CN111780154A - 用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器，属于用燃气进行燃烧的机器的控制技术领域。所述控制设备包括：接收装置，用于接收所述用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及燃气阀控制装置，用于根据所述催化模块的温度和所述热负荷来控制燃气阀的开度。本发明根据催化模块的温度和热负荷来控制燃气阀的开度，在降低有害气体排放的同时提高了热效率，保证了热效率和低氮排放。

Description

用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器

相关申请

本申请是申请号为201810050049.6、申请日为2018年01月18日、发明名称为“用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用燃气进行燃烧的机器的控制技术，具体地涉及用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器。

背景技术

天然气是比煤和石油更为清洁的能源，但常规的扩散燃烧方式仍会产生大量的氮氧化物(NO_x)和一氧化碳(CO)。天然气洁净燃烧已经成为能源与环保领域共同关注的课题，世界范围内各国都制定了和执行着严格的NO_x排放法规，普通民众更是谈CO色变。解决燃气热水器的CO和NO_x的高排放问题迫在眉睫，是制约其顺利进入市场的关键因素之一。

根据对CO和NO_x产生机理的认识，目前主要有两种洁净燃烧技术：一是浓淡火焰燃烧，二是全预混表面燃烧。

浓淡火焰燃烧着重于将淡火焰和浓火焰在空间上合理分布，减少局部高温区以降低热力型NO_x的生成量，同时浓火焰在贫燃区可二次燃烧以降低CO浓度。浓淡火焰燃烧的不足之处在于火焰形状受功率影响大，若不动态改变燃烧孔尺寸和角度难以在全功率范围内实现有效浓淡燃烧，要求对空燃比控制得非常精确，对控制***和结构要求较高。

全预混表面燃烧由于已将空气和燃气达到分子级均匀混合，自金属纤维微孔喷出后点燃可以以短火焰燃烧，局部高温区小，NO_x生成量较低，空气和燃气分子级混合使CO生成量很少。全预混表面燃烧的不足之处在于对预混技术要求高，预混不完全有可能局部脱火或局部长火焰，而且表面纤维孔道狭小，容易被灰尘堵塞，堵塞后会产生热点烧坏金属纤维，总体控制及维护成本高，此外，对空燃比的要求较高，***不好控制。

现有技术方案的缺点在于：1、浓淡燃烧方式只能有效降低NO_x的排放，不能降低CO的排放；2、在燃烧产生烟气后再通过催化降解的方式降低CO，会导致NO_x的升高；3、通过后续催化降解的方法是一种已经产生后再消除的补救措施，不能从源头进行控制。

发明内容

本发明的目的是提供用燃气进行燃烧的机器的控制设备和方法及燃气热水器，用于解决降低有害气体排放的同时提高热效率的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用燃气进行燃烧的机器的控制设备，该控制设备包括：接收装置，用于接收所述用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及燃气阀控制装置，用于根据所述催化模块的温度和所述热负荷来控制燃气阀的开度。

可选地，所述控制设备还包括：处理装置，用于判断所述催化模块的温度是否处于预先设定的温度范围；以及点火装置，用于在所述催化模块的温度小于所述温度范围的下限值的情况下对燃烧器进行点火来加热催化模块，以使催化模块工作；其中，所述燃气阀控制装置还用于在所述催化模块的温度大于所述温度范围的上限值的情况下减小所述燃气阀的开度。

可选地，所述处理装置还用于判断所述热负荷是否处于标准气负荷范围；以及所述燃气阀控制装置还用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值的情况下增大所述燃气阀的开度。

可选地，该控制设备还包括：风机控制模块，用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述用燃气进行燃烧的机器的风机风速大于预定风速值且所述用燃气进行燃烧的机器的风机电流小于预定电流值的情况下，提高风机风速；其中，所述接收装置还用于接收所述风机风速和所述风机电流；所述燃气阀控制装置还用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述风机电流不小于所述预定电流值的情况下增大所述燃气阀的开度。

