gas burner and boiler ) 是由 马可·达尔·加佐 塞巴斯蒂安诺·坦佩拉托 于 2020-03-25 设计创作,主要内容包括:一种操作预混气体燃烧器的方法,其中,控制空气流量和/或燃料气体流量,以便根据热需求相关值用所述预混燃烧器产生热量。燃料气体包括氢气,并且该方法还提供了空气/燃料气体混合物的所需空气过剩系数关系,该关系定义了所需空气过剩系数与输入变量例如热需求相关值、空气流量相关值或燃料气体流量相关值之间的关系。所需的空气过剩系数不是恒定的系数,而是随不同的输入变量值而变化。控制燃料气体流量和/或空气流量使得实际空气过剩系数在满足热需求的同时朝着所需空气过剩系数收敛。(A method of operating a premix gas burner, wherein the air flow and/or the fuel gas flow is controlled so as to generate heat with said premix burner according to a heat demand related value. The fuel gas includes hydrogen and the method further provides a desired air excess coefficient relationship for the air/fuel gas mixture that defines a relationship between the desired air excess coefficient and an input variable, such as a heat demand related value, an air flow related value, or a fuel gas flow related value. The required air excess factor is not a constant factor but varies with different input variable values. The fuel gas flow rate and/or the air flow rate are controlled such that the actual air excess coefficient converges toward the required air excess coefficient while satisfying the heat demand.)
技术领域
本发明涉及一种预混气体燃烧器的操作方法、一种预混气体燃烧器和包括该预混燃烧器装置的锅炉。
背景技术
WO 2006/000366旨在提供一种简化的方法,该方法用于对燃烧装置进行与燃料无关的调节,并可靠地保证燃料供应不受气体类型的影响,即使在快速的负载变化和启动阶段,也没有任何时间延迟,并公开了一种预混气体燃烧器的操作方法。该已知方法包括:
-提供具有燃烧器平台的预混气体燃烧器;
-获取热需求相关值;
-供应燃料气体流并且供应空气流以形成混合物;
-将所述混合物供应给所述预混气体燃烧器,使其混合物燃烧;
-根据获取的热需求相关值,控制以下至少一项:
·空气流量,和
·燃料气体流量
以便根据获取的热需求相关值,用预混燃烧器产生热量。
WO'366还公开了一种预混气体燃烧器。该已知装置包括:
-具有燃烧器平台的预混气体燃烧器;
-用于向所述预混气体燃烧器供应可燃混合物的供应通道;
-用于向所述供应通道供应空气或可燃混合物的风扇;
-燃料气体供应器,其包括燃料气体控制阀,用于向所述供应通道供应燃料气体;
-混合区,用于混合所述空气和所述燃料气体,以形成所述可燃混合物;以及
-电子控制器,用于控制所述风扇的转速和所述燃料气体控制阀。
根据WO'366,所述燃烧器是通过测量所述预混燃烧器的燃烧器平台的温度,通过将实际的燃烧器平台温度与所需的温度进行比较,以及通过控制供应给燃烧器的燃料量来操作的。所需的温度是燃烧器负载(Q)的函数。所述燃烧器的负载是通过测量供应给所述燃烧器的空气的体积流量或质量流量来确定的。在操作所述预混燃烧器时,空气过剩系数保持不变。空气过剩系数λ被定义为混合物的实际空气与燃料比率与化学计量空气与燃料比率的比率。
空气过剩系数小于1意味着没有足够的空气让所有燃料气体燃烧,这意味着燃料气体被浪费了,并通过烟道以有毒的一氧化碳(CO)排放出未燃烧或部分燃烧的气体。这降低了集中供热锅炉的效率。此外,火焰温度可能变得过高,导致高氮氧化物(NOx)排放。空气过剩系数高意味着空气过多,这些空气在燃烧过程中被加热,由于露点较低,导致热空气和未凝结的水蒸气通过烟道离开。这也降低了锅炉的效率。根据WO'366,空气过剩系数在整个操作条件范围内,即在燃烧器的整个负载范围内,保持不变。