相应地，本发明还提供了一种燃气热水器，包括：催化模块，用于催化燃烧；热电偶模块，用于检测所述催化模块的温度；进水温度检测装置，用于检测所述燃气热水器的进水温度；出水温度检测装置，用于检测所述燃气热水器的出水温度；水流检测装置，用于检测所述燃气热水器在单位时间内的水流量；计算装置，用于根据所述燃气热水器的进水温度、出水温度和水流量来计算热负荷；风机风速检测装置，用于检测所述燃气热水器的风机风速；电流检测装置，用于检测所述燃气热水器的电流；以及根据以上所描述的用燃气进行燃烧的机器的控制设备；其中，所述用燃气进行燃烧的机器为所述燃气热水器。

可选地，所述热电偶模块通过检测预埋在所述催化模块内部的高温导热材料的温度来间接得到所述催化模块的温度。

相应地，本发明还提供了一种用燃气进行燃烧的机器的控制方法，该控制方法包括：接收所述用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及根据所述催化模块的温度和所述热负荷来控制燃气阀的开度。

可选地，所述控制方法还包括：判断所述催化模块的温度是否处于预先设定的温度范围；在所述催化模块的温度小于所述温度范围的下限值的情况下对燃烧器进行点火来加热催化模块，以使催化模块工作；以及在所述催化模块的温度大于所述温度范围的上限值的情况下减小所述燃气阀的开度。

可选地，所述控制方法还包括：判断所述热负荷是否处于标准气负荷范围；以及在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值的情况下增大所述燃气阀的开度。

可选地，所述控制方法还包括：接收所述风机风速和所述风机电流；在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述用燃气进行燃烧的机器的风机风速大于预定风速值且所述用燃气进行燃烧的机器的风机电流小于预定电流值的情况下，提高风机风速；以及在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述风机电流不小于所述预定电流值的情况下增大所述燃气阀的开度。

通过上述技术方案，本发明根据催化模块的温度和热负荷来控制燃气阀的开度，在降低有害气体排放的同时提高了热效率，保证了热效率和低氮排放。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制设备的框图；

图2是本发明提供的催化模块的控制流程图；

图3是本发明提供的根据热负荷调整燃气阀开度的流程图；以及

图4是本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制设备的框图，如图1所示，该控制设备包括接收装置101和燃气阀控制装置102，接收装置101用于接收用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；燃气阀控制装置102用于根据催化模块的温度和热负荷来控制燃气阀的开度。

催化模块的温度过低或过高都会造成催化模块不工作，在催化模块的温度过低的情况下可以通过对燃烧器点火来加热催化模块，在催化模块的温度过高的情况下说明燃气气量太多，可以通过减小燃气阀的开度以降低燃气气量的方式来降低催化模块的温度。

热负荷指的是燃料在燃烧器中燃烧时单位时间内所释放的热量，一般情况下，都是希望尽可能地提高热负荷，也就是说热负荷越高越好，而在热负荷过低的情况下，也就是热效率过低，此时就有可能是燃气气量太少造成的，如果是这样的话，就可以通过增大燃气阀的开度来提高燃气气量以保证机器的热效率。

本领域技术人员应当理解，在现有的用燃气进行燃烧的机器中，都会采用催化模块，其中，利用贵金属作为燃烧器的催化剂，实现无焰催化燃烧。可燃物在催化剂作用下燃烧，与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低，有效抑制NO_x的产生，并且催化燃烧比较完全，可以大大降低烟气中CO的含量，从而有效降低有害气体的排放。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低燃料的起燃温度、加深其氧化程度、使有机物在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧，并氧化分解为燃烧最终产物CO₂和H₂O、释放出大量热量，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率、提高燃料利用率。

催化剂优选为贵金属，在燃烧器表面涂覆贵金属，在贵金属作用下起燃温度可降低到350℃，有效降低了燃烧器火口温度、抑制NO_x的产生，同时催化剂可使CO氧化成CO₂，以此达到降低有害气体排放的目的。