EP2362145A2旨在提供一种方法,该方法用于操作使用燃料的空气过剩系数控制燃烧的燃烧器,以及对燃烧器输出Q的空气过剩系数控制调制的燃烧器,它表示在宽输出调制范围内对空气过剩系数控制,并且不需要多个需要调整的单独修正的系数。为了实现这一目标,EP'145公开了一种在可用的输出调制范围内的操作点校准和空气过剩系数调节,用于操作具有燃料空气控制燃烧的燃烧器和用于燃烧器输出Q的空气调节调制,通过改变由燃烧空气量和燃料量组成的参数组的第一参数,当参数组的第二参数保持不变时,将第一参数调整到电离信号达到最大值的数值。然后在第一参数保持不变的同时改变第二参数,并且将第二参数调整为电离信号达到最大值的一个分数,其中,该分数为电离信号最大值与小于1的预定系数的乘积。
发明内容
气体燃烧器通常被控制以响应热量需求,或燃烧器负载。它们被配置为使得热量输出与所需的燃烧器负载相匹配。每个气体燃烧器都有一个最大的热输出,即功率,以及相应的燃烧器负载的工作范围。
每单位时间内投入锅炉的势能与燃料气体的流量(flow rate)成正比,其中,所述流量被定义为每单位时间进入气体燃烧器的燃料气体的质量或体积。流量与集中供热锅炉的热输出呈正相关关系,在其整个工作范围内效率恒定的情况下,热输出与流量成正比。然而,这种效率受到燃料气体和空气的比例以及废气温度的影响。
此外,从燃烧器平台流出来的混合物的速度只能在一定限度内变化。这些限度是由火焰速度决定的,火焰速度被定义为燃烧反应中火焰前沿的测量膨胀率。当混合物的速度小于火焰速度时,火焰将沿上游方向横移,也就是朝向燃烧器平台移动,甚至穿过燃烧器平台进入燃烧器,造成所谓的回火(flashback)。回火可以由例如混合物中气体燃料与空气比例的变化,气体燃料成分的变化,或燃烧室中压力的变化而引发,例如,由风或其他自然原因造成的烟道出口处的压力下降引起。回火也可能由燃烧器表面的局部高温引发。
当混合速度变得过高并超过所谓的吹脱(blow-off)速度时,可能会发生吹脱,这意味着火焰被吹离燃烧器平台,其结果是火焰熄灭或遭受不完全燃烧。混合物的速度需要控制在火焰速度和吹脱速度之间。
传统的气体燃烧器,例如集中供热锅炉,被优化为燃烧天然气,这是一种主要由甲烷(CH4)组成的燃料气体。由于全球变暖的讨论,正在研究取代天然气作为气体燃烧器燃料。其中一个解决方案是使用氢气(H2)作为燃料气体。然而,使用氢气作为燃料气体会带来新的挑战。尽管WO'366声称其方法可以实现独立组成的燃料气体的有效调节,但是WO'366的方法对于包含氢气的燃料气体的气体燃烧器而言并非最佳选择。主要的缺点是,WO'366的方法没有考虑到回火问题,而当燃料气体包含氢气时,回火更容易发生。由于氢气空气混合物的层流火焰速度(以下简称火焰速度)比甲烷空气混合物的火焰速度高七倍左右,所以更容易发生回火。
因此,本发明的一个目的是提供一种操作预混气体燃烧器的方法,例如用于加热集中供热水和/或自来水的锅炉,其中,燃料气体包括氢气,并且其中,气体燃烧器的空气流量可以在很大范围内进行调节,从而降低回火和/或燃烧器平台温度过高或过低的风险。
为此,本发明提供了根据权利要求1的方法。更具体地,本发明提供了一种方法,包括:
-提供预混气体燃烧器,所述预混气体燃烧器具有带有燃烧器平台的燃烧器壳体;
-获取热需求相关值;
-供应燃料气体流以及供应空气流以形成混合物;
-将所述混合物供应给所述预混气体燃烧器,使所述混合物燃烧;
-根据获取的所述热需求相关值,控制以下至少一项:
·空气流量,和
·燃料气体流量,
以便根据获取的所述热需求相关值,用所述预混燃烧器产生热量。
根据本发明,该方法的特征在于:
-所述燃料气体包括氢气;以及
其中,所述方法还包括:
-提供所述混合物的所需空气过剩系数关系,所述关系定义所需空气过剩系数与选定的输入变量之间的关系,其中,所述输入变量是以下参数之一:
·所述热需求相关值;
·所述空气流量的相关值,其指示空气流的流量;或
·所述燃料气体流量的相关值,其指示实际燃料气体流量,
其中,所述所需空气过剩系数不是恒定的系数,而是随不同的输入变量值而变化,
其中,所述所需空气过剩系数被定义为所述混合物的所需空气与燃料气体比率相对于所述化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-确定所述输入变量的实际值;
-确定实际空气过剩系数,其中,所述实际空气过剩系数被定义为所述混合物的实际空气与燃料气体比率相对于所述化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-控制所述燃料气体流量和/或所述空气流量,使得:
·所述实际空气过剩系数向属于所述输入变量的实际值的所需空气过剩系数收敛;以及
·所述预混燃烧器产生的热量与所述获取的热需求相关值保持一致。
此外,本发明提供了一种根据权利要求26的预混气体燃烧器。所述预混气体燃烧器包括:
-具有燃烧器平台的燃烧器壳体;
-供应通道,用于向所述预混气体燃烧器供应可燃混合物;
-风扇,用于向所述供应通道供应空气或所述可燃混合物;
-燃料气体供应装置,包括燃料气体控制阀,用于向所述供应通道供应燃料气体;
-混合区,用于混合所述空气和所述燃料气体,以形成所述可燃混合物;以及
-电子控制器,用于控制所述风扇旋转速度和所述燃料气体控制阀;
根据本发明的预混燃烧器特征在于,所述电子控制器包括存储器,其存储所述混合物的所需空气过剩系数关系,所述关系定义了所述所需空气过剩系数与选定的输入变量之间的关系,其中所述输入变量是以下参数之一:
·热需求相关值;
·所述空气流量的相关值,其指示空气流的流量;或
·所述燃料气体流量的相关值,其指示实际燃料气体流量,
其中,所述所需空气过剩系数不是恒定的系数,而是随所述输入变量的不同值而变化,
其中,所述所需空气过剩系数被定义为所述混合物的所需空气与燃料气体比率相对于所述化学计量空气与燃料气体比率的比率;
其中,所述电子控制器被配置为:
-确定所述输入变量的实际值;
-确定实际空气过剩系数,其中,所述实际空气过剩系数被定义为所述混合物的实际空气与燃料气体比率相对于所述化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-控制所述燃料气体流量和/或空气流量,使得:
·所述实际空气过剩系数向属于所述输入变量实际值的所需空气过剩系数收敛;以及
·所述预混燃烧器产生的热量与所述获得的热需求相关值保持一致。
在根据本发明的方法的一个实施例中,所述“提供所述混合物的所需空气过剩系数关系(λd(I)),所述关系定义了所需空气过剩系数和选定的输入变量(I)之间的关系”可以通过将所述所需空气过剩系数存储在电子控制器的存储器中来实现。在该方法的一个实施例中,“控制所述燃料气体流量(FG)和/或所述空气流量(F),使得:……”可以通过所述电子控制器来实现。
本发明还提供了根据权利要求35所述的用于加热水的锅炉,例如用于集中加热和/或用于自来水加热。更具体地,所述锅炉包括根据本发明的预混气体燃烧器,以及具有燃烧室的热交换器。所述预混气体燃烧器的燃烧器平台位于所述燃烧室中。
本发明基于这样的认识,即包含氢气的燃料气体具有比甲烷的火焰速度更高的火焰速度,因此也有更高的吹脱速度。因此,可以增加空气过剩系数,而不会立即出现吹脱的危险。根据本发明,对于所有的空气流量,即燃烧器负载,没有必要为了减少回火而增加空气过剩系数。因此,相对于WO'366的解决方案,效率得到了提高,在WO'366的方案中,对于所有空气流量,空气过剩系数都保持不变。在更高的负载下,即更高的空气流量下,由于更高的混合速度,发生回火的机会更小。因此,在更高的空气流量下,空气过剩系数可能较小,因此相对于燃料气体的量需要更少的空气,并且更少的热量通过烟道离开锅炉。在较低的空气流量下,空气过剩系数会增加,以减少回火的风险。在较低的负载下,这种空气过剩系数的增加是可能的,因为对于氢气而言,由于火焰速度比天然气的高,所以发生吹脱的风险较小。
因此,通过控制燃料气体流量和/或空气流量,使预混燃烧器产生的热量与获得的热需求相关值保持一致,并且实际空气过剩系数向向属于输入变量的实际值的所需空气过剩系数收敛,即热需求相关值、空气流量相关值或燃料气体流量相关值,减少发生回火的机会,同时预混燃烧器的效率高。
本发明及其进一步的实施例将参照图中所示的示例进一步阐明。这些实施例可以结合在一起,也可以彼此分开应用。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的锅炉的示例;
图2示出了空气流量/空气过剩系数图,其中,示出了根据本发明的工作曲线的示例;
图3示出了根据本发明的示例的对气体燃烧器的控制的示意图;
图4示出了根据本发明的另一个示例的气体燃烧器的控制的示意图。
具体实施方式
在本申请中,相似或对应的特征由相似或对应的附图标记表示。对各实施例的描述并不限于图中所示的示例,并且在详细描述和权利要求中使用的附图标记并不是为了限制对实施例的描述,而是通过参考图中所示的示例来阐明实施例。
一般地,本发明涉及一种操作预混气体燃烧器12的方法。该方法包括:
-提供预混气体燃烧器12,其具有带有燃烧器平台24的燃烧器壳体;
-获取热需求相关值Q;
-供应燃料气体流以及供应空气流以形成混合物;
-将混合物供应给预混气体燃烧器12,使混合物燃烧;
-根据获取的热需求相关值Q,控制以下至少一项:
·空气流量,和
·燃料气体流量,
以便根据获取的热需求相关值Q,用预混燃烧器12产生热量。
该方法的特点在于燃料气体包括氢气(H2);以及该方法中还包括:
-提供混合物的所需空气过剩系数关系λd(I),该关系定义所需空气过剩系数与选定的输入变量I之间的关系,其中,输入变量I是以下参数之一:
·热需求相关值Q;
·空气流量的相关值F,其指示空气流的流量;或
·燃料气体流量的相关值FG,其指示实际燃料气体流量,
其中,所需空气过剩系数λd(I)不是恒定的系数,而是随不同的输入变量值I而变化,
其中,所需空气过剩系数λd(I)被定义为混合物的所需空气与燃料气体比率相对于化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-确定输入变量I的实际值Ia;
-确定实际空气过剩系数λa,其中,实际空气过剩系数λa被定义为混合物的实际空气与燃料气体比率相对于化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-控制燃料气体流量FG和/或空气流量F,使得:
·实际空气过剩系数λa向属于输入变量的实际值Ia的所需空气过剩系数λd(I)收敛;以及
·预混燃烧器产生的热量与获取的热需求相关值Q保持一致。
本发明还提供了一种预混气体燃烧器,包括:
-具有燃烧器平台24的燃烧器壳体;
-供应通道30,用于向预混气体燃烧器12供应可燃混合物;
-风扇34,用于向供应通道30供应空气或可燃混合物;
-燃料气体供应装置42,包括燃料气体控制阀36,用于向供应通道30供应燃料气体;
-混合区38,用于混合空气和燃料气体,以形成可燃混合物;以及
-电子控制器26,用于控制风扇34旋转速度和燃料气体控制阀(36);
该预混气体燃烧器的特点在于电子控制器26包括存储器,其存储混合物的所需空气过剩系数关系λd(I),关系定义了所需空气过剩系数与选定的输入变量I之间的关系,其中输入变量I是以下参数之一:
·热需求相关值Q;
·空气流量相关值F,指示空气流的流量;或
·燃料气体流量相关值FG,指示实际燃料气体流量,
其中,所需空气过剩系数λd(I)不是恒定的系数,而是随输入变量I的不同值而变化,
其中,所需空气过剩系数λd(I)被定义为混合物的所需空气与燃料气体比率相对于化学计量空气与燃料气体比率的比率;
其中,电子控制器26被配置为:
-确定输入变量I的实际值Ia;
-确定实际空气过剩系数λa,其中,实际空气过剩系数λa被定义为混合物的实际空气与燃料气体比率相对于化学计量空气与燃料气体比率的比率;
-控制燃料气体流量FG和/或空气流量F,使得:
·实际空气过剩系数λa向属于输入变量I实际值Ia的所需空气过剩系数λd(I)收敛;以及
·预混燃烧器12产生的热量与获得的热需求相关值Q保持一致。
混合区38可以包括混合装置40。混合装置40可以实施为具有如图1中示意性指示的喉部的文丘里管(venturi)。混合装置40也可以实施为其他方式。混合区38可以由供应通道30(的一部分)形成。例如,供应通道30的位于燃料气体供应装置42与供应通道30连接点的下游的部分。当燃料气体供应装置42从风扇34上游连接到供应通道30时,混合区也可以包括风扇34。
本发明还提供了一种用于加热水的锅炉10,例如用于集中加热和/或自来水加热。从图1所示的示意性示例中可以看出,锅炉10包括根据本发明的预混气体燃烧器12和具有燃烧室13的热交换器11。预混气体燃烧器12的燃烧器平台24位于燃烧室13中。
所述方法、预混气体燃烧器和锅炉10的效果和优点已经在发明内容部分进行了描述,并且这些效果和优点通过引用并入于此。
在所述方法和预混气体燃烧器12的第一个实施例中,空气流量F是根据热需求相关值Q来控制的,燃料气体流量FG是根据实际空气流量相关值Fa来控制的。混合物的所需空气过剩系数关系λd(I)的选定的输入变量I是指示气流的流量的空气流量相关值F。在这个实施例中,燃料气体流量FG跟随空气流量相关值Fa,这是有利的,因为通过控制燃料气体控制阀36可以快速控制燃料气体流量FG。因此,当空气流量相关值Fa变化时,例如作为热需求相关值Q增加的结果,可以非常迅速地实现混合物的所需空气过剩系数关系λd(I)。
在所述方法和预混气体燃烧器12的第二个实施例中,该第二个实施例是第一个实施例的替代方案,根据热需求相关值Q来控制燃料气体流量FG,根据实际燃料气体流量相关值FGa来控制空气流量F。混合物的所需空气过剩系数关系λd(I)的选定的输入变量I是指示燃料气体流量的实际燃料气体流量相关值FGa。在该第二实施例中,例如,风扇的转速根据实际燃料气体流量相关值而变化。这种类型的控制也是一种可行的解决方案。在所述方法和预混气体燃烧器12的第三个实施例中,该第三个实施例是第一个和第二个实施例的替代方案,燃料气体流量FG和空气流量F都是根据热需求相关值Q直接控制的,其中,混合物的所需空气过剩系数关系λd(I)的选定的输入变量I是热需求相关值Q。很明显,在该实施例中,控制也非常快,因为燃料气体流量FG和空气流量F是被同时控制的。