目前较为一致的看法是：在贵金属催化剂表面，CH₄和O₂首先在催化剂表面吸附、活化，解离为甲基或亚甲基，它们与吸附氧作用或直接生成CO₂和H₂O，或者生成化学吸附的HCHO和HCHO，或者从贵金属表面脱附而与吸附氧反应生成CO₂和H₂O。一般认为HCHO作为中间物种，一旦产生就快速分解为CO和H₂，而不可能以HCHO分子形式脱附到气相中。

催化化学反应的动力行为是催化燃烧机理研究的核心。催化反应从整体上看是一个物理化学过程。催化表面的物理特性也对催化的化学动力行为有非常重要的影响。

对于用燃气进行燃烧的机器中采用催化模块以及催化模块中采用贵金属作为催化剂，为本领域常用的技术，于此对其原理不予赘述。

本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制设备还包括处理装置和点火装置，其中，处理装置用于判断催化模块的温度是否处于预先设定的温度范围；点火装置用于在催化模块的温度小于温度范围的下限值的情况下对燃烧器进行点火来加热催化模块，以使催化模块工作；其中，燃气阀控制装置还用于在催化模块的温度大于温度范围的上限值的情况下减小燃气阀的开度。

一般来说，可以将温度范围设定为650℃～1100℃，可以认为催化模块的温度处于650℃～1100℃的情况下可以正常工作，不处于650℃～1100℃的情况下不可以正常工作，所以为了保证催化模块的正常工作，在温度过低(如小于650℃)的情况下点火装置对燃烧器进行点火来加热催化模块，在温度过高(如大于1100℃)的情况下燃气阀控制装置减小燃气阀的开度，以使得燃气气量减少，从而达到降低催化模块温度的目的。

用燃气进行燃烧的机器开机，在检测到水流(水流信号的检测为本领域常规技术)时，启动风机进行清扫废气，然后进行点火(一般是点火装置进行点火)，打开燃气气路先进行全预混方式燃烧，全预混方式燃烧时火焰检测采用检测火焰离子(利用火焰离子检测器)的方式，燃烧产生的热量对催化模块进行预热，在催化模块的温度达到预先设定的温度范围时认为催化模块开始工作，此时火焰离子数量变少，催化模块进入催化燃烧方式。

图2是本发明提供的催化模块的控制流程图，如图2所示，该流程包括：

步骤201，接收催化模块的温度。

步骤202，判断催化模块的温度是否在650℃～1100℃，若判断结果为是，则可以认定催化模块在正常工作，不需要进行任何操作，若判断结果为否，则进行步骤203。

步骤203，判断催化模块的温度是否小于650℃，若判断结果为是，则进行步骤204，若判断结果为否，则说明催化模块的温度大于1100℃，进行步骤205。

步骤204，加热催化模块，以提高催化模块的温度。

步骤205，减少燃气气量，以降低催化模块的温度，这里减少燃气气量是通过减小燃气阀的开度来实现的。

在上文所描述的技术方案中，如果点火装置点火两次都不成功，则会通过报警装置进行报警，其中点火不成功通过火焰离子检测器来判断，在火焰离子检测器检测到火焰离子的情况下判断为点火成功，否则判断为点火不成功。此外，在催化模块的温度不在预先设定的温度范围的情况下，认为气路供气异常或者风机送风异常，报警装置也会进行报警，并且会关闭气阀(该操作可以通过燃气阀控制装置来进行)。

其中处理装置还用于判断热负荷是否处于标准气负荷范围；燃气阀控制装置还用于在热负荷小于标准气负荷范围的下限值的情况下增大燃气阀的开度。

一般情况下，如果热负荷不处于标准气负荷范围，那么在风机风速高、风机电流下降时，可以认为外界有倒灌风或排气通道堵塞的情况，此时可以提高风速以使风机电流达到规定的值，但是，如果在风机风速和风机电流都都在标准的范围内，热负荷仍然低(即，不在标准气负荷范围，也就是低于标准气负荷范围的下限值)，则可以认为燃气的热值不足或者一次供气的压力不够，那么可以增大燃气阀的开度，以增大燃气出气量，保证机器的热效率。

由此，本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制设备还包括风机控制模块，用于在热负荷小于标准气负荷范围的下限值以及用燃气进行燃烧的机器的风机风速大于预定风速值且用燃气进行燃烧的机器的风机电流小于预定电流值的情况下，提高风机风速；其中，接收装置还用于接收风机风速和风机电流；燃气阀控制装置还用于在热负荷小于标准气负荷范围的下限值以及风机电流不小于预定电流值的情况下增大燃气阀的开度。

由于热负荷一般认为是越高越好，所以本发明中仅考虑热负荷小于标准气负荷范围的下限值的情况。对于风机风速高和风机电流下降的判断，技术人员可以根据实际情况设定判断规则，在本发明中通过判断风机风速大于预定风速来确定风机风速高，通过判断风机电流小于一预定电流值来确定风机电流在下降。当然，本发明不限于此，技术人员可以根据经验来设定判断风机电流下降的策略。

以上所描述的燃气阀控制装置减小燃气阀的开度和增大燃气阀的开度是根据预先设定的标准值来进行的，一般来说，特征值包括催化模块温度、风机风速、热负荷，在需要调整燃气阀的开度时根据这几个特征值来确定燃气阀的开度，从而确定燃气阀的开度的调整值。本领域技术人员应当理解，可以预先将催化模块温度、风机风速、热负荷以及与这几个特征值对应的燃气阀的开度通过表格存储起来，在需要调整燃气阀的开度时，通过表格中各个特征的特征值得到对应的燃气阀的开度，一般来说特征值是一个范围值，当然，不发明不限于此，技术人员可以根据实际情况来设置特征值及与其对应的燃气阀的开度。本发明不限于此，可以针对燃气阀的开度调整值，即一固定值，在每次调整燃气阀的开度时，都是调整该固定值，即增大或减小该固定值，可以通过多次调整的方式实现最终的目的，即达到所期望的热负荷。

图3是本发明提供的根据热负荷调整燃气阀开度的流程图，如图3所示，该流程包括：

步骤301，接收进水温度、出水温度、水流量。

步骤302，根据进水温度、出水温度、水流量来计算热负荷。

步骤303，判断步骤302中所计算的热负荷是否小于标准气负荷范围的下限值(本发明中不考虑标准气负荷的上限值)，若判断结果为是，则执行步骤304，若判断结果为否，则返回执行步骤301，也就是不进行任何操作。

步骤304，判断风机电流是否小于预定电流值，若判断结果为是，则执行步骤305，若判断结果为否，则执行步骤306。

步骤305，提高风机风速。

步骤306，增大燃气阀的开度。

相应地，本发明还提供了一种燃气热水器，包括：催化模块，用于催化燃烧；热电偶模块，用于检测催化模块的温度；进水温度检测装置，用于检测燃气热水器的进水温度；出水温度检测装置，用于检测燃气热水器的出水温度；水流检测装置，用于检测燃气热水器在单位时间内的水流量；计算装置，用于根据燃气热水器的进水温度、出水温度和水流量来计算热负荷；风机风速检测装置，用于检测燃气热水器的风机风速；电流检测装置，用于检测燃气热水器的电流；以及根据以上所描述的用燃气进行燃烧的机器的控制设备；其中，用燃气进行燃烧的机器为燃气热水器。

其中，为了避免热电偶的高温测量，提高热电偶的寿命，可以在催化模块内部预埋高温导热材料的方式，采用热电偶在模块外面测量导热材料的温度进而，推算催化模块的温度。也就是说，热电偶模块通过检测预埋在催化模块内部的高温导热材料的温度来间接的得到催化模块的温度。

图4是本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制方法的流程图，如图4所示，该方法包括：

步骤401，接收用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及

步骤402，根据催化模块的温度和热负荷来控制燃气阀的开度。

应当说明的是，本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制方法的具体细节及益处与本发明提供的用燃气进行燃烧的机器的控制设备类似，于此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