在所述方法的一个实施例中,燃料气体除了氢气(H2)外还可以包括甲烷。在从天然气向以氢气为主的社会的转变过程中,可能会有一个中间阶段,在天然气供应网络中供应天然气和氢气的混合物。根据本发明的方法还涉及在预混燃烧器12中燃烧主要包括甲烷和氢气的天然气混合物。根据本发明的预混燃烧器12也非常适合于燃烧甲烷和氢气的混合物。
在优选的实施例中,混合物的所需空气过剩系数关系λd(I)在输入变量/空气过剩系数图(I/λd(I)图)中定义了工作曲线14,其中,输入变量I定义在横轴上,所需空气过剩系数λd(I)定义在纵轴上。这样的图的示例如图2所示。工作曲线14在工作区域中延伸,该区域沿着输入变量I的工作范围,在下侧以排放界限线16为界,上侧以吹脱界限线18为界,左侧以回火界限线20为界,当输入变量I的值减小时,回火界限线20严格增加。
在排放限界线16以下,没有足够的空气使含氢气的可燃混合物充分燃烧,和/或火焰温度可能变得过高,导致氮氧化物NOx排放过高。因此,工作曲线14应该保持在排放界限线16以上,优选地在离排放界限线16的安全边际上。在吹脱界限线18以上,混合物的速度非常高,以至于火焰不再稳定,并且出现了吹脱现象。在回火界限线20的左侧,混合物的速度低到小于火焰速度,或者火焰长度太短以至于燃烧器平台上右侧的温度将超过混合物的自燃温度,两者都意味着会发生回火。根据这个实施例,工作曲线14在这些界限线16、18、20所限定的区域中延伸。优选地,将空气过剩系数λ保持在尽可能低的水平,以便在可接受的氮氧化合物NOx排放下实现最高效率。
在该实施例的进一步阐述中,排放界限线16包括恒定的排放界限线空气过剩系数λELL。排放界限线空气过剩系数λELL可以在1至1.5之间,优选地约为1.2。
正如所解释的那样,空气过剩系数为1意味着包含氢气和空气的混合物是一种化学计量的混合物,这意味着该混合物包含恰好足够的氧分子来与每个燃料分子结合。由于这些分子可以自由移动,所以最后一个燃料分子很难找到最后一个氧气分子。因此,有一个小的空气过剩系数λ是有利的,这样每个燃料分子,即使是最后一个,也能很容易地与可用的氧分子结合。事实证明,空气过剩系数在1至1.5之间,优选地约为1.2,对燃烧效率是有利的。因此,最好选择具有这个数值的恒定的排放界限线空气过剩系数λELL。工作曲线14应该保持在这个值以上。
在第一个实施例的进一步阐述中,吹脱界限线18是通过测试来确定的,在测试中,对于多个空气流量相关值F,燃料气体的流量FG(可以根据所需的气体质量来选择测试气体)是变化的,直到达到一个燃料气体流量值,在这个流量值处,预混气体燃烧器12开始吹脱,并且通过计算属于该空气流量相关值F和燃料流量值FG的吹脱界限线空气过剩系数λBOLL。由此确定的吹脱界限线空气过剩系数λBOLL的数量定义了吹脱界限线18的点。
在第二个实施例的进一步阐述中,吹脱界限线18是通过测试来确定的,在测试中,对于多个气体流量相关值FG,空气的流量是变化的,直到达到一个空气流量值F,在这个流量值处,预混气体燃烧器12开始吹脱,并通过计算属于该空气流量相关值F和燃料流量值FG的吹脱界限线空气过剩系数λBOLL。由此确定的吹脱界限线空气过剩系数λBOLL的数量定义了吹脱界限线18的点。
与天然气等相比,包含氢气的燃料气体更容易燃烧。这意味着燃料分子更容易与氧分子反应。因此,与天然气的燃料分子相比,这些燃料分子的燃烧可以以较低的浓度进行。换句话说,对于包含氢气的燃料气体,在较高的空气过量系数λ的情况下,燃烧仍然可以发生而不会发生吹脱。空气过剩系数λBOLL的值,取决于预混气体燃烧器12的特性,如它的尺寸、形状、最大负载等。在超过这个值时,预混气体燃烧器12开始吹脱。该空气过剩系数λBOLL的值可以通过测试来确定。工作曲线14应保持在这些值以下。
在一个实施例中,其示例在图2中示出,工作曲线14的所需空气过剩系数λd(I)对于高于界限输入变量值Ic的输入变量值而言,基本上是恒定的(意味着误差不超过±0.05λ)。对于低于界限输入变量值Ic的输入变量值I,当输入变量值I减小时,工作曲线14的所需空气过量系数λd(I)严格增加。对于高于界限输入变量值Ic的输入变量值I,工作曲线14的所需空气过量系数λd(I)在1.0至1.6之间,优选地在1.2至1.4之间,更优选地约为1.3。