本发明采用无焰催化燃烧方式，从源头控制CO和NO_x的产生，改变了传统的有焰燃烧方式，利用贵金属作为燃烧器的催化剂，实现无焰催化燃烧。可燃物在催化剂作用下燃烧，与直接燃烧相比，催化燃烧温度较低，有效抑制NO_x的产生，同时催化燃烧比较完全，降低了烟气中CO的含量，从而有效降低了有害气体的排放。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低燃料的起燃温度，并加深其氧化程度，使有机物在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧，并氧化分解为燃烧最终产物CO₂和H₂O，释放出大量热量，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率、提高燃料利用率。

本发明通过热电偶测量温度来判断催化模块的工作状态，可以安全控制模块的工作状态，提高***的可靠性，当燃气供气压力低或燃气热值偏低时，***能自动提高热负荷，保证热效率和低氮排放。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用燃气进行燃烧的机器的控制设备，其特征在于，该控制设备包括：

点火装置，用于点火，并打开燃气气路进行全预混方式燃烧以对催化模块进行预热；

接收装置，用于接收间接测量的所述用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及

燃气阀控制装置，用于根据所述间接测量的所述催化模块的温度和所述热负荷来控制燃气阀的开度。

2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备还包括：

火焰离子检测器，用于在全预混方式燃烧时检测火焰离子状态；

报警装置，用于在所述点火装置点火不成功时，或者，用于检测到所述催化模块温度不在预设的温度范围情况下进行报警；以及

处理装置，用于判断所述催化模块的温度是否处于预先设定的温度范围；以及

所述点火装置还用于在所述催化模块的温度小于所述温度范围的下限值的情况下对燃烧器进行点火来加热催化模块，以使催化模块工作；

其中，所述燃气阀控制装置还用于在所述催化模块的温度大于所述温度范围的上限值的情况下减小所述燃气阀的开度。

3.根据权利要求2所述的控制设备，其特征在于，

所述处理装置还用于判断所述热负荷是否处于标准气负荷范围；以及

所述燃气阀控制装置还用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值的情况下增大所述燃气阀的开度。

4.根据权利要求3所述的控制设备，其特征在于，该控制设备还包括：

风机控制模块，用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述用燃气进行燃烧的机器的风机风速大于预定风速值且所述用燃气进行燃烧的机器的风机电流小于预定电流值的情况下，提高风机风速；

其中，所述接收装置还用于接收所述风机风速和所述风机电流；

所述燃气阀控制装置还用于在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述风机电流不小于所述预定电流值的情况下增大所述燃气阀的开度。

5.一种燃气热水器，其特征在于，包括：

催化模块，用于催化燃烧；

燃烧器，用于对所述催化模块进行预热和加热；

热电偶模块，用于间接检测所述催化模块的温度；以及

根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的用燃气进行燃烧的机器的控制设备；

其中，所述用燃气进行燃烧的机器为所述燃气热水器，所述点火装置用于对所述燃烧器进行点火。

6.根据权利要求5所述的燃气热水器，其特征在于，所述热电偶模块通过检测预埋在所述催化模块内部的高温导热材料的温度来间接得到所述催化模块的温度。

7.一种用燃气进行燃烧的机器的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

以全预混方式燃烧以对催化模块进行预热；

接收间接测量的所述用燃气进行燃烧的机器的催化模块的温度和热负荷；以及

根据间接测量的所述催化模块的温度和所述热负荷来控制燃气阀的开度。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

判断所述催化模块的温度是否处于预先设定的温度范围；

在所述催化模块的温度小于所述温度范围的下限值的情况下对燃烧器进行点火来加热催化模块，以使催化模块工作；以及

在所述催化模块的温度大于所述温度范围的上限值的情况下减小所述燃气阀的开度；

其中在检测到点火不成功时，或者所述催化模块温度不在预设的温度范围情况下均进行报警。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

判断所述热负荷是否处于标准气负荷范围；以及

在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值的情况下增大所述燃气阀的开度。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

接收所述风机风速和所述风机电流；

在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述用燃气进行燃烧的机器的风机风速大于预定风速值且所述用燃气进行燃烧的机器的风机电流小于预定电流值的情况下，提高风机风速；以及

在所述热负荷小于所述标准气负荷范围的下限值以及所述风机电流不小于所述预定电流值的情况下增大所述燃气阀的开度。

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