一个小的空气过剩系数λ通常是比较好的,因为这是最有效的。根据本实施例,为高于界限输入变量值Ic的输入变量值I,选择一个小的所需空气过剩系数λd(I)。在输入变量值I高于界限输入变量值Ic时,工作曲线14必须延伸的区域的下限不是由回火界限线20而是由排放界限线16形成。然而,对于低于界限输入变量值Ic的输入变量值I,该区域的下限很可能由回火界限线20形成,当从低输入变量值I到高输入变量值I时,该回火界限线20具有向下的斜率。根据该实施例,对于低于界限输入变量值Ic的输入变量值I,当输入变量值I减小时,工作曲线14的所需空气过剩系数λd(I)严格增加。这意味着,对于每个小于输入变量值I1的输入变量值I2,工作曲线14上相应的所需空气过剩系数λd(I)都会更高。或者在一个公式中,对于每一个I<Ic,如果I1>I2,那么λ(I1)<λ(I2)。实际的界限输入变量值Ic将取决于预混气体燃烧器12的构造和最大空气流量F,即预混燃烧器12能够提供的最大热量。
在图3所示的示意性实施例中,所述方法包括获取指示空气实际流量的实际空气流量相关值Fa,其中该获取包括以下至少一项:
-测量供气时的实际空气质量流量;
-测量供气时的实际空气体积流量;以及
-确定风扇的旋转速度或每时间单位的旋转次数。
此外,所述方法的这一实施例包括获取指示实际燃料气体流量的实际燃料气体流量相关值FGa,其中该获取包括至少一项:
-测量供应燃料气体时的实际燃料气体质量流量;
-测量供应燃料气体时的实际燃料气体体积流量。
此外,在所述方法的实施中,实际空气过剩系数λa的确定是通过以下方式实现的:
根据燃料气体的实际流量FGa、实际空气流量相关值Fa和化学计量的空气与燃料比率计算出实际空气过剩系数λa。
在预混气体燃烧器12的一个实施例中,该计算可由控制器26执行。控制器26可以将化学计量的空气与燃料的比率存储在存储器中。
在图4所示的示意性替代实施例中,实际空气过剩系数λa的确定可以通过测量燃烧器平台24的温度T,并通过从存储在存储器中的空气过剩系数图、曲线或公式中获取匹配的空气过剩系数λa来实现。空气过剩系数图、曲线或公式根据燃烧器平台温度T和输入变量Ia的实际值来定义空气过剩系数λa。同样,获取匹配的空气过剩系数λa可以由控制器26执行。控制器26可以包括储存空气过剩系数图、曲线或公式的存储器。
在所述方法和预混气体燃烧器的一个实施例中,预混气体燃烧器设置有温度传感器22,该温度传感器22能够检测指示燃烧器平台24温度T的信号。在该实施例中,现有工作曲线14响应于在给定的输入变量值I下检测到过低或过高的燃烧器平台温度T而进行调整,以获得适合的工作曲线14'。预混气体燃烧器12的实施例的电子控制器26被配置为执行这种调整。
在给定的输入变量值I下,燃烧器平台24的温度T过高表明火焰温度过高,可能导致不必要的氮氧化物NOx的排放或回火的风险。在给定的输入变量值I下,燃烧器平台温度T过低表明空气过剩,从而导致燃烧效率低下。当由于某种原因,预混气体燃烧器12中的情况使燃烧器平台温度T在给定的输入变量值I下变得过高或过低时,本实施例的方法将检测到超过的温度T并调整工作曲线14,从而减少将来出现温度过高或过低的机会。
在所述方法和预混气体燃烧器12的一个实施例中,在工作曲线14被调整的情况下,响应在给定输入变量值I下检测到过低或过高的燃烧器平台温度T而调整现有工作曲线14包括以下至少一项:
-当燃烧器平台温度相对于输入变量值F过低时,将输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于输入变量值I向左移动,从而使新的工作曲线14'作为输入变量值I的函数与之前的工作曲线14的关系为:
λnew(I)=λ(I+ΔI),其中ΔI是输入变量值I的移位;
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过低时,将所述输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于所述空气过剩系数λ向下移动,从而使新工作曲线14'作为所述输入变量值I的函数与之前的工作曲线14关系为:
λnew(I)=λ(I)-Δλ,其中,Δλ是空气过剩系数λ的移位;
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过低时,当所述输入变量值I低于所述界限输入变量值Ic时,使所述工作曲线14的斜率降低;以及
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过低时,将所述输入变量/空气过剩系数图中的所述界限输入变量值Ic向左移动,从而使新的界限输入变量值Ic'与前界限输入变量值Ic的关系为:Ic'<Ic;
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过高时,将所述输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于所述输入变量值I向右移动,从而使新的工作曲线14'作为所述输入变量值I的函数与之前的工作曲线14的关系为:
λnew(I)=λ(I-ΔI),其中,ΔI是输入变量值I的移位;
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过高时,将所述输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于空气过剩系数λ向上移动,从而使新的工作曲线14'作为所述输入变量值I的函数与之前的工作曲线14的关系为:
λnew(I)=λ(I)+Δλ,其中,Δλ是空气过剩系数λ的移位;
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过高时,当所述输入变量值I低于所述界限输入变量值Ic时,使所述工作曲线14的斜率更陡;以及
-当所述燃烧器平台温度相对于所述输入变量值I过高时,将所述输入变量/空气过剩系数图中的界限输入变量值Ic向右移动,从而使新的界限输入变量值Ic'与前界限输入变量值Ic的关系为:Ic'>Ic。
工作曲线14相对于输入变量值I的移动可以被执行,使得作为输入变量值I的函数的新的工作曲线14与以前的工作曲线14的关系为:λnew(I)=λ(I-ΔI)表示向右移动,以及λnew(I)=λ(I+ΔI)表示向左移动,其中,ΔI是输入变量值I的移位。工作曲线14相对于空气过剩系数λ的移动可以被执行,使得新的工作曲线14作为输入变量值I的函数与之前的工作曲线14的关系为:λnew(I)=λ(I)+Δλ表示向上移动,以及λnew(F)=λ(F)-Δλ表示向下移动,其中,Δλ是空气过剩系数λ的移位。界限输入变量值Ic的移动可以被执行,从而使新的界限输入变量值Ic'与以前的界限输入变量值Ic的关系为:Ic'>Ic表示向右移动,Ic'<Ic表示向左移动。
如上所述,在预混气体燃烧器12中使用包含氢气的燃料气体的缺点之一是火焰温度可能变得太高。使用工作曲线14的目的是以最佳方式避免这一缺点。现有工作曲线14可以,例如,由于外部环境的变化,变得不适合新的环境,这意味着,在给定的输入变量值I下,燃烧器平台温度T可能变得过高,这表明火焰温度过高或者过低,这表明燃烧效率低。检测这些过高和/或过低的温度T并调整现有工作曲线14将额外优化工作曲线14。根据该实施例,响应于在给定的空气流量相关值F下检测到过高或过低的燃烧器平台温度T时对工作曲线的调整涉及将工作曲线14移离或移向回火界限线20和/或排放界限线16,使燃烧器平台温度T发生过高或过低的可能性更小。当然,也可以使用这些调整的组合。
在所述方法的一个实施例中,预混气体燃烧器12包括能够检测到指示回火的信号的传感器22、28、32。该方法还包括响应于回火的检测对现有工作曲线14进行调整,以获得适合的工作曲线14'。
在预混气体燃烧器的一个实施例中,预混气体燃烧器包括能够检测到指示回火的信号的传感器22、28、32。预混气体燃烧器的该实施例具有电子控制器26,其被配置为响应于回火的检测调整现有工作曲线14,以获得适合的工作曲线14'。
当由于某种原因,预混气体燃烧器12中发生回火时,本实施例的方法将检测该回火并调整工作曲线14,以减少将来发生回火的机会。
在对具有回火检测的实施例的进一步阐述中,响应于回火的检测而调整现有工作曲线14包括以下至少一项:
-将所述输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于所述输入变量值I向右移动,从而使新的工作曲线14'作为所述输入变量I的函数与之前的工作曲线14的关系为:
λnew(I)=λ(IF-ΔI),其中,ΔI是输入变量值I的移位;
-将所述输入变量/空气过剩系数图中的工作曲线14相对于所述空气过剩系数λ向上移动,从而使新的工作曲线14'作为所述输入变量值I的函数与之前的工作曲线14的关系为:
λnew(I)=λ(I)+Δλ,其中,Δλ是空气过剩系数λ的移位;
-当所述输入变量值I低于所述界限输入变量值Ic时,使所述工作曲线(14)的斜率更陡;以及
-将所述输入变量/空气过剩系数图中的界限输入变量值Ic向右移动,使新的界限输入变量值Ic'与前界限输入变量值Ic的关系为:Ic'>Ic。
如上所述,在预混气体燃烧器12中使用包含氢气的燃料气体的另一个风险是发生回火的可能性更高。使用工作曲线14的目的是为了避免这些回火的发生。现有工作曲线14,例如由于外部环境的变化,可能变得不适合新的环境,这意味着可能发生回火。检测这些回火并调整现有工作曲线14将额外地优化工作曲线14,这意味着将来发生回火的机会将减少。根据这个实施例,响应于回火发生对工作曲线的调整涉及将工作曲线14移离回火界限线20,使回火发生的可能性更小。当然,也可以使用这些调整的组合。
在一个实施例中,能够检测到指示闪退的信号的传感器22、28、32包括温度传感器22,其测量燃烧器平台24的温度T。所述回火由燃烧器平台24的温度T在一定时间段Δt0内的增加ΔT确定的,所述增加ΔT大于预设的温度升高阈值ΔT0。
在本实施例的进一步阐述中,时间段Δt0可以等于2秒,温度升高阈值ΔT0可以等于100℃。温度传感器22可以与燃烧器平台24相连接。例如,传感器22可以是热电偶,它被焊接到燃烧器平台24上。
热电偶是可靠的,而且相对便宜。因此,它们作为用于检测回火的传感器22的应用是优选的。作为焊接在燃烧器平台24上的热电偶22的替代方案,传感器22可以体现为红外传感器,它被放置在离燃烧器平台24有一定距离的地方,检测来自燃烧器平台24的红外辐射。
另外地或可替代地,能够检测到指示回火的信号的传感器22、28、32可以是压力传感器28,它测量供应通道30中的压力p,通过该供应通道30,将混合物供应到预混气体燃烧器12。回火是由供应通道30中的压力p在一定时间段Δt0内的增加Δp决定的,该增加大于预设的压力增加阈值Δp0。
压力传感器28可以是例如压力传感器。
在另一个可替代的或另外的实施例中,能够检测到指示回火的信号的传感器22、28、32可以是声音传感器32,它测量预混气体燃烧器12的声音强度水平S。当声音强度水平S高于预设的声音强度阈值S0时,就可以确定发生了回火。
当发回火生时,回火火焰的波前向上游方向移动。回火的影响是,例如,燃烧器平台24的温度升高,供应通道30中的压力升高,以及发出可听见的声音。利用上述的传感器22、28、32,可以检测到这些效应中的每一个或任何组合。在上面讨论的三个替代实施例中的每一个中,都对这些效应中的一个进行监测。已经确定,在发生回火的情况下,燃烧器平台24上的温度可在2秒内上升超过100℃。因此,燃烧器平台24非常适合放置温度传感器22。在供应通道30内传播的回火将导致压力的显著增加。因此,供应通道30非常适合放置压力传感器28。
在所述方法的一个实施例中,空气流量相关值F可以是供应给预混燃烧器12的空气的质量流量值。代替质量流量值,可以使用供应空气的体积流量值可用作空气流量相关值。此外,风扇34的旋转速度可以作为空气流量相关值。例如,风扇34的每分钟旋转次数可作为空气流量相关值。可选择地,可以考虑空气的入口温度和/或环境与供应通道30中风扇34下游的压力之间的压力差。例如,空气流的质量流量可以根据空气入口温度和风扇34的每分钟旋转次数、外部环境压力和供应通道30中测量的压力来计算。
在一个实施例中,预混气体燃烧器可以包括质量流量确定单元,用于确定由风扇34供应到供应通道30的空气流的质量流量。在该实施例中,确定的空气流的实际质量流量值可作为控制实际空气过剩系数λa的空气流量相关值F。在该实施例中,电子控制器26被配置为根据所供空气的质量流量值来控制燃料气体的供应量,从而使实际空气过剩系数λa根据工作曲线14而变化。
燃料气体的流量FG的控制可以通过燃料气体控制阀36来实现,该阀与电子控制器26相连接,并被放置在燃料气体供应装置42中。
当然,电子控制器26也可以被配置为控制风扇34,以便可以改变预混燃烧器12的空气流量,例如响应集中供热系统的热需求或自来水需求。
以上描述的各种实施例可以独立实施,也可以以各种方式相互结合。在详细说明和权利要求中使用的附图标记并不限制对实施例的描述,也不限制权利要求。附图标记仅用于清楚性。
说明:
10-集中供热锅炉
11-热交换器
12-气体燃烧器
13-燃烧室
14-工作曲线
16-排放界限线
18-吹脱界限线
20-回火界限线
22-温度传感器
24-燃烧器平台
26-电子控制器
28-压力传感器
30-供应通道
32-声音传感器
34-风扇
36-燃料气体控制阀
38-混合区
40-混合装置
42-燃料气体供应装置
F-空气流量相关值
Fa-实际空气流量相关值
Fc-界限空气流量
FG-燃料气体的流量
I-输入变量
Ia-输入变量I的实际值
S-声音强度水平
S0-声音强度阈值
p-压力
T-温度
ΔF-空气流量相关值的移位
Δp-压力的增加
Δp0-压力增加阈值
Δt0-时间段
ΔT-温度的增加
ΔT0-温度升高阈值
Δλ-空气过剩系数的移位
λa-实际空气过剩系数
λd(I)-在输入变量给定值下的所需空气过剩系数
λELL-排放界限线空气过剩系数
λBOLL-吹脱界限线空气过剩系数
